YCS40型瞬变电磁仪在井下超前探测中的应用

王社荣，同新立

(韩城矿业有限公司 地质测量部，陕西 韩城 715400)

0 引言

矿用本安型瞬变电磁仪超前探测水害在我国煤矿超前探水方面得到了比较广泛的应用，取得了较好的地质效果，具有操作比较简单、用人少和时间短，利用检修时间探测不会造成停产的优势，而该方法的最大特点是能够掌握水灾体的基本方向和大体距离[1-3]。韩城矿业公司购置了重庆煤炭科学院YCS40矿用本安型瞬变电磁仪并进行了探测条件的试验研究。在熟练掌握操作工艺，摸索出符合韩城矿区适应条件及其探测的参数后，在3个生产矿井各煤层与岩层巷道，尤其是11号煤层受承压水威胁的掘进巷道进行超前探测与直流电法的对比，以期取得相关的地质成果，为矿区水害超前治理的针对性措施制定提供依据。

1 YCS40矿用本安型瞬变电磁仪

1.1 瞬变电磁仪原理

瞬变电磁法是一种人工源的电磁法，工作时首先给发射线框供一直流电流，然后突然切断电流，线框内电流将发生一个突变[4-8]。这种瞬态变化的电流将在空间产生一个瞬态的磁场，地下形成涡流；涡流随时间的推移不断地向地下扩散，扩散的速度与地下岩层的电阻率有关，延续时间扩散到不同深度；通过记录地下涡流变化(即磁场变化率)的情况来达到了解地下地层视电阻率的目的。地下低视电阻率异常的地方一般为赋水区域，根据获得的岩层介质视电阻率结合矿井地质资料综合分析来圈定赋水异常区。

1.2 技术参数

本安型瞬变电磁仪主机部分：可选发射频率有225 Hz、75 Hz、25 Hz、8.3 Hz、2.5 Hz，发射电流≤2 A，发射电压≤8.5 V，叠加次数32～2 048次。采样率16 us，采样道数40道；存储容量2 048测点，显示240×128黑白点阵液晶显示屏；传输接口为USB，防护等级1P54，整机毛重小于7.0 kg。

置可充电镍氢电池发射部分：额定电压8.5 V，电池容量4 Ah，工作时间3 h，重量小于1 kg。

天线：发射天线、接收天线正方形多匝重叠，回线边长1.5 m，重量小于4.0 kg。

探测工作条件：允许在有瓦斯、煤尘的矿井中使用，工作温度0～40 ℃，相对湿度40%～95%(25 ℃)，大气压力80～106 kPa。

1.3 本安型瞬变电磁仪特点

探测范围：瞬变电磁仪是针对不同地质介质体的电性差异来解决超前探测手段，用于巷道目标前方顶底板及两帮的探测，查清采掘面周围赋水情况。

探测方向：瞬变电磁仪成为掘进超前探测含水地质体的一种新工具，间接圈定地下可能的异常富水区域，探测时间快，不影响生产；探测方向性明确，不易漏掉异常。瞬变电磁法属电磁感应类，具有较好的探测方向性，但抗干扰性较差。

2 探测和软件解析方法

2.1 井下探测方法

点位置探测时，瞬变电磁仪发射(接收)线框布置、探测方向与井下巷道关系，如图1所示。长距离线型探测时，定距离间隔按探测方位实施点位置探测。

图1 点位置扇形探测操作示意

2.2 软件解析方法

本瞬变电磁仪软件解析采用Sufer 8.0绘图软件，该软件是一款自动化功能强大的科学类绘图软件，是地质工作者必备的专业成图工具。Sufer 8.0可以轻松制作基面图、数据点位图、分类数据图、等值线图、线框图、地形地貌图、趋势图、矢量图以及三维表面图等；提供11种数据网格化方法，包含几乎所有流行的数据统计计算方法；提供各种流行图形图像文件格式的输入输出接口以及各大GIS软件文件格式的输入输出接口，大大方便了文件和数据的交流与交换[9-10]。由Sunfer 8.0解析提供的瞬变电磁探测成果图，真实、清晰、质量高。

3 井下水害超前探测应用

YCS40矿用本安型瞬变电磁仪在韩城矿业公司井下使用以来，设定探测参数为发射频率25 Hz、发射电流≤2 A、发射电压≤8.5 V、叠加次数128次、发射天线边长1.5 m(匝数10圈)、接收天线边长1.5 m(匝数20圈)、抑制系数3。

3.1 象山煤矿井北采区11号煤北总回探测

北掘进面：在该巷北掘进面实施水平、斜下45°底板、垂向3个方向超前瞬变探测，其视电阻率等值线图，如图2所示。从探测成果图上看，随着探测距离的增大视电阻率值逐渐衰减，即探测范围内无明显异常。随后的掘进也验证了探测预报有效。

图2 北掘进面视电阻率等值线

12号测点前11.3 m处：在该巷12号测点前11.3 m处，实施水平、垂向两个方向超前瞬变探测，其视电阻率等值线图，如图3所示。可见，巷道影响范围水平方向前方62～100 m、垂直方向斜上前方25～80 m，存在低阻异常区，推测该区域可能为弱赋水区；推断由前方地质构造、顶板赋水及巷道后方钻机、积水造成。钻探、掘进证实，前方50 m遇构造、煤层顶板向下扎6°～10°、顶板破碎滴淋水严重；其低阻异常区由构造、顶板破碎裂隙赋水引起。

图3 12号测点前11.3 m处视电阻率等值线

13号测点前方85 m处：在该巷13号测点前方85 m处，实施水平、垂向两个方向超前瞬变探测，其视电阻率等值线，如图4所示。可见，掘进面垂直方向前方70～100 m，上方10 m以下及底板下，存在一个相对较低的低阻异常区，如图4(b)所示，推测该区域11#煤层顶板上部10 m以下存在裂隙水。巷道掘进影响范围其它方向探测前方物性显示为相对高阻区。钻探、掘进证实预报异常区域地层正常、无构造揭露，引起低阻异常为其它原因造成。

图4 13号测点前方85 m处视电阻率等值线

3.2 象山煤矿井北采区11号煤南总回探测

G号测点前方22.4 m处：在该巷G号测点前方22.4 m处，实施水平、垂向两个方向超前瞬变探测，其视电阻率等值线，如图5所示。探测显示，掘进前方60～80 m、顶板上方20 m以下，存在一个相对较低的低阻异常区，推测该区域11号煤层顶板破碎，存在裂隙水。掘进证明该处顶板破碎有滴水现象。

图5 G号测点前方22.4 m处视电阻率等值线

F号测点前11 m处：在该巷F号测点前11 m处，实施水平、垂向两个方向超前瞬变探测，其视电阻率等值线图，如图6所示。从探测结果分析，垂直前方60～85 m、顶板上10 m以上，存在一个低阻异常区；推测该处11号煤层顶板上部可能存在裂隙水。掘进证实该段顶板较破碎。

图6 F号测点前11 m处视电阻率等值线

3.3 下峪口煤矿1110采面1号回巷道探测

G2测点前方40 m处：11号煤层在G2测点前方40 m处实施水平、垂向、偏右帮45°垂向3个方向超前瞬变探测，其视电阻率等值线如图7所示。从3条测线分析，巷道掘进影响范围前方煤岩物性显示均为相对高阻区，自近向远随着距离增大视电阻率值渐变衰减，即探测位置无明显异常。该煤巷掘进过程中情况正常。

图7 G2测点前方40 m处视电阻率等值线

G3号测点前方92 m处：在G3号测点前方92 m处，实施水平、垂向、偏左帮45°垂向向下的3个方向超前瞬变探测，其视电阻率等值线如图8所示。由第1测线图8(a)可见，1110备产面1号回掘进头水平方向，巷道右帮10～28 m、前方0～20 m范围内物性显示为相对低视电阻率值，其余范围及二、三测线图中均为相对高阻区。在掘进煤巷过程中，未见明显异常现象，图8(a)显示低视电阻率值区应为巷道后方综掘进机影响所致。

图8 G3号测点前方92 m处视电阻率等值线

3.4 干扰因素及主要技术措施

做好现场探测环境因素写实：一般巷道均有高压电缆线、安全监控系统传感器电源线、溜煤槽、掘进机、钻机、水管、流水沟，掌子头积水等金属或导电体，对瞬变探测的激发电磁场具有吸收和引导作用，从而影响到探测数据成果的准确性，探查时须标注各不良因素的位置关系或采取规避办法。

减少干扰因素：①工作面停止作业，切断设备电源，移走监控传感器电源线；②掘进机等大型金属物应移至探测范围15 m以外；③布置发射、接收线框时远离溜煤槽、局扇等金属物，尤其是电缆、金属管路不能横穿线框。

4 结论

(1)YCS40矿用本安型瞬变电磁仪作为井下水害探测工具之一，对矿区11号煤层承压开采巷道掘进头、侧帮实施了40个回次探测。其中31回次预报无异常，10个回次圈定9处低值异常区，经钻探、掘巷验证预报的异常区是有效的，准确性达75%以上，提供的水文地质资料真实可靠，效果比较明显。

(2)利用瞬变电磁仪，可探测巷道掘进前方、顶底板、侧帮一定范围内岩层介质电阻率，推判出隐蔽含水地质构造及导水裂隙带、发育位置方向和采空区积水的范围。

(3)瞬变电磁仪具有体积小、重量轻，性能强大，系统结构紧凑，适于携带，操作智能，现场作业用人少、探测速度快，适合煤矿井下水害超前探测和应用等优点。在充分结合矿井地质、水文地质资料研究基础上，能够实现井下水害区域超前探测和科学预报，为矿井防治水工作提供技术支持。