矿井瞬变电磁在老巷探测中的应用*

张龙科，罗荣荣

(1.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021；2.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710005)

0 引言

石墨是一种良好的导电导热材料，并且化学性质及在高温条件下稳定，是一种非常重要的非金属矿物资源。在南方地区，由于地理位置的限制，机械化程度极低，原先的开采工作以人工为主，采掘面极不规范。由于以前采掘技术的落后和采掘布置的不规范，造成了石墨资源的极大浪费和遗漏。为了响应国家号召整合资源，需要重新开采该稀有资源。大多数矿井在原有的基础上，重新实施科学规划采掘工作，由浅至深对残余的石墨资源二次挖掘。以往的挖掘工作基本没有图纸，没有科学的规划，造成了矿井中的巷道纵横交错，它们的空间位置关系极为复杂，因此井下超前物探非常有必要。目前井下的超前物探方法较多，主流的直流电法超前探以及瞬变电磁法超前探等等。直流电法超前探主要应用于地层倾角不大，导水性较好的构造，施工条件较复杂。根据目前掌握的地质概况，本次勘探地点的水平面较高，地层内以往开掘的老巷道水体已经流入低水平，大多数不含水，而且围岩比较坚硬，不利于直流电法电极的导电性，因此本次勘探中选用了施工方法简便，效率较高的矿井瞬变电磁勘探。利用矿井瞬变电磁勘探的高效、简便为矿井后期的采掘工作提供有力的安全保障。

1 矿井瞬变电磁原理与特点

在各向同性大地表面敷设一个面积为S的矩形发射线框，在线框中供以阶跃脉冲电流I(t)，在电流未关闭时t<0，发射电流会在线框周围形成一个稳定的磁场，该磁场会激发周围的围岩产生电磁感应，感应的深度和体积与该发射电流的频率和大小有关。在t=0时刻突然将电流断开，该线框电流在围岩周围产生的电磁场会立即消失，这一剧烈变化会使得周围的围岩激发出感应电流从而维持自身之前存在的磁场，使得空间的磁场不会立即消失。由于围岩的欧姆损耗，这一感应电流会迅速的衰减，由此产生的磁场也随之衰减，衰减的磁场重新感应出新的强度更弱的涡流。这一过程重复下去，直到围岩的欧姆损耗将新的磁场能量消耗殆尽。这一复杂的变化便是电磁感应的过程，由于此过程变化时间短称之为瞬变电磁感应。在t=0时刻电流突然断开，由于地表的位置离发射回线最近，所以最初激发的感应电流主要来自地表，在地表各处感应电流的分布不是均匀的，但是随着时间的推移，感应电流会逐渐向下向外扩散，逐渐减弱，趋于均匀。任一时刻地下感应电流可以等效为一个水平的环状电流的磁场，效果看起来像从发射回线“吹”出来的一层层“烟圈”，因此，人们将地下涡流旋电流向下、向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”。基于“烟圈效应”的观点，早期的瞬变电磁场是由地表的感应电流产生的磁场，主要反映的是地层浅部的地电特征；晚期的瞬变电磁场是由地层中深部的感应电流产生的磁场，主要反映的是地层中深部的地电特征。因此，观测大地瞬变电磁场变化，得出了大地电位的垂向变化，这就是瞬变电磁原理。将该理论运用于地下矿井，于是就形成了矿井瞬变电磁理论。由于矿井瞬变电磁勘探在井下进行，采用非接触式、小回线、多匝数的装置进行井下勘探，与地面勘探相比具有工作装备轻便、工作效率快、采集速度快、作业成本低等优点。目前矿井瞬变电磁的工作装置主要有重叠回线和偶极-偶极装置，重叠回线地质响应强施工方便，一次场影响较大；偶极-偶极收发线圈互感影响小，消除了一次场影响，但二次场比较弱，分辨率较差，因此采用重叠回线比较可靠。采用的重叠回线装置线框大小一般在1～3 m之间，体积效应小，勘探的分辨率高一点。

2 仪器方法

本次井下瞬变电磁法探测仪器为国产YCS512矿用本安型瞬变电磁仪。该仪器依据时间域全空间瞬变电磁场的基本原理，通过发射线圈向地质体发射瞬变一次场，通过接收线圈测量迅速衰减的电场在其周围的介质中感应出新的涡流场(二次场)随时间的变化特征，分析感应场所覆盖的地质体按电性特征的空间分布规律，并进行信号处理、干扰校正、算法反演、时深转换及成图处理，进而得到地质异常体的分布、规模、形态等信息。

2.1 YCS512矿用本安型仪器主要特点

探测盲区小：系统关断时间和背景场分离技术，配合高密度时窗序列，可大大提高浅层地质分辨能力，减少勘探盲区。

现场解析：提供现场解析功能，用户可以在测试现场快速得到较为精细的等值线成图结果。

专利线圈：可在同一线圈上设置不同发射线圈匝数和调整发射倾角，提高测试的灵敏度。

抗扰力强：实现现场干扰抑制，大幅度提高数据采集的质量和有效时长，在同场条件下提高有效的地质测深能力。

专用平台：采用自主设计的双核处理平台，提供多核、高效的数字信号处理能力，并可远程固件升级。

测道可调：仪器有20-512测道任意选设，可提高测点分辨率，减少体积效应。

操作简单：系统提供一键采样和一键恢复功能，以及在线帮助系统，大大方便用户的操作使用。

2.2 勘探参数

装置类型为重叠回线；线框大小为1 m×1 m(其中发射20匝接收40匝)，发射电流3.0 A；频率为6.25 Hz；叠加次数32次。矿井瞬变电磁进行超前勘探施工前，要尽可能保证巷道的迎头断面整齐，巷道空间距离大于装置的回线长度，距离巷道迎头5 m外的机械设备等金属体要撤离以免影响施工效果。采用本次勘探施工条件，正常情况下井下一个迎头的工作时间为30 min，2 d内能够提供初步的物探成果，既不影响巷道的正常施工还可以迅速指导井下施工。

3 应用实例

该矿区以开采石墨为主，地层分布情况为奥陶统峰峰组、上石炭统太原组、下二叠统山西组及下石盒子组、上二叠统上石盒子组及孙家沟组和第四系。根据钻井资料该区内的物性较为稳定的特点。本次勘探位于某矿区+360水平岩石巷道，水平面位置较高，推测该区域的石墨层老巷道一般为低阻反映，岩石巷的老巷道一般为较高阻反映，以此为依据，进行了瞬变电磁超前勘探。对巷道水平方向进行了物探，物探成果如图1(a)所示，由图得知探测区域内地质情况稳定，未发现明显低阻区域，但在高阻成分中发现了异常1和2，并且该异常成横向条带状分布，通过对该异常的全面分析，认为这2个高阻异常为同一个地质构造，结合周边地质资料，推测该异常岩石巷道的废弃老巷，含水性较小。矿方拿到物探资料，及时组织钻探验证，水平方法钻进5 m后发现该异常，钻孔未见水。后期的掘进过程发现了该老巷，该老巷为一条自左向右的下山，下山有细小流水无积水，如图1(b)所示。通过此次超前勘探，验证了瞬变电磁勘探在老巷探测应用中的可行、有效。

图1 物探成果与实际地质模型对比

4 结语

勘探深度大约60 m，采集设备轻巧，仪器操作简单，工作效率高，物探成果与地质情况较吻合，满足了矿方生产实际需要。瞬变电磁超前勘探在老巷中的应用，其结果可行有效。为矿方在该水平的后期掘进提供可靠保障。运用该探测方法不仅可以帮助矿方解决水害问题，还可以找到老旧巷道，减少矿方掘进新巷道的费用，起到事半功倍的效果。