瞬变电磁法超前探测在煤矿防治水中的应用

摘要：煤矿安全生产，关乎每名煤矿职工安全健康、家庭幸福以及社会和谐稳定，做好煤矿生产中每项工作、每一道工序、每一个细节的安全是每一名煤矿工作者义不容辞的职责和使命。水害防治则是煤矿安全生产管理中重要工作之一，随着采掘作业深度的不断加大，地层中不明水体、导水裂隙以及老空水对矿井安全生产造成极大危胁，如何准确探测和检定采掘作业范围水害风险，成为矿井水害防治的重中之重。论文以瞬变电磁法超前探测法工作原理及应用实例为基点，详细阐述瞬变电磁法超前探测在矿井水害防治中取得的重要成果和意义。

关键词：瞬变电磁法;探测原理;应用实例

一、瞬变电磁法超前探测

瞬变电磁法属时间域电磁感应方法，是一种新型高科技物探技术手段。超前探测是通过对地层电性分布规律及电阻率进行超前探测和分析，判定探测范围水体存在及分布情况的一种探测方法。该法快速，高效，方便，可以准确反映出采掘作业周边范围地质体的空间特征，为矿井防治水害提供了依据，更好的满足矿井采掘超前预测，预报的要求。

二、瞬变电磁法超前探测原理及井下瞬变电磁法特点：

一）、瞬变电磁法探测原理：

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（见图2-1），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（见图2-2）。

瞬变电磁场在大地中主要以扩散形式传播，在这一过程中，电磁能量直接在导电介质由于传播而消耗，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。

二）、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只能采用边长小于3m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尽可能使测点密集。

3） 井下测量装置距离异常体更近，大大的提高测量信号的信噪比，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。

三、瞬变电磁法超前探测矿井水害防治应用实例

万利一矿始建于1994年，地处神府东胜煤田北边缘，核定生产能力1000万吨/年，井田区域地形较为复杂，整体为西北东南单斜构造，无大型地质构造发育，煤层赋存至上而下共19层，其中可采煤层12层。

为确保矿井安全、有序、可持续生产，按照煤矿安全生产规章、规程及井下防治水管理有关要求，井下采掘作业必须进行超前探测，消除化解水患风险，万利一矿自2020年引进应用瞬变电磁法超前探测，取得了良好效果，为矿井水害防治发挥了重要作用。下面就两典型实例加以介绍：

一）、瞬变电磁法探放水物探验证

1、目的任务

根据生产接续安排，万利一矿计划2021年1月开始回采42204工作面，该工作面上覆有原万利一矿一井22煤采空区，面积约16.2万㎡，区域内积水约6.6万m³。前期经钻探疏放后，为准确验证探放效果，确保工作面回采时不受水患影响和防止发生水灾事故。

2、瞬变电磁验证探测原理

YCS360A矿用瞬变电磁仪主要由主机和发射/接收线圈组成。主要是为了解决矿井中水害问题，工作原理如下所示：主机通过引线与发射/接收线圈连接，实现交互。测量时，先通过对主机进行测量参数的设定，并布置好发射/接收线圈进行工作，通过发射线圈向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用接收线圈测量地下介质引起的二次感应涡流磁场，从而达到探测介质的电阻率的目的，数据经底层处理后上传回主机。主机进行数据显示、即时存储，然后通过USB连接线将主机连接到计算机上，将探测数据导出，利用配套成图软件做出进一步处理与反演计算，从而根据成图的有关参数具体分析得出探测结果，确定钻探钻孔布置方式。

3、方案设计与实施

经过探测数据综合分析，在视电阻率图上，若地层不受富水区或含导水构造影响，煤系的电阻率等值线变化稳定、有序，呈似层状分布。图1-1为探测位置垂直向上100m深度范围内电阻率成果切片两次探测结果对比图，图中用蓝色表示相对低的电阻率值，橙红色表示相对高的电阻率值。经分层对比分析，切片中部为31上回风大巷正上方，42204工作面正上方为探测区域北部，基本无低电阻值区，南部电阻值增加亦较明显，可证明疏放水工作已达到预期目的。

4、实际生产验证

现42204工作面已于2021年4月回采完毕，期间未出现异常涌水增加，

探放水达到预期效果和目标，瞬变电磁法探放水物探验证的准确性得到充分验证，也为矿井安全回采提供有力保障。

二）、瞬变电磁法掘进作业超前探测

1、工程概况及探测任务

根据煤矿防治水相关要求，为了确保31310辅运、主运顺槽安全掘进，巷道掘进需对迎头前方水文地质条件及富水性情况进行超前探测，为防治水和探放水方案制定提供技术依据。根据巷道现有条件，拟采用矿井瞬变电磁法在31310辅运顺槽进行探测。

2、探测设计与实施

由于31310辅运、主运顺槽两巷间距为20米，采用双巷并行掘

进，现场探测工作于31310辅运顺槽掘进迎头作业面进行。探测采用YCS360A矿用多通道瞬变电磁仪，根据现场实际情况，在31310辅运顺槽F8点前15m迎头位置处布置4个观测点实施Mtem数据采集，每个观测点采集7个方向数据，分别为顶板45°方向、顶板30°方向、顶板15°方向、迎头掘进方向、底板15°方向、底板30°方向和底板45°方向，因此本次探测共采集4*7=28个数据。现场观测系统布置如图3-1，表3-1为仪器采集参数。

3、瞬变电磁探测数据分析与解释

瞬变电磁在矿井探水，探测构造中的解释原则：主要从电性上分析不同地层的电性分布规律。煤层电阻率值相对较高，砂岩次之，粘土岩类最低。由于煤系地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，其导电性特征在纵向上固定的变化规律，而在横向上相对比较均一。当断层、裂隙和陷落柱等地质构造发育时，无论其含水与否，都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律。这种变化规律的存在，表现出岩石导电性的变化。当存在构造破碎带时，如果构造不含水，则其导电性较差，局部电阻率值增高;如果构造含水，由于其导电性好，相当于存在局部低电阻率值地质体，解释为相对富水。同样如果有采空区，若采空区不积水，则其导电性较差，局部电阻率值增高;如果采空区含水，由于其导电性好，相当于存在局部低电阻率值地质体。

4、探测结论

根据本次矿井瞬变电磁法超前探测MTEM视电阻率拟断面图，综合地质和水文地质资料，可确定横向、水平深度和垂向深度电性变化情况，得出如附图1万利一矿31310辅运顺槽瞬变电磁超前探测成果图，解释具体见附图1所示。

5、图中横坐标为测点坐标（考虑到图件的直观展示，将横坐标按实际的10倍放大显示），纵坐标为沿探测方向距离，坐标系以巷道左帮与迎头交点处为坐标原点，指向巷道右帮为X轴正方向，指向巷道正前方为Y轴正方向。根据现场探测条件，本次探测共得出7个视电阻率横向剖面。根据瞬变电磁探测结果，结合相关的地质和水文资料，可确定横向、水平深度及垂向深度电性变化情况，综合分析探测前方120m范围内视电阻率值整体较高，均大于10，富水性较弱。

6、生产实际验证

现31310辅运顺槽已掘进1000余米，先后采用瞬变电磁超前探测3次，探测结果相近，均为弱富水性，在实际施工作業中涌水正常，与验证结果相吻合，为安全掘进和水害防治提供有力技术保障。

瞬变电磁超前探测经万利一矿多次应用验证，其探测成果准确可靠，操作方便快捷，可为矿井水害探测防治提供重要理论和技术保障，在煤矿安全生产中值得推广和应用。

作者简介：王永志（1976.3-）：男，内蒙古托克托县人，汉族，毕业于内蒙古科技大学，本科学历，工程师，从事矿井瓦斯抽放、探水技术管理工作多年。