矿井瞬变电磁法在超前探测采空积水区中的应用研究

2021-12-23苏彦龙

世界有色金属 2021年16期

苏彦龙

（河南省地球物理空间信息研究院，郑州 450009）

我国西北地区的一些小型矿井，由于地质资料不全，对矿井老巷以及采空区的分布状况不了解，在生产过程中容易掘透采空区，从而发生矿井透水事故。目前，矿井防治水常用的物探方法有常规直流电法、音频电透视法和瞬变电磁法等，其中瞬变电磁法具有施工成本低、体积效应小、横向分辨率高以及与目标地质体耦合性高等优点，被广泛应用于矿井掘进超前探测中[1]。

1 瞬变电磁法的理论基础

瞬变电磁法是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域电磁法。其利用不接地回线向地下地质体发送一次脉冲磁场，在一次场作用下，地下地质体产生的感应电流又将会激励起随时间变化的感应电磁场，即二次场。在脉冲的间歇期间，利用回线接收感应的二次场，通过对接收信号的处理、分析和解释，从而达到探测地下地质情况的目的[2]。

2 矿井瞬变电磁法的探查技术

（1）矿井瞬变电磁法的特点。矿井瞬变电磁法的发射和接收均在局部较封闭的空间中进行，发射与接收均采用多匝小回线装置。小回线的优点在于线圈轻便，发射与接收装置摆放灵活，可以实现多方向和多角度探测，与巷道周围的异常体易达到最佳耦合[3]。

（2）矿井瞬变电磁法的探查装置。为了保证探测深度，可以选择增大线框边长、加大电流或者增加线框匝数等。在井下施工时发射电流不能过大，另外井下巷道内空间有限，不能使用大边框回线。增加发射线框匝数可以加大探测深度，但是一方面使得线框重量加重影响施工效率，另一方面线框匝数增多使得自感加重致使浅层探测盲区增大[4]。经过多次井下试验以及大量数值模拟，一般选用1.5m×1.5m的重叠回线多匝小线框（见图1）。为了接收到更强的信号，接收线圈匝数要多于发射线框匝数。

图1 探查装置示意图

（3）测点布置。在掘进巷道内进行超前探测时，为了尽可能探测到不同方位的异常地质体，经过大量试验和实际应用，将超前探测的测点布置设计为扇形（见图2）。

图2 测点布置示意图

超前探测发射线圈和接收线圈框面重叠，线圈轴线指向目标体。在超前探测中，线圈轴线方向分别指向巷道顶板、顺掘进方向和巷道底板。线圈所在平面与巷道顶底板的夹角需要根据探测目标与测点的相对位置及岩层倾角大小确定。依据瞬变电磁法中经典的“烟圈效应”，“烟圈”沿47°倾斜锥面扩散[5]。故每个测点按仰45°、顺掘进方向和俯45°进行探测（见图3），能够最大程度上探查到要求探测范围内的异常地质体。

图3 探查方向示意图

3 应用实例

新疆昌吉某矿为整合升级改造矿井，地质资料缺乏，矿井内老巷以及采空区位置不明，为了巷道能够安全掘进，运用矿井瞬变电磁法进行超前探测。

图4至图6分别为仰45°方向、顺掘进方向和俯45°方向探测视电阻率断面图。图中虚直线代表探测的方向，纵坐标和横坐标代表探测距离。从图上可以看到本次超前探测距离为100m，在近处20m范围内存在探测盲区。图5中右偏60°、右偏45°、右偏30°和右侧帮0m方向上视电阻率值较其他方向偏低，存在低阻异常。图4和图6中各个方向上未发现明显低阻异常反应。

图4 仰45°方向探测视电阻率断面图

图5 顺掘进方向探测视电阻率断面图

图6 俯45°方向探测视电阻率断面图

图7为图5对应的视电阻率直方图（纵坐标代表探测深度，横坐标代表各个探测方向，0号点代表左侧帮5m，10号点代表左侧帮0m，从左到右以此类推），分析该图发现从80号点（右偏60°）到110号点（右侧帮0m）低阻异常逐渐增强，且低阻异常体距离巷道越来越近。因此推断掘进巷道右侧存在一条与掘进巷道走向近似的老巷，且老巷内可能存在积水。矿方根据物探成果共设计了5个探水钻孔，钻孔方位见图8。