瞬变电磁法在金属矿山突水探测中的应用

2021-07-22陈旭日张海东

中国金属通报 2021年23期

陈旭日，张海东，夏丽

（江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏南京 210007）

金属矿山突水探测中存在很多地质灾害，如矿坑突水、地表塌陷、高地应力等。其中突水是最常见的地质灾害，突水具有很强的不确定性和突发性，造成的危害也比较大，需要采取一系列行之有效的超前探查和预报方法，才能提升金属矿山突水探测效果，降低突水灾害发生的概率。瞬变电磁法是一种比较新颖的金属矿山探测技术，具有成本低、效率高等特点，而且不会受到地形地貌、水文地质条的影响，探测到的信息数据丰富。其能够快速得到金属矿山采掘工作面顶底板赋水异常情况，从而为制定科学的突水防范措施和方案提供真实有效的数据支持。基于此，开展瞬变电磁法在金属矿山突水探测中的应用分析研究就显得尤为必要。

1 瞬变电磁法的工作原理

瞬变电磁法是目前金属矿山探测中比较常用的方法，其主要机理是先向金属矿山掘进工作面前方发射脉冲磁场，然后再断开发射回线中的电流，最后观测二次涡流场随时间的变化情况，通过对观测到的数据进行分析，就可以得到前方介质的电性、规模、产状等，从而实现目标异常体的全面探测。从瞬变电磁法的工作原理上来看，电磁场在岩层中以“烟圈”的方式逐步传导，在传导过程中，发射出的电磁能力会在介质中的传导逐步消耗。此外，也存在“趋肤效应”，其能量中的高频成分，主要集中分布在巷道迎头岩层表面上，分布比较均匀。而那些低频能量会逐步向内传播，一直到金属矿山的深处，具体的传播方式如图1所示。

图1 瞬变电磁法传播方式示意图

在金属矿山开采中，若开采的前方岩体中存在导水构造，或者是导水破碎带，会导致含水构造和围岩电性特征发生明显变化。此种导电性差异，可为瞬变电磁法的应用提供良好的环境。这也是瞬变电磁法在金属矿山突水探测中广泛应用的主要原因。瞬变电磁法最主要的优点在于它的高效性，它能在短时间内完成测量工作，并且充分保证测量结果的准确性，这在很大程度上提高了勘测工作的效率。除此之外，它的测量范围也非常广，由于瞬变电磁法对工作人员对要求不高，因此可以在不同的环境下进行工作，无论多复杂的地形都能得到有效的测量结果。

2 影响瞬变电磁法探测精度的主要因素

通过分析瞬变电磁法的原理和特点，可知在金属矿山突水探测中应用瞬变电磁法时，影响探测准确性的主要因素是信噪比，信噪比越高，则探测的准确性越低，反之则越高。在金属矿山突水探测中，探针工作面上存在积水、金属设备设施、电磁等都是影响信噪比的主要因素。探测面的积水多为施工废水、顶板淋水。如果探测面上存在大量积水，则会导致瞬变电磁法探测突水的数据成果图上出现低阻异常区域，从而影响最终探测结果的准确性。此外，在金属矿山开采中，为保护围岩结构的稳定性，在开采现场布设了大量的金属网、锚杆、锚索、单体支柱、掘进机、装岩机等金属设备设施。其中锚杆、锚索的体积比较小，对瞬变电磁法探测精度的影响比较小，但掘进机、装药机的体积比较大，对瞬变电磁法探测结果造成的影响就比较大。在具体探测中需要向碛头后方移动15m以上。掘进工作面为综掘机、胶带输送机、装载机等供电的动力电缆产生的电磁干扰对探测结果影响大，探测时需要对除监控电缆以外的电缆进行断电处理。

3 瞬变电磁法在金属矿山突水探测中应用的关键技术

金属矿山突水探测的主要目的是为防止和控制突水地质灾害提供真实的数据支持，瞬变电磁法在进行超前探测含导水构造方面具有显著的优势。经过多年的发展和完善，目前瞬变电磁法已经形成了比较完善的探测体系和技术方法，成为金属矿山突水探测中的主流技术。在应用瞬变电磁法时，其工作方法、工程设计、参数选择、解释方法等，都会影响最终的探测结果。基于此，有必要对瞬变电磁法在金属矿山突水探测中应用的关键技术问题进行分析。

3.1 工程概述

某金属矿山为铜镍矿山，金属矿产开采掘进面位于细花岩石层底板15m左右的二叠系下统茅口组灰岩层中，顶部为比较坚硬的石灰岩，稳定性比较好。采矿巷道断面规格为4m×4m，临时支护结构为单体支柱支护，并用湿喷混凝土的方法，形成永久性支护，全面断面一次性转包施工，并用耙斗式装岩机进行装岩，通过U型矿车，将岩石块运输到巷道之外。茅口组灰岩为典型的富水性比较强岩溶含水层，岩溶发育，地下水以管道径流为主。按照过往的经验和地质资料分析，在金属矿山开采中存在突水风险，为控制突水对矿山开采造成的影响，保证开采人员和设备安全性，采用瞬变电磁法对突水情况进行探测，探测数据作为突水围岩超前预测分析依据，以消除矿石开采中存在的突水安全隐患。

3.2 技术问题

在金属矿山突水探测中应用瞬变电磁法时，虽然拥有很多优势，但也存在一定的技术问题，主要体现在以下几个方面：

其一是工作方法和装置的选择问题。在金属矿山突水探测中瞬变电磁装置为近区瞬变电磁测探工作装置，由电偶源、磁偶源、线源以及中心回线等结构共同组成。在金属矿山突水探测，可能发生突水地质灾害的含水层多呈现层状分布，因此，就具有最佳耦合的效果，受到旁侧、层位倾斜的影响比较小，测得的层参数也比较准确。

其二是发射回线边长的选择问题。在金属矿山突水探测中应用瞬变电磁法时，矿体异常幅度大小和矿体自身结构的大小、形状以及导电性密切相关。通常情况下，在特定的回线边长范围中，矿体异常幅度值和回线边长呈现正相关，但会达到一个饱和值。但随着回线边长的增大，矿体异常幅度值会受到旁侧地质体的干扰，会线边长越大，则造成的干扰就越明显。所以，在金属矿山突水探测中应用瞬变电磁法时，要求最佳回线变成应为0.8Vmax的回线边长值。大量实例和研究结果表明，当L/h=0.9～1.5时，取得的响应值普遍都大于0.8Vmax。这些数据中Vmax表示瞬变电磁法探测金属矿山突水时响应信号的最大值，L表示回线的边长，h则表示目的层或者是金属矿山的最大深度，因此，在应用瞬变电磁法时，需要保证L不超过h，才能获得准确的勘探数值。

其三是测网的选择问题。在选择测网时，需要确定金属矿山突水探测是普通探查，还是详细探查。如果是普通探测，则测网大小应为线距和点距的乘积，也就是L×L/2～L/4。如果详细探查，则测网的大小应为L/2～L/4×L/4～L/10，L即为线距[1]。但通常情况下，为最大限度上保证金属矿山突水探测的进度和准确性，提升金属矿山开采的安全性，探测区域水文地质构造比较小。瞬变电磁法中无论选择详细探查或者局部精细探查的方法，都能满足要求。所以，测网相对比现有的规程要求更加密集，这在探测时需要严格控制。

3.3 勘探具体突水情况的关键技术

关键技术一：选择合适的工作装置。尽量选择定源中心回线装置，在金属矿山突水探测中采用定源中心回线装置，可在发射框内中部约三分之一的区域进行探测。如果是高精度勘探还需要计算每一个测点的场强，以降低金属矿山突水探测误差，保证探测效果符合设计要求。

关键技术二：合理选择测区测网。瞬变电磁法在金属矿山突水探测中应用时，可实现有目标的高精度探测。为准确获知每个突水点和突水通道的具体位置，就必须保证测网中至少能有3个～5个测点能够落到已知地质异常体的范围中。而在剖面上要尽量保证点距和观测精度要求能够能够清楚、完整地反映出每个异常的细节。瞬变电磁法测区范围要尽量大于已知地质异常体范围的一倍以上。所以，测网可按照具体情况进行有针对性的加密处理，而对那些比较小的构造，可选择10m×10m的测网。

关键技术三：合理选择时间窗口和数据采集方式。在使用瞬变电磁探测金属矿山突水时，为精确判定突水点的位置，为制定突水方案提供必要的参考和指导。需要保证目标地层和地质异常体的深度范围尽量落在时间窗口的中间位置，而且采集数据要尽量选择近20道数据[2]。尽量选择高密度数据采集方式，以便为精细解释提供真实有效的数据支持。

3.4 野外采集数据的评价方法选择

在金属矿山突水防治中，需要准确获知突水通道的具体位置和实际情况，现有的技术规程已经难以满足实际探测需求，无论是数据质量检查，还是评价方法都需要进一步提升。具体做法为：在瞬变电磁法探测的衰减曲线上对数据要求，在无位差时其均方根的相对误差不能超过4%，有位差时相对误差不能超过5%，以保证野外采集数据的真实性、可靠性。

3.5 反演解释

早期对瞬变电磁法探测数据解释时，多采用sρ实测曲线进行定性分析，或者是在sρ拟断面图上进行定性分析。但无论哪种方法现如今都已经无法满足金属矿山突水防止，保证生产安全的需求。而对于具体的突水点位、突水通道的高精度勘探，需要采取更高精度的反演解释法，比如：一维反演和高精度水文信息解释技术，都能对瞬变电磁法探测数据进行高精度反演解释[3]。目前一维反演技术已经相对先进和成熟，出现了多种多样的一维反演技术，如：非线性最小二乘法、限制非线性回归法、一维“烟圈”快速反演等。这些反演技术可有效满足金属矿山突水探测的要求。随着科学技术的飞速发展，呈现了很多更加先进的反演解释方法，实现二维、三维反演，反演解释的精度越来越高。

3.6 数据采集和分析

在本次金属矿山突水探测中采取了瞬变电磁法，在探测中铜镍矿迎头开挖方向前方约100m的位置存在富水异常体，为准确获得富水异常体的地质构造和空间位置，保证各项数据的准确性，建立了立体化的观测系统。瞬变电磁法探测方向分为三个方向联合探测，一个方向是迎头斜上45°，一个方向为迎面顺层45°，另一个方向为迎头斜下45°。案例金属矿山地质勘查结果显示，此复式层隐伏地质构造超顶，地板摆动形态和联通、尖灭情况。具体的瞬变电磁法布设示意图如图2所示：

图2 瞬变电磁法测点布设情况图

在距离当日停头里程约5m的位置，左帮和右帮开始对称布设瞬变电磁法测点，每个测点之间的距离可控制在1.0m左右，共布设12个测点。迎头前方向则布设13个测点，为保证瞬变电磁法探测突水的准确性，间距要适当缩小，控制在0.5m左右。在侧帮和迎头上总共布设了25个测点，每个测点分三个方向布设，总测点数为75个，基本满足了本金属矿山突水检测的要求。在进行探测数据采集中采用YCS40（A）型瞬变电磁设备，具体的采集参数为：发射电压7.0V，发射频率为8.3Hz，叠加次数为128次，抑制系数为3，测道数为40个，记录时间为0.008ms～864ms，发射边长为2.0m，发射匝数为9匝，电阻为不超过10Ω，接收边长为2.0m，接收匝数为18匝。

案例矿山突水探测数据处理中，采取了YCS40（A）瞬变电磁处理专用软件，经过处理之后，可准确得到迎头前方瞬变电磁视电阻率的拟断面结构图，具体情况如图3所示。

图3 迎头前方瞬变电磁视电阻率的拟断面结构图

图3中按照从左到右的顺序，依次为迎头斜上45°，迎头顺层45°，仰头斜下45°的瞬变电磁视电阻率的拟断面结构图，从中可以清楚看出，迎头前方约100m范围内存在电性突变的情况。图3中沿着巷道迎头开挖的方向为纵坐标的正方向，瞬变电磁法探测的距离在20mm～120m之间，横坐标并不是巷道的宽度，仅是数据采样点的宽度。此外图3中不同的颜色表示了前方岩体视电阻率的大小，其中最低的冷色其视电阻率的阻值为60Ω·m，最高是暖色视电阻率为220Ω·m，按照视电阻率的分布规律可知，探测方向前方的视电阻率跳跃很大，主要呈现出高（140Ω·m～380Ω·m）、低（60Ω·m～100Ω·m）、高（140Ω·m～380Ω·m）的变化状态。如果岩体沿着开挖方向是均匀布设的，则其视电阻率的数值应该在140Ω·m～380Ω·m之间，但60Ω·m～100Ω·m这个数值表明岩体的岩性发生了变化，或者是存在突水的可能，为验证到底是那种变化。综合采用了震波超前探测方法，发现也存在相同的波速变化问题，再通过钻孔验证，发现此位置为破碎带，而且是富水层，存在发生突水水害的概率。

4 应用实例和应用效果

该金属矿山，开采掘进距离地面为630m，地板距离太灰含水最近不足25m，太灰岩层局部呈现出强赋水，水压达到4.1MPa，操作不当容易发生突水问题。为保证掘进的安全，采用瞬变电磁法对金属矿山突水情况进行全面探测，取得良好效果，精确定位了各突水点的具体位置，为突水防治提供了有效的数据支持。

按照案例金属矿山掘进的实际空间条件，选择的瞬变电磁法探测装置为2m×2m的多匝重叠回线装置。发射线框和接收线框相互独立，以便实现金属矿山层顶和底板含水异常体之间能够形成最佳的耦合响应。通过分析案例矿山的水文地质资料，发现该金属矿山深部采场底板可能发育突水构造垂直距离，按照瞬变电磁探测的“烟圈”探测方法，再结合井下巷道的实际情况，选择的探测装置可布设在掘进巷道靠近工作面的一侧[4]。以保证在金属矿山突水探测中，底板可能发育的突水构造在一次辐射的锥体范围中。按照瞬变电磁法的工作原理可知，突水构造将会形成比不赋水岩层更强的感应涡流场，完成一次场关闭之后，接受回线会形成感应比较强度的二次场。如果在具体探测中，突水构造没有布置在一次场辐射的椎体范围中，也就不会形成比较强的感应涡流场。因此，在应用瞬变电磁法进行金属矿山突水探测中必须沿着具体突水构造情况，合理布设的瞬变电磁的探察方向。该金属矿山工作面底板矿井瞬变电磁法探测视电阻率断面情况如图4所示。

图4 金属矿山工作面底板矿井瞬变电磁法探测视电阻率断面情况

图4中等值线上的数值就是视电阻率（Ω·m），通过分析金属矿山工作面底板矿井瞬变电磁法探测视电阻率断面情况可知，横坐标在220m～240m之间的位置，视电阻率等值线数值在4Ω·m左右，属于典型的低阻异常带，可推断出该工作面底板对应位置存在导水构造发育情况[5]。而在横坐标为170m的位置，布设了钻孔，钻孔进入异常区时最大出水量为66m³/h，钻孔完成之后及时进行清孔和注浆，同时此地段工作面底板进行改造，工作面回采通过该地段之后，在底板上没有出现较大的突水清孔，使突水地质灾害得到了有效抑制。