瞬变电磁法在采空积水区响应特征分析及应用

马志超，崔金亮，张 林，刑 凯

（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 010000；2.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司，山西 晋城 048006）

瞬变电磁法在采空积水区响应特征分析及应用

马志超1,2，崔金亮1,2，张 林1,2，刑 凯2

（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 010000；2.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司，山西 晋城 048006）

在煤矿巷道掘进过程中，瞬变电磁法对低阻含水体具有反应敏感的特点，它可以用来探查迎头前方是否存在水害威胁，并做实时预测预警，排除矿井安全生产的隐患。本文以山西晋煤集团天安昌都煤矿为例，采用瞬变电磁法对巷道迎头进行超前探测，对电阻率响应特征进行分析，并经过钻探验证，有效地探测了富水区，其探测成果为矿井水害防治措施的制定提供了可靠依据。

瞬变电磁法；低阻体；烟圈效应；富水异常区

机械化采煤是社会发展的必然结果，它有助于提高煤炭的产量，保证工作人员的人身安全。但是，在煤矿开采生产中，一些采空区积水往往给煤矿带来生命和财物上的双重威胁。所以，超前预报巷道前方的地质异常体，预防水害，这对于保障矿井生产安全具有重要的作用。

瞬变电磁法对于低阻体具有反应敏感的特征，近几年矿山将其用于井下水文勘查。瞬变电磁法是一种具有很大发展前景的方法，可探测含水的地质异常体，如断裂构造、煤矿采空区、陷落柱等。在高阻区域寻找低阻地质体时，瞬变电磁法探测是最敏感的方法之一，它无需人工手动消除主要噪声源，无需校正地形影响，勘探目标可以同一地点多组观段与之产生最佳耦合，具有异常感应显著、形态单一和辨别功能突出等优点[1]。

1 瞬变电磁法原理及数据处理流程

1.1 瞬变电磁法探测原理

瞬变电磁法是使用接地装置或不接地回线向岩层发射一次脉冲电磁场，在一次场断电后使用接地装置或不接地回线框观段岩层中的二次感应涡流场，来勘探岩层电阻率的方法，原理类似于电磁感应定律。在测区激发电磁场后断电，使岩层中产生感应电场，再利用装置接收信号。岩层中的感应电流随时间递减，可分为早、中、晚三个时期，早期频率衰减快，勘探深度小，而晚期频率衰减缓，勘探深度大。通过提取不同时期的数据，人们可以得到不同深度的信息[2-4]。

1.2 数据处理流程

矿井瞬变电磁法处理系统是集数据处理与解释于一体的井下瞬变电磁法勘探测量数据的操作平台，矿井瞬变电磁数据处理解释工具具有简明、直观的特点，将文件管理、数据处理、资料解释、图形绘制多功能集于一体，为技术人员提供了简单便捷的数据处理工具。瞬变电磁法探测数据处理流程如图1所示。

图1 系统数据处理流程

2 矿井瞬变电磁现场施工方法

根据勘查任务的需求和巷道条件的实际情况，此次瞬变电磁法使用的是矿用本安型瞬变电磁仪，发射电流≤3.2 A，发射频率25 Hz；发射电压8.4 V，叠加次数36次，测道数160道，采样间隔2 us，选用2 m×2 m的矩形多匝数回线装置进行探测。根据勘查任务需求，选用多匝数线框，将线框不同角度摆放于巷道，并靠近地质异常所在侧帮进行勘查。发射线框与接收线框是两个匝数不等、并整体分开的两个独立线框，达到与地质异常体产生最佳偶合响应。由于观段时间、线圈的互感影响，探测前方会产生20 m左右的勘探盲区。

矿井瞬变电磁法超前探测设计4个方向（见图2），采用3个横向勘查方向和1个纵向勘查方向。3个横向分别为顶板45°、顺层0°、底板45°。顶板45°方向：线框与巷道顶板呈45°夹角朝前方顶板探测；顺层方向：线框平行于迎头方向朝前方探测；底板45°方向：线框与巷道底板呈45°夹角朝前方底板探测。3个横向勘查方向布置横向探测角度14个（见图3（a）），分别是左侧帮（180°、165°、150°、135°、120°、105°）、正前方（90°、90°）、右侧帮（0°、15°、30°、45°、60°、75°），3个横向探测方向共布置42个探测角度；纵向探测方向布置13个探测角度（见图3（b）），分别是顶板（90°、75°、60°、45°、30°、15°）、正前方（0°）、底板（-15°、-30°、-45°、-60°、-75°、-90°）。4个探测方向共计55个测点数据。

图2 瞬变电磁法探测方向示意图

图3 瞬变电磁法探测角度示意图

3 应用实例及分析

3.1 概况

井田位于沁水煤田东南部。井田内为新生界黄土广泛覆盖区，覆盖有新生界第四系中、上更新统，全新统，无基岩出露。下伏地层二叠系下统山西组、石炭系上统太原组和中统本溪组、奥陶系中统峰峰组地层。奥陶系中统峰峰组以石灰岩夹泥灰岩为主，含方解石脉，泥灰岩厚度比较大。石炭系中统本溪组为一套海陆交互相沉积，主要由铁铝岩、铝土质泥岩及薄层砂质泥岩组成。石炭系上统太原组是本区主要含煤地层之一，为一套海陆交互相沉积，主要由泥岩、砂岩、石灰岩、粉砂质泥岩及煤层组成，中间夹有多层石灰岩。二叠系下统山西组，该组地层以K7砂岩底界到K8砂岩底止，主要由灰黑色粉砂岩、泥岩、石英细砂岩、粉砂岩、中粗粒长石石英砂岩和煤层组成，为一套陆相含煤沉积，是本区主要含煤地层之一。第四系区内广泛分布，由离石组浅红色亚粘土和马兰组黄色砂土、亚粘土组成。

表1 顶底板岩性特征

本次物探位置位于9#煤层9102回风顺槽开口以里172 m处，顶底板岩性特征如表1所示。测区南部、东部为采空塌陷区，北部区域为9101工作面。现场情况：巷道为锚杆、锚网支护，巷宽4.2 m、高2.3 m；机组退后15 m，少量淋水，少量浮煤。本次瞬变电磁探测距离100 m，前方20 m为探测盲区。

3.2 物性特征分析

在探测巷道前方水体赋存的位置及其分布范围等方面，瞬变电磁法是直接有效的方法之一，其通过地下水使周围岩石电性有明显差异的物理特性。煤层中电阻率值一般较高，石灰岩次于煤层，砂岩类最低。原理上讲，岩石在不含水的情况下电阻率值较大，实际的地下岩石缝隙大部分情况下是含水的，并且岩石的电阻率随着含水饱和度的增长而下降，在瞬变电磁成果图件上岩层富水性的不均匀程度会呈现为电阻率的高低变化；当岩层完整时其电阻率较高，遇到部分地层岩石裂隙发育或破碎，含水的饱和度越大且破碎严重，岩石的电阻率会明显下降，低阻异常区域在断面图上会有明显反映。常态下在横向上各层位电性相比较是平稳的。局部有低阻异常区域（裂隙破碎带、富水区等）存在时，断面图上会显示出局部低电阻率异常区，岩层含水量较多时，其电阻率下降，与周围岩性比较，形成直观的低阻反映。瞬变电磁法探测技术是以导电性差别、电性感应差别作为前提的地球物理特性的运用。

3.3 物探成果资料解析

矿井瞬变电磁法超前探测视电阻率等值线拟断面图如图4所示。

由图3（a）、图3（b）、图3（c）可以大体看出，横坐标0点位置对应掘进头位置，纵坐标轴为掘进头前方或顶底板沿探测方向的距离，横坐标轴负坐标方向对应掘进头位置左侧帮，正坐标方向对应掘进头位置右侧帮；图4（d）中纵坐标0点标识位置对应掘进头位置，纵坐标轴负坐标方向对应掘进头位置底板方向，正坐标方向对应掘进头位置顶板方向，横坐标轴为掘进头前方沿探测方向的距离。图中不同色标表示不同的视电阻率值。

由图4可知，视电阻率拟断面图显示出探测区域的电性大致分布趋势，数值越小表示该区域导电性较好，视电阻率低相对显示低阻异常。分析图4可知，顶板、顺层探测方向存在低阻异常区域，位于前方0°～160°，深度约在20 m之外，视电阻率≤25 Ω·m，等值线畸变明显，呈低阻闭合圈分布。顶板、顺层低阻异常位置大致吻合，视电阻率相对一致，且与纵剖面低阻异常区域基本相符，由此可以推断低阻异常受采空水影响。

图4 视电阻率拟断面图

3.4 钻探验证情况

物探结果显示，20 m之外存在低阻异常区域，对掘进前方进行超前探放水钻孔设计（见图5）。成扇形设计钻孔5个，钻孔参数如表2所示。

图5 超前探放水钻孔设计

由表2可以看出，施工1#孔，孔深27 m出水，出水量约为18 m3/h；施工2#孔，孔深26 m见空，出水量约为18m3/h；施工3#孔，孔深30 m见矸石，未见异常；施工4#孔，孔深28 m出水，出水量约为6m3/h；施工5#孔，孔深13.5 m见矸石，未见异常。经探放水打钻验证，前方存在采空积水区，如图6所示。

表2 探放水钻孔参数

图6 探放水钻孔施工图与顺层视电阻率拟断面叠加图

5 结语

通过实例可以看出，瞬变电磁法应用于井下探测有着较好的表现，结合一些地质资料，它可以有效地预测及确定巷道迎头前方的低阻异常体，对前方富水性的破碎带、陷落柱、采空区进行提前预警，减少煤矿工人的人员伤亡，降低经济损失，保障巷道可以安全、快速地掘进。此外，矿井瞬变电磁法根据成果图可以直接有效地推断低阻异常区域。钻探结果表明，通过对瞬变电磁法的解析，人们探测出前方存在采空区积水，这说明超前瞬变电磁法探测具有可靠性。目前，瞬变电磁法井下超前探测还处于发展中，随着理论的进一步发展、仪器设备的进一步完善，其在煤矿开采中将发挥越来越重要的作用。

1 马永强，李永军.瞬变电读取法在煤矿构造水害探测中的应用[J].科技创新与生产力，2010，（2）：89-91.

2 于景邨，刘志新，刘树才，等.深部采场突水构造矿井瞬变电磁法探查理论及应用[J].煤炭学报，2007，32（8）：818-821.

3 汤金云，于景邨，王扬州，等.矿井瞬变电磁噪声特征及处理技术研究[J].能源技术与管理，2008，（1）：93-94.

4 王玉阳，姚 丽，韦 静.基于HFSS的瞬变电磁法发射线圈参数的仿真分析[J].现代电子技术，2013，（5）：157-160.

Response Characteristics Analysis and Application of Transient Electromagnetic Method in Water Burst Area

Ma Zhichao1,2,Cui Jinliang1,2,Zhang Lin1,2,Xing Kai2
(1.Coal Science and Technology Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 010000,China; 2.Shanxi Jincheng Coal Mining Group Technology Research Institute Co.,Ltd.,Jincheng 048006,China)

Transient electromagnetic method is sensitive to low-resistivity water body during tunneling in coal mine.It can be used to detect whether there is threat of water damage ahead of head-on and make real-time prediction and warning to eliminate the hidden danger of mine safety production.Taking Tian'an Changdu coal mine in Shanxi Province as an example,transient electromagnetic method is used to detect the headway ahead of the roadway,and the resistivity response characteristics are analyzed.After drilling verification,the water-rich area is effectively detected and the detection result is mine Water hazard control measures to provide a reliable basis for the establishment.

transient electromagnetic method; low resistance body; smoke ring effect; abundant water-rich area

P631.325

A

1008-9500(2017)11-0135-04

2017-10-28

马志超（1990-），男，山东平阴县人，助理工程师，从事地球物理化学勘探工作。E-mail：253921041@qq.com