YCS-360A瞬变电磁仪在草垛沟矿工作面的推广应用

2018-11-28董雪峰

机械管理开发 2018年11期

董雪峰

（山西煤炭进出口集团左云草垛沟煤业有限公司，山西大同 037000）

1 探测区域概况

山煤集团左云草垛沟煤业是一家国有煤炭生产单位，为原小窑矿井兼并重组而成。矿井批采5号-14号煤层，其中8号、11号煤层已大部分采空、8-1号、8-2号煤层部分采空，14号煤层已全部采空；本矿井采空范围较广、老空积水赋存情况复杂，严重影响矿井的安全生产。为保证矿井安全有效的生产，特引进安徽地质科技有限公司的YCS-360A瞬变电磁仪为本矿进行物理电磁探测。

8115回风顺槽、8113准备回采工作面位于草垛沟矿设计的8-1号煤层的一盘区东翼，8-1号煤层上部为8号煤层、8-1号煤层下部为8-2号煤层、层间距平距为16.58 m。8-1号煤层直接顶：灰色中砂岩，厚1.10 m，中厚层状，胶结致密，稳定性较好。老顶：岩性为砂砾岩及粗砂岩，厚4.20～26.93 m，一般4～6 m，稳定性较好。底板：砂质泥岩、粉砂岩及少量的炭质泥岩。

8115回风顺槽设计980 m，巷道断面为3.2 m×2.4 m，支护方式为锚网+锚索，开拓方式为炮掘。8113工作面走向980 m、倾向150 m，煤层平距厚度为1.2 m。为了保证8115回风顺槽掘进安全和8113准备回采工作面回采安全，查明其前方、上方、下方的水情水患情况，进行物理电磁法探测。

2 瞬变电磁仪工作原理

2.1 瞬变电磁仪概述

探测使用仪器研制的YCS360A型瞬变电磁测深仪，YCS360A矿用瞬变电磁仪对低阻充水破碎带反映特别灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高、盲区小，且施工方便、快捷、效率高等优点，既可以用于煤矿掘进头前方，也可以用于巷道侧帮、煤层顶、底板等探测，为煤矿企业在生产过程中水患和导水构造的超前预测预报提供技术手段。

软件设计集成了经典的和专家的时间域瞬变电磁法勘探理论、技术与方法，其一次场波形发射和二次磁场接收技术和方法，可以进行复杂的地质构造勘探。

1）现场探测：集成了多样式一次磁场发射，高精度、高分辨率的二次磁场接收技术与方法。

2）文件管理：文件管理工具，可创建文件和删除文件，创建和删除当前二次磁场记录文件。

3）数据显示：一次磁场波形发射显示工具，接收二次磁场显示。

4）检测处理：一次磁场发射时相对应电流检测，对模数转换器校零，及对二次涡流场增益检测，手工置增益。

5）便于操作：自动管理测点号和测线号及波形文件管理工具。

本次探测工作主要使用的仪器设备有：YCS360A型矿井瞬变电磁仪1台；发射线框及接收线框组成的重叠回线工作装置1套；配套连接线若干。

2.2 瞬变电磁仪探测原理

在发送回线上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向发射回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，如下页图1所示，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡（衰减）过程。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向地质体内传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况，如下页图2所示。

如按不同的延迟时间测量二次感生电动势V（t），就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程，如图3所示；当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而发现导体的存在。

图1 半空间中的等效感应电流图

图2 瞬变电磁法原理图解

图3 TEM衰减曲线（探测的根据）

2.3 矿井瞬变电磁的特点及优点

由于矿井轨道、高压环境及小规模线框装置的影响，在井下的探测深度很受限制，一般可以有效解释110 m左右。矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应，这种响应来自回线平面上下（或两侧）地层，这对确定异常体的位置带来很大的困难。实际资料解释中，必须结合具体地质和水文地质情况综合分析。矿井瞬变电磁法具有以下特点：

1）受矿井巷道的影响矿井瞬变电磁法采用了边长1.8 m的多匝回线装置，这与地面瞬变电磁法相比数据采集劳动强度小，测量设备轻便，工作效率高，成本低。

2）采用小规模回线装置系统，因此为了保证数据的质量、降低体积效应的影响、提高勘探分辨率，特别是横向分辨率，在布设测点时一定要控制点距，在考虑工作强度的情况下尽可能使测点密集。

3）井下测量装置距离异常体更近，提高了测量信号的信噪比，经验表明井下测量的信号强度比地面同样装置及参数设置的信号强10～100倍。井下的干扰信号相对于有用信号近似等于零，而地面测量信号在衰减到一定时间段接被干扰信号覆盖，无法识别有用的异常信号。

4）地面瞬变电磁法勘探一般只能将线框平置于地面测量，而井下瞬变电磁法可以将线圈放置于巷道底板测量，探测底板一定深度内含水性异常体垂向和横向发育规律，也可以将线圈直立于巷道内，当线框面平行巷道掘进前方，可进行超前探测；当线圈平行于巷道侧面煤层，可探测侧帮和顶底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律。

5）矿井瞬变电磁法对高阻层的穿透能力强，对低阻层有较高的分辨能力。在高阻地区由于高阻屏蔽作用，如果用直流电法勘探要达到较大的探测深度，须有较大的极距，故其体积效应就大，而在高阻地区用较小的回线可达到较大的探测深度，故在同样的条件下TEM较直流电法的体积效应小得多。

3 探测布置

3.1 8115回风顺槽探测布置

本次探测分水平0°、水平向上30°、水平向下30°和垂直四个方向扫描，水平方向扫描左右各50°范围，每10°一个测点，共11个测点；垂直方向相似，扫描上下各50°范围，每10°一个测点，共11个测点。探测方式即测线布置示意图，如图4所示。

3.2 8113回采工作面探测布置

分别在8113工作面回风顺槽、运输顺槽布置探测点，探测点距为10 m。回风顺槽布置91个探测点，运输顺槽布置91个探测点，共布置182个探测点。每个点探测7个方向，分别为：顶板45°、顶板30°、顶板 15°、顶板 0°、底板 15°、底板 30°、底板45°。探测长度约1 800 m。角度示意图，如图5所示。