瞬变电磁在采空区含水性超前探测中的应用

张瑞尧，陶 威，朱亚林，刘秀能，王海军，贾凯锋，邵瑞琦

(1.西北大学地质学系，陕西 西安 710069；2.陕西省地矿局区域地质矿产研究院，陕西 咸阳 712000；3.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；4.长庆油田分公司第五采油厂，陕西 西安 710018)

人们大规模开采煤炭资源，创造可观经济利益的同时也留下了煤炭采空区这一隐 患。尤其是积水采空区还存在突水灾害，严重威胁着井下工作人员及运行设备的安全[1-2]。目前查明采空区富水性的方法主要有：现在主要应用于巷道超前探测的方法有：钻探、红测温法、地震反射波法、瑞雷波法、矿井直流电法、地质雷达法[3-4]。就地质效果而言， 钻探方法比较适合，但是此方法又存在费用高和时间长的缺点。其余的方法多多少少都存在探测空间范围小(普遍为正前方)、探测距离不够的不足。因此，如何有效精确地的实现多方位、长距离的超前探测是有非常重要意义的[5]。衰退慢和易穿透是电磁场在高阻介质中传播的一重要特点，采用非接触式、小回线(边长大于 2m 左右)、多匝数测量装置的矿井瞬变电磁技术探查综放工作面顶板水害源，在多个矿井进行了实际实践应用，都取得了较好的地质效果。

1 基本原理

1.1 物性前提条件

岩石物性的不同是瞬变电磁的工作前提。目前学界认为从泥岩、粉砂岩直至砾岩到煤层、灰岩，岩石的电阻率是呈增大趋势的，换而言之，煤层和灰岩较其他岩层可被视为高阻层。另外，对于同一岩层来讲，其含水率是决定电阻率高低的因素，含水率增加， 电阻率减小，含水率减小，电阻率增大。所以，岩层本身的岩性和含水性都是影响岩层电阻率的重要因素。这就说明了灰岩地层(地层含水)低电阻率的缘由。反之，电阻率则表现为高值[6]。

如果迎头前方存在断层，那或许就说明有含水构造或者导水裂隙，从地球物理上来讲，会表现出电性的不同[7]。因此采用瞬变电磁法探测迎头前方的物性分布情况，能够为进一步安全掘进提供较为科学的水文地质参数。

1.2 基本原理

瞬变电磁法是时间域电磁感应方法的一种[8-9]。提供一个方波电流脉冲在发送回线上，就在方波达到下降沿的一瞬间，会生成一个一次磁场向回线法线方向传播，在一次场的不断促使下，地质体会产生大小由地质体导电程度决定的涡流。涡流并不会伴随着一次场的立即消失而立即消失，它的衰减还存在一定的时间过程。在这一时间过程之中又会产生一个向掌子面传播的衰减的二次磁场，该二次磁场被接受回线接收，此二次磁场的变化情况即可反映出地质体的电性分布情况。如果想要得到二次磁场与时间的特征曲线，那就必须测量出不同的延迟时间下的二次感应电动势 V(t)。一般存在两种情况： 不存在良导体与存在良导体，前者可以观测到二次磁场快速衰减的变化过程，对于后者来讲，在切断电源的瞬间，导体内将会产生涡流(维持一次场的涡流)，这就会产生衰变速度变慢的结果，因此发现导体的存在(图 1)。在大地中通过"烟圈"的形式进行传播是瞬变电磁场的主要传播方式(图 2)，电磁通量在介质中传播会产生消耗， 由于集肤效应，高频部分和低频部分分别主要分布于地表附近和源下面的局部，同时较低频的部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。

图1 良导体瞬变电磁感应原理Fig.1 Good conductor transient electromagnetic inductionprinciple

图2 空间电磁场"烟圈"扩散示意Fig.2 Spatial electromagnetic field “smoke ring” diffusion

1.3 矿井瞬变电磁探测特点

基于井下探测施工环境有着自己的特殊性这一因素，矿井瞬变电磁法较地面瞬变地磁法和其他矿井物探方法存在以下特点[6-10]：

(1)边长大于 50m 的大线圈装置通常是地表测量所采用的。但是在空间有限的井下巷道工作中，采用边长小于 3m 的多匝小线圈是一种较佳的选择，因为这种方式较地面瞬变电磁法和其他矿井瞬变电磁探测具有测量设备轻便、工作效率高、成本低等优势， 且适用于巷道掘进迎头超前探测或巷道长度有限等其他矿井探测方法无法工作的巷道。

(2)采用小线圈测量较大线圈测量还具有横向分辨率更高、点距更密(2～20m)、体积效应更低的优点，另外就小线圈测量而言，测量装置距目标也更近，可以达到感应磁性体较强的效果，同时具有相对较高的磁性灵敏度。

(3)因为小线圈装置在发射电磁波方面具有方向明确的特点，所以在其施工应用时，对目标体的探测更具有针对性，更能达到较好的效果。

(4)发射电流关闭时间会影响到早期的信号测量，会使其发生变形，这便会产生浅层地质体无法被准确测量的结果，因此浅部(10～20m)会存在一定的测量盲区。

(5)由于井下存在变压器、采煤机械、排水管道、金属支架等金属物的影响，因此直接获得的测量数据是存在误差的，必须对测量数据在后面处理的过程中加以校正或者删除。

全空间电磁场分布的问题是矿井瞬变地磁法和地面瞬变电磁所共同面临的。由于煤层一般具有电阻高的特性，这会使得电磁波通过较易，因此煤层对 TEM 不具备屏蔽性(并不会如直流电电场那样)，TEM 测量到的信号可以被认为是线框周围全空间岩石电性的综合显示。但可以利用小线框电磁传播具有方向性、体积效应小等特点，利用其他地质资料以及通过改变线框平面方向的方法来相对准确地确定地质异常体的空间位置。

2 方法技术

一般情况下，探测对象的埋深、规模以及电性是选择回线边长的依据。选择的依据是长与异：探测对象的埋深必须与回线边长大致相同，否则会导致其探测分辨率能力变差，同时也会受到周围地质体的干扰更大。由于地下条件本身的限制，所以其不同于地表测量，只能采用多匝小线框(边长小于 3m)，不能采用边长大于 50m 的大线圈[11]。要达到增加探测的深度的目的，就必须让装置的发射磁矩达到相对应的数值，因此装置的发射磁矩和探测磁矩是存在直接关系的。而线圈的发射电流、匝数、有效面积(即边长)又与磁矩成正比例关系。因此通过增加线圈的匝数、电流和有效面积可以提高信噪比，进一步达到提高发射功率和增加有效探测深度的目的。点距密的小线圈，现场测量一般控制在 5m 左右，如果遇见观淋水点或者淋水区，适当缩小点距是必要的。

关于对多匝小回线发射磁场方向研究，可以得出线框平面的法线方向即为瞬变电磁探测方向的结论。所以，要想明显的反映出煤层顶底板内部的地质异常，将发射和接受线框平行于煤层顶底板来探测即可。

3 应用实例

3.1 地质概况

山西某煤矿六采区工作面上线标高、下线标高和地面标高分别为 796m、696m 和904～1068m。太原组的 10#和 11#煤是目标开采层，煤层均厚 7.38m，直接顶为 9#煤底层的泥岩，老顶为 K2 灰岩，煤层底面为铝质泥岩，煤层结构相对较复杂。

该矿开采已有几十年的历史，在 9#煤前期开采过程中形成了诸多采空区，因该煤田K2 灰岩厚度较大，区域富水性较强，这为 9#煤采空储水提供了较好的条件。

3.2 探测方法

本次施工使用仪器为福 YCS40(A)型瞬变电磁仪，线圈边长 2m，发射电压是 6V，128 次叠加，发射频率为 8.3Hz。

本次探测测线主要布置在 6112 工作面材料巷、6112 工作面运输巷及切眼，探测方向为顶板 30°及顺层 0°。因 6112 工作面上部为 9#煤采空区及 K2 灰岩含水层，针对上述情况，本次探测的主要目的就是初步调查 6112 工作面面内及 6112 工作面上方 9# 煤采空区和 K2 灰岩区域富水情况。

3.3 探测结果

MTEM2.0 处理系统是本次瞬变电磁探测数据处理所采用的系统，数据处理的流程依次为：数据上传、格式装换、数据滤波处理、计算晚期视电阻率、正反演计算、最终成图[12-13]。

通过上面数据分析处理过程，得到巷道前方瞬变电磁剖面结果如下所示(如图 3)。

a. 6112 工作面切眼内帮顶板 30°方向视电阻率结果 a. 6112 working face cut-off eye 30°direction apparent resistivity results

由图 3 可见2个相对视电阻率剖面，分别为 6112 工作面切眼内帮顶板 30°、6112工作面切眼内帮顺层 0°方向视电阻率拟断面图；以材料巷口-运输巷口为探测方向，从观测系统中可以看出，6112 工作面切眼内帮在 12～50m、60～90m 范围深度 50～100m 深度顶K2灰岩层相对视电阻率在0.1～0.7Ω·m范围内，为低阻异常区，疑为K2灰岩局部富水影响地段；推测在该区域局部相对富水且水性较强。

4 结论

(1)山西某煤矿六采区6112工作面切眼内帮在12～50m、60～90m以50～100m范围为低阻异常区，可能为K2灰岩局部富水影响地段，说明在该区域局部相对富水且水性较强的。

(2)矿井瞬变电磁具有诸多优点，如体积效应小、施工效率高、探测方向强、低阻体反映敏感、分辨率高等，可以对巷道前方各个方位构造富水性进行有效的探测。此种方法可以相对准确的预见巷道掘进迎头前方的含水分布情况，这就为巷道快速安全掘进提供了一定的保证。