深部巷道瞬變電磁觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化及其應(yīng)用

劉亞軍 邱衛(wèi)忠 谷 偉

（1.太原理工大學(xué)，山西省太原市，030024；2.同煤集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司，山西省大同市，037000；3.山西省煤炭地質(zhì)115勘查院，山西省大同市，037000；4.福州華虹智能科技開發(fā)有限公司，福建省福州市，350004）

1 瞬變電磁觀測(cè)系統(tǒng)分析及優(yōu)化

1.1 瞬變電磁的優(yōu)點(diǎn)

瞬變電磁法非常適合在空間狹小、條件復(fù)雜的礦井環(huán)境下應(yīng)用，是目前在礦井探水中應(yīng)用最廣泛的物探方法，該方法主要有以下特點(diǎn)：

（1）測(cè)量設(shè)備輕便，工作效率高；

（2）采用小線圈測(cè)量，點(diǎn)距更密 （一般為2～10m），體積效應(yīng)降低，橫向分辨率提高；

（3）測(cè)量裝置靠近目標(biāo)體，異常體感應(yīng)信號(hào)強(qiáng)，具有較高的探測(cè)靈敏度；

（4）小線框發(fā)射電磁波的方向性明顯，探測(cè)目標(biāo)區(qū)域更具針對(duì)性等。

1.2 瞬變電磁法受的制約條件

（1）施工環(huán)境需要清理，探測(cè)中受到的干擾因素太多；

（2）縱向分辨率低，對(duì)低阻區(qū)域到探測(cè)位置的直線距離把握不準(zhǔn)；

（3）低阻屏蔽，其主要影響為屏蔽了低阻區(qū)域后方的信息，不能判斷低阻區(qū)域的縱向范圍，限定了當(dāng)次探測(cè)的有效深度只能達(dá)到最近低阻范圍的近邊界；

（4）近距離內(nèi)存在盲區(qū)，近距離內(nèi)有效信號(hào)受到一次場(chǎng)壓制。

1.3 提高瞬變電磁法探測(cè)精度的方法

（1）提高探測(cè)密度，提高探測(cè)的橫向分辨率。以工作面探測(cè)為例，在巷幫等間距探測(cè)觀測(cè)點(diǎn)，探測(cè)點(diǎn)的密度應(yīng)控制在3～5m，太大會(huì)造成探測(cè)精度降低，無(wú)法控制異常區(qū)域的橫向間的聯(lián)系。

（2）在統(tǒng)一背景條件下進(jìn)行探測(cè)。例如在工作面探測(cè)時(shí)一般在巷道中按照小于5 m 的間距等間距布置測(cè)點(diǎn)對(duì)工作面內(nèi)進(jìn)行探測(cè)。但是在巷道中存在大量的金屬干擾情況下受到金屬設(shè)備干擾其解析難度較大，此時(shí)應(yīng)該選擇一段沒(méi)有金屬設(shè)備的位置，布置扇形觀測(cè)系統(tǒng)即可有效統(tǒng)一背景場(chǎng)，提高探測(cè)的準(zhǔn)確性并降低解析難度。扇形觀測(cè)系統(tǒng)的布置方法為以巷道探測(cè)方向另一側(cè)巷幫上一點(diǎn)為圓心，從該點(diǎn)開始布置探測(cè)方向，在保證探測(cè)方向固定的前提下使重疊回線裝置盡量靠近所探測(cè)的一幫即可。

（3）不同方向?qū)ν晃恢眠M(jìn)行多次探測(cè)覆蓋。例如在某巷道中1036m 和981m 兩個(gè)位置分別按照前面第 （2）條所述的方法布置扇形觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)巷幫一側(cè)距離巷道約50～70m 的一處地質(zhì)異常區(qū)進(jìn)行探測(cè)。對(duì)在每個(gè)位置獲得的探測(cè)結(jié)果分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得的探測(cè)成果如圖1所示。為了便于比較，圖1中在巷道1000m 的位置用粗實(shí)線表示。對(duì)兩次探測(cè)異常區(qū)疊加位置分析，以此消除低阻屏蔽的影響，有助于正確分析出低阻范圍的大小。此實(shí)例中通過(guò)從不同方向?qū)ν坏刭|(zhì)異常進(jìn)行多次探測(cè)達(dá)到了準(zhǔn)確判斷該低阻區(qū)域邊界的目的。

圖1 不同方向?qū)ν坏妥鑵^(qū)域進(jìn)行探測(cè)效果對(duì)比圖 （單位：m）

（4）將縱向探測(cè)改變?yōu)闄M向探測(cè)。充分利用瞬變電磁法橫向分辨率高，縱向分辨率低的特點(diǎn)。面內(nèi)構(gòu)造走向與巷道在夾角比較大時(shí)，從巷道中等間距布置測(cè)線探測(cè)導(dǎo)水構(gòu)造的寬度具有優(yōu)勢(shì)。而在面內(nèi)構(gòu)造走向與巷道在夾角比較大時(shí)，從巷道中布置測(cè)線對(duì)跟蹤導(dǎo)水構(gòu)造更有利。

2 工程實(shí)例

山西大同永財(cái)坡煤礦回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面向前鉆探5m 時(shí)鉆孔出水，涌水量30～40m3／h，涌水持續(xù)十?dāng)?shù)天，為了查明涌水來(lái)源和導(dǎo)水通道，特進(jìn)行了一次瞬變電磁法探測(cè)。根據(jù)本次探測(cè)任務(wù)的要求和巷道條件的實(shí)際情況，采用2m×2m 的多匝數(shù)矩形回線重疊裝置進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)勘探任務(wù)，將線框直立于巷道及底板，并靠近探測(cè)異常所在方向側(cè)幫。發(fā)射線框和接收線框分別為匝數(shù)不等、且完全分離的兩個(gè)獨(dú)立線框，以便于與地下 （前方）異常體產(chǎn)生最佳偶合響應(yīng)。

探測(cè)的巷道寬5m，高2.8m，地面積水，多個(gè)位置放置了水泵、變壓器等金屬設(shè)備，掘進(jìn)工作面上有兩個(gè)鉆孔涌水，涌水量為30～40m3／h。在此次施工設(shè)計(jì)中，特別注意要采取幾項(xiàng)措施。

（1）排除地面積水和電磁干擾的影響，方法為間歇排水。

（2）排水和探測(cè)交替進(jìn)行，探測(cè)時(shí)將水泵的電源關(guān)閉，避免地面積水低阻干擾和用電器電磁干擾。

（3）避開巷道內(nèi)用電金屬設(shè)備的影響。由于排水需要，不方便把水泵和開關(guān)等設(shè)備移到較遠(yuǎn)的位置。解決方法為在探測(cè)中充分利用這些設(shè)備之間的空間，選擇回線重疊裝置法線可以避開這些設(shè)備的角度進(jìn)行探測(cè)。

（4）增大探測(cè)精度，方法為充分利用橫向探測(cè)精度高于縱向探測(cè)精度的特點(diǎn)，在探測(cè)結(jié)果未知時(shí)，保證對(duì)每個(gè)方向進(jìn)行較高密度的橫向探測(cè)和一定量的縱向探測(cè)，保證探測(cè)精度。對(duì)每一個(gè)方位實(shí)現(xiàn)不同方向的多次覆蓋，最大程度消除低阻屏蔽效應(yīng)的影響，真實(shí)反映低阻范圍的大小。方法為選擇不同探測(cè)點(diǎn)，在每一個(gè)探測(cè)點(diǎn)形成較大范圍的探測(cè)扇面，使每一個(gè)區(qū)域均有多次探測(cè)扇面覆蓋。

最終設(shè)計(jì)的觀測(cè)系統(tǒng)包括7個(gè)觀測(cè)剖面，其中剖面1～3 為橫剖面，剖面4～7 為縱剖面，分別為：

（1）剖面1探測(cè)點(diǎn)位于距掘進(jìn)工作面4m 的位置，向右?guī)退教綔y(cè)形成探測(cè)扇面；

（2）剖面2探測(cè)點(diǎn)位于掘進(jìn)工作面位置，向掘進(jìn)前方水平探測(cè)形成探測(cè)扇面；

（3）剖面3探測(cè)點(diǎn)位于距掘進(jìn)工作面4m 的位置，向左幫水平探測(cè)形成探測(cè)扇面；

（4）剖面4探測(cè)點(diǎn)位于距掘進(jìn)工作面10m 的位置，向右?guī)痛怪泵嫣綔y(cè)形成探測(cè)扇面；

（5）剖面5探測(cè)點(diǎn)位于掘進(jìn)工作面位置，向右前方垂直面探測(cè)形成探測(cè)扇面；

（6）剖面6探測(cè)點(diǎn)位于掘進(jìn)工作面位置，向左前方垂直面探測(cè)形成探測(cè)扇面；

（7）剖面7探測(cè)點(diǎn)位于距掘進(jìn)工作面10m 的位置，向左幫垂直面探測(cè)形成探測(cè)扇面。

按照以上觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行施工并對(duì)每個(gè)剖面的數(shù)據(jù)單獨(dú)處理，獲得探測(cè)成果如圖2所示。在圖2的所有視電阻率剖面圖中，用平面圖表示相應(yīng)的探測(cè)曲面；各視電阻率剖面中各個(gè)位置到探測(cè)點(diǎn)的直線距離均為實(shí)際距離，每個(gè)剖面圖中坐標(biāo)軸的單位為m，坐標(biāo) （0，0）位置為掘進(jìn)工作面所在位置，單位為m；剖面圖中視電阻率等值線顯示了剖面內(nèi)巖層阻值的分布規(guī)律，單位為Ω·m。一般地，同一巖層中視電阻率越低，表示對(duì)應(yīng)位置的富水性越強(qiáng)，圖中用深色表示視電阻率相對(duì)較低的位置。

圖2 各探測(cè)剖面視電阻率成果圖 （單位：m）

以上剖面1～3為同層視電阻率分布圖，剖面4～7為對(duì)應(yīng)方向頂板到底板之間的視電阻率縱剖面圖。剖面4及剖面7顯示頂板巖層高阻，含水性較弱，而順層偏低板方向阻值較低，說(shuō)明主要含水層位位于目前掘進(jìn)層位的下方，為目前巷道內(nèi)涌水的主要水源或?qū)ǖ?，?dǎo)水通道為斷層破碎帶。

由于瞬變電磁法探測(cè)會(huì)將大范圍低阻范圍之后的區(qū)域顯示為低阻，而剖面2顯示迎頭正前方通過(guò)導(dǎo)水通道后的區(qū)域阻值仍然較高，說(shuō)明前方導(dǎo)水通道寬度不大，綜合考慮剖面1、剖面2、剖面3探測(cè)結(jié)果顯示的低阻區(qū)域空間關(guān)系，預(yù)計(jì)導(dǎo)水通道的寬度在3～8m 之間。

掘進(jìn)前方5m 出現(xiàn)導(dǎo)水通道，結(jié)合剖面1、剖面2、剖面3探測(cè)結(jié)果，可以判斷目前掘進(jìn)頭前方的導(dǎo)水通道為陷落柱的可能性較小，而應(yīng)該是面狀構(gòu)造如斷層、破碎帶的可能性較大，且其走向大角度與巷道方向相交，交角介于70～80°之間。

剖面4及剖面7顯示頂板巖層高阻，含水性較弱。而剖面5和剖面6顯示掘進(jìn)工作面兩側(cè)側(cè)前方頂板方向均出現(xiàn)比較強(qiáng)的低阻范圍。說(shuō)明導(dǎo)水通道向前方頂板方向延伸。剖面4及剖面7顯示底板方向顯示為低阻，說(shuō)明導(dǎo)水通道在底板方向是向后延伸。導(dǎo)水通道的傾向巷道這一方，根據(jù)探測(cè)的低阻區(qū)域空間位置，計(jì)算得其傾角介于60～70°之間。

通過(guò)此次探測(cè)，可以判斷此導(dǎo)水構(gòu)造為一寬度不超過(guò)8m 的斷層裂隙帶，其走向與巷道交角介于70～80°之間，傾角介于60～70°之間。通過(guò)物探手段基本上控制了該導(dǎo)水構(gòu)造的形態(tài)，后經(jīng)礦方鉆探資料驗(yàn)證，與實(shí)際情況相符。

3 結(jié)論

此次瞬變電磁法探測(cè)導(dǎo)水構(gòu)造過(guò)程中，沒(méi)有采用慣常的頂板順層底板三斷面法，而是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和實(shí)際地質(zhì)情況設(shè)計(jì)了特殊的施工方案，取得了非常好的物探效果，說(shuō)明在現(xiàn)場(chǎng)施工中通過(guò)充分利用已知地質(zhì)資料、合理安排施工設(shè)計(jì)、增大采樣密度可以大幅提高瞬變電磁法的探測(cè)效果。

［1］ 劉樹才，劉志新，姜志海.瞬變電磁法在煤礦采取水文勘探中的應(yīng)用 ［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（4）

［2］ 牛之璉.時(shí)間域瞬變電磁法原理 ［M］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2007

［3］ 李貅.瞬變電磁測(cè)深的理論 ［M］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2002

［4］ 朱國(guó)維，丁雯，武彩霞.華北煤田底板礦井水分布及突水機(jī)理淺析 ［J］.中國(guó)煤炭，2008 （2）

［5］ 劉國(guó)林，潘懋，尹尚先.煤礦采空區(qū)水害特征及其防治技術(shù) ［J］.中國(guó)煤炭，2009 （1）

［6］ 姜志海，岳建華，劉志新.礦井瞬變電磁法在老窯水超前探測(cè)中的應(yīng)用 ［J］ .工程地球物理學(xué)報(bào)，2007（4）

［7］ 于景邨.礦井瞬變電磁法理論與應(yīng)用技術(shù)研究［D］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，1999

［8］ 岳建華，姜志海.礦井瞬變電磁探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用［J］.能源技術(shù)與管理，2006 （5）

［9］ 于景邨，劉志新.用瞬變電磁法探查綜放工作面頂板水體的研究 ［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（4）