瞬变电磁和直流电法超前物探的对比研究

刘务全

（大同煤矿集团有限责任公司云岗矿地测科， 山西 大同 037017）

近10年来，在带压开采煤矿工程中，由于煤矿水害所造成的矿工死亡人数居高不下。此种现象不仅与安全生产理念背道而驰，而且严重制约着我国的经济发展[1，2]。如若在开采煤矿过程中，施工工作面位于老空水之下，老空水则会顺着缝隙、地质构造进入到工作地面，威胁到安全开采的生产进程。因此，在实际开采过程中，巷道掘进前需对整个巷道的地质情况进行必要的超前物探，重点包括一些有害地质构造，是否含有导水通道以及含水断层。瞬变电磁[3]和直流电法[4]超前物探是目前应用比较完善的探测技术，两种探测技术各自都存在哪些优势以及劣势，以及应用效果的研究对超前物探工作奠定了坚实的基础，如此更进一步确保了安全开采，安全生产。

1 工程概况

本文选取I 型煤矿和II 型煤矿两个带压开采煤矿为研究案例，其中I 型煤矿老空水的标高水层水位于+839 m；II 型煤矿老空水的标高水层水位于+878～+882 m。

通过综合分析先前的地质资料以及结合两种探测方法，I 型煤矿中，瞬变电磁超前物探总次数为78，异常所在67 处，所检测到的异常与实际存在的水质情况占比为65.6%；直流探测法总探测次数为72，异常所在106 处，所检测到的异常与实际存在的水质情况占比为41.5%。II 型煤矿中，瞬变电磁超前物探总次数为23，异常所在19 处，所检测到的异常与实际存在的水质情况占比为42.1%；直流探测法总探测次数为36，异常所在70 处，所检测到的异常与实际存在的水质情况占比为41.4%。

2 探测方法简介

2.1 瞬变电磁探测技术

瞬变电磁探测主要基于岩石具有不同的导电性，通过向探测的目的地发送脉冲电流，被探测目的物如此被激发产生感生二次电流。根据在脉冲间隙所测量得到的二次场随着响应时间的变化，如此来获得被探测目标的电性变化。

具体表述如下：在断开电流之前，在回线周围的空间发射电流建立其稳定存在的磁场。当突然断开电流时，原本由该电流所激发的磁场也随即消失。这一磁场的所发生的剧烈变化，反而激发出感应的二次场。二次场的衰减规律与地质岩石的导电性紧密相关，当岩石导电性愈好时，二次场的衰减速度愈慢；反之，当岩石的导电性愈差时，二次场的衰减速度愈快。岩石地质异常则反映于岩石本身的导电性，如此可通过二次场的衰减规律间接的表征岩石的地质构造异常与否。

2.2 直流电法探测技术

在煤矿中进行直流电法探测，实则属于全空间范围内的电性勘测技术。它主要基于岩石具有不同的电性，在全空间的范围下，根据电场理论基础与矿井的地质问题挂钩。它主要是通过研究在掘进工作时所发生的地层变化规律，涉及预测出含水及整个导水构造的发展情况，属于电法勘测的技术范畴。

直流电法探测技术中，所包括的三极超前探点，其主要的电源分布以及电力线分布如下页图1 所示。在本图中所示，发射电极位置定义为A 和B，测量电极定义为M 和N。B 发射电极与A 发射电极之间的距离为300～500 m，由于B 电极设置为无穷远极，B 发射电极对巷道的电场分布范围可以忽略，因此，电场分布可归结于A 点电源的大致电场分布。

图1 三极超前探点电源电位及电力线的分布

进一步布置三个供电电极A1、A2 和A3，M 和N 这两个测量电极所测试得到的信号与Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ圈定的体积有关联，若在掘进的工作面存在异常的地质体，M 和N 之间即存在电位差，如此便可确定出是否为异常体。最后，根据三极之间的交汇原理，进一步可确定出异常体的具体位置，具体图示如图2。

图2 三极超前交汇

3 探测效果分析

该节主要以同煤某I 型煤矿和同煤某II 型煤矿为两个应用实例，分别以瞬变电磁和直流电法超前物探异常地质构造，结合实际的探测结果，对这两种方法进行分析对比，归纳研究出该方法的各自的优缺点以及最终的实用价值。

3.1 I 型煤矿的应用案例分析

3.1.1 探测效果

在I 型煤矿案例分析利用瞬变电磁物探主要存在2 处异常，分别是定义为[1]号和[2]号，其中[1]号在20～100m的工作面前方范围内，其中底板的方向在于前方的40m处；[2]号在沿着顺层的方向位置，前方于60～80m处以及沿着顶板方向，前方于70～90m处。利用直流电法进行物探工作面前方主要发现3 处异常地质构造，分别命名为1号，2号以及3号，其对应的工作面前方分别是34～37 m，65～70 m以及90～93 m。

经过两种方法的探测总结得出，瞬变电磁物探出的[1]号和直流方法物探出的1号为接近的同一个异常位置；[2]号和2号位置接近也可视为同一个异常位置。

3.1.2 探测方法对比及效果分析

根据理论方法的探测效果，针对I 型煤矿的现场勘测结果表明，发现1号异常位置确实出现渗水、淋水现象；2号异常位置顶板处滴水；3号位置却无实际的异常。

具体效果分析如下：

1）根据瞬变电磁具体探测出1号和2号异常位置，该结果表明此种方法具有较好的方向性，可对顺层、顶板以及底板都有较好的探测，有着较好的横向分辨率，主攻横向异常地质构造。

2）根据直流电法物探技术，也可探测出1号和2号常位置，表明该方法有着较好的纵向分辨率，主攻纵向异常地质构造。

3.2 II 型煤矿的应用案例分析

3.2.1 探测效果

在II 型煤矿案例分析中，利用瞬变电磁沿着顺层、底板以及顶板方向物探主要存在2 处异常，而顶板方向无明显异常。其中，[1]号位于顺层方向的工作面前方的0～50m之后；[2]号位于底板方向的工作面前方的0～40m之后。利用直流电探测方法，主要物探出3 处异常位置，其所属的工作面前方分别为32～34 m、0～60m以及80～83 m。

综合两种方法物探结果分析判断，对于瞬变电磁所物探的[1]号和[2]号位置，再结合直流电法探测分析，纠正为两个均为沿底板方向的异常位置，且瞬变电磁所判断的[1]号、[2]号位置和直流带你探测法判断的2号为同一异常地质构造。直流电测法物探的1号和3号位置则为水文和地质的相应异常位置。

3.2.2 探测方法对比及效果分析

针对II 型煤矿的现场勘测结果表明，1号异常位置在其煤壁位置存在淋水现象；2号异常位置存在打钻出水现象；3号位置则处于断层位置间的含水的裂隙带位置。

具体的方法对比及效果分析如下：

1）瞬变电磁法在横向位置上，检测出2 处异常位置，充分显示出该方法的横向效率以及方向性。

2）直流电测法在本案例中探测结果较为精准，1号、2号以及3号异常位置分析准确，表明该方法较好的纵向分析效率。

4 结论

针对瞬变超磁和直流电探测方法的探测原理展开了详细地阐述，并以同煤某I 型煤矿和同煤某II型煤矿作为实际的研究案例对其井下水质灾害位置进行了预测以及实际异常位置的验证。研究结果表明：瞬变超磁物探方法具有较好的方向性以及横向探测效率；直流电探测法则具有较好纵向探测效率。通过将这两种方法进行综合对比分析，可以更准确地分析出井下水质异常构造位置，两种方法优势互补，可同时作为探测研究方法。同时，两种方法简单易操作，为后续水体灾害的预测和及时防治提供了重要的实际应用价值。