瞬变电磁法在矿井水探查中的应用

任予鑫康向南马 昆杜 昭

（1.中国矿业大学公共管理学院；2.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司枣泉煤矿）

随着煤矿开采工作面不断延伸，地质信息对开采工作的安全性越来越重要。而煤矿水灾害一直威胁着煤矿井下生产作业的安全。对于工作面内的局部小构造、含水裂隙等，现有的传统地质物探方法无能为力。因此，需要探索更适合于矿井特殊条件和工作环境的物探方法。

瞬变电磁法是目前开展井下物探的重要手段之一，它是利用井下各种岩石的电性差异来对特殊地质体进行勘察的一种物探方法。矿井瞬变电磁法能准确感知地下介质电阻率变化，具有受地形影响小、通过低阻层能力强、探测深度大的优势。目前，该方法已广泛应用于煤层陷落柱、断层和裂缝等的探查中，为矿井开拓和开采工作提供详细的地质资料，为煤矿安全生产提供依据。本项目采用矿井瞬变电磁法探测枣泉煤矿130203 工作面回风巷局部淋水区顶板赋水性情况。

1 工程概况

1.1 地质构造

枣泉煤矿130203 工作面所在区域内地质构造简单，根据130203工作面回风巷、皮带巷及切眼施工过程中所揭露的实际地质情况，判断此区域内无断层、岩浆岩体、陷落柱等的存在。

1.2 水文地质

影响130203 工作面开采期间的主要含水层为直罗组裂隙孔隙层间承压水（Ⅲ含水层）和1～8层煤之间砂岩裂隙孔隙层间承压水（Ⅳ含水层），Ⅳ含水层渗透系数为0.016 7 m/d。其上阶段工作面采空区涌水量为30 m3/h，预计最大涌水量为80 m3/h，正常涌水量为60 m3/h。

2 矿井瞬变电磁法

矿井瞬变电磁法是建立在电磁感应基础上的时间域人工源电磁探测方法，是在地面瞬变电磁法的基础上发展而来［1-3］。

瞬变电磁场在大地中主要以扩散形式传播，高频部分主要集中在地表附近；低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。煤层相对于其他岩性地层来说对电磁波的吸收较弱，具有较小阻力特性，电磁波相对容易通过；因此，接收到的信号能够反映整个空间围岩的电特性。

瞬变电磁法在井下的探测深度主要受环境影响［4-5］，探测有效距离一般为120 m，具有以下特点。

（1）受井下巷道特殊施工条件影响，矿井瞬变电磁法采用多匝小回线组合装置，从而增大发射磁矩、提高二次场信号强度，以满足勘探需要。

（2）由于采用小规模回线装置，为保证数据质量，测点布置较一般情况更密集。

（3）井下测量信号强度和参数设置是地面的10～100 倍，所以井下的干扰信号相对于有用信号近似等于零。

（4）井下瞬变电磁法可以将线圈放置于巷道底板，也可以将线圈靠近巷道壁垂直或水平布置。

3 现场探测仪及探测布置

3.1 矿用瞬变电磁仪

本次试验测试采用矿用本安型瞬变电磁仪，由YCS360A 型矿用瞬变电磁仪、配套线圈组成。探测仪参数见表1。

瞬变电磁仪工作信号测量采用FPGA 发射—采集系统的核心处理器，其特点是运行速度快、逻辑控制强，适于多通道高速并行采集与数据处理。

3.2 现场探测布置

本次试验在130203 工作面回风巷施工，探测起点位于B12 向收作线方向148 m（B12 点位于130203回风巷520 m 处），采用皮尺测量，每10 m 布置1 个点，共布置22个测点，编号依次为1#～22#，每个测点采集5 个方向的数据（图1）。本次探测共采集110 组数据。现场观测系统平面布置见图2。

4 探测数据处理与分析

4.1 瞬变电磁仪数据处理

矿井瞬变电磁数据处理选择MTEM 系统配套数据处理软件。处理过程：数据室内回放→数据的预处理（转化、拆分）→曲线剖面分析→滤波处理→视电阻率计算→维正反演→ρ—h剖面绘制。处理流程见图3。视电阻率计算与深度转换结束后，新建等值线文档，进行等值线作图。

4.2 瞬变电磁仪数据分析

瞬变电磁法从电性角度对不同地层进行区别。煤层、砂岩、黏土岩电阻率由高到低；煤系地层沉积序列清晰，电导率在纵向上变化较为固定，横向上较为均一。

4.2.1 面外30°探测方向电阻率成果分析

面外30°探测方向视电阻率分布见图4。通过图形对2处相对低阻异常区进行比对，第一处相对位置距B12 测点较远，在测点向收作线65～96 m、面外0～100 m、顶板上方0～60 m 处；第二处位于B12 测点附近，在面外50～90 m、顶板上方30～54 m 处，视电阻率小于14 Ω·m，结合水文地质条件，分析为含砂岩岩层裂隙水。

4.2.2 面外45°探测方向电阻率成果分析

面外45°探测方向视电阻率分布见图5，可以看出相对低阻异常区有3处，第一处位于测点向收作线50～80 m、面外20 m，顶板23 m处，视电阻率小于14 Ω·m；另外2 处视电阻率都小于14 Ω·m。可以得出，面外45°探测方向的3 个低阻异常区为含砂岩岩层裂隙水。

4.2.3 面外60°探测方向电阻率成果分析

面外60°探测方向视电阻率分布见图6，存在2处低阻异常区，第一处位于测点向收作线20～85 m、面外15 m、顶板向上25 m 处，视电阻率小于14 Ω·m；第二处在测点向收作线14 m、面外23～62 m、顶板上方30～100 m 处，同样该区视电阻率小于14 Ω·m，可以判断2个低阻异常区均是含砂岩岩层裂隙水。

4.2.4 顶板正上方探测方向电阻率成果分析

顶板正上方探测方向视电阻率分布见图7，存在2处低阻异常区，第一处在B12测点向收作线60～88 m、顶板上方120 m 处，该区视电阻率小于14 Ω·m；第二处位于测点向收作线28～48 m、顶板上方30～100 m，视电阻率都小于14 Ω·m，可以判定顶板正上方探测方向的2个低阻异常区均是含砂岩岩层裂隙水。

4.2.5 面内60°探测方向电阻率成果分析

面内60°探测方向视电阻率分布见图8，存在1处低阻异常区，视电阻率小于14 Ω·m，判断是岩层含砂岩裂隙水。

4.3 不同水平视电阻率成果分析

为了探查工作面顶板低阻异常区的平面分布形态以及潜在的含水通道，切出了顶板上20，40，60，80及100 m 深度处水平视电阻率切片图，见图9～图13。可以看出，巷道顶板上方主要存在2处相对低阻区，分别编号为DZ1、DZ2，通过对比不同深度的视电阻率切片，可以判断2处低阻区的实际情况，结果见表2。

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5 结 语

（1）根据瞬变电磁法探测结果，结合矿井地质和水文地质资料，对比分析以往探测经验，对探测区域含水、导水构造的分布及连通性探测成果进行综合分析，发现130203工作面回风巷相对低阻异常区有2处，第一处DZ1 区主要受顶板上方20，60 m 粗砂岩层位砂岩裂隙水影响，DZ2 区主要受顶板上方60 m 粗砂岩层位砂岩裂隙水影响。

（2）通过实践证明，瞬变电磁法超前探测在矿井探测水方面效果显著，为巷道提供了详细的地质资料。