YCS40礦用本安型瞬變電磁儀的物探原理及其井下應(yīng)用

摘要：文章分析了YCS40礦用本安型瞬變電磁儀的工作原理，介紹了YCS40礦用本安型瞬變電磁儀探測(cè)礦坑采掘工作面的使用方法及其適用范圍，能準(zhǔn)確有效地探測(cè)到適用區(qū)域內(nèi)的異常區(qū)，為工作面設(shè)計(jì)提供了翔實(shí)的地質(zhì)資料?？梢钥隙?，運(yùn)用YCS40礦用本安型瞬變電磁儀進(jìn)行井下物探，是一種非常便捷、有效的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁儀；探測(cè)方法；工作面探測(cè)

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）09-0051-02

煤礦井下生產(chǎn)中，準(zhǔn)確、快速地摸清采掘工作面區(qū)域內(nèi)的各種構(gòu)造，合理進(jìn)行采掘設(shè)計(jì)，就可以避開(kāi)采掘工作面內(nèi)部構(gòu)造及采空積水區(qū)對(duì)生產(chǎn)的不利影響，提高生產(chǎn)效率。山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)大通煤業(yè)有限公司是典型的兼并重組整合礦井，井田內(nèi)小礦破壞區(qū)多，采區(qū)積水區(qū)資料不詳細(xì)，影響礦井基建的順利進(jìn)行，為保證礦井的基建進(jìn)度，保障安全。必須加強(qiáng)礦井地質(zhì)資料的收集管理，提高地質(zhì)工作人員的素質(zhì)，因此采用先進(jìn)的探測(cè)設(shè)備，掌握詳細(xì)的地質(zhì)資料，是礦井井巷工程開(kāi)展的先決條件。

1 YCS40礦用本安型瞬變電磁儀的應(yīng)用原理及適用范圍

瞬變電磁法的激勵(lì)場(chǎng)源主要有兩種：一種是回線形式（或載流線圈）的磁源，另一種是接地電極形式的電流源。下面以均勻大地的瞬變電磁響應(yīng)為例，來(lái)討論回線形式磁偶源激發(fā)的瞬變電磁場(chǎng)，從而闡述瞬變電磁法測(cè)深的基本理論。

在導(dǎo)電率為σ、導(dǎo)磁率為μ的均勻各向同性大地表面敷設(shè)面積為S的矩形發(fā)射回線在回線中供以階躍脈沖電流：

在電流斷開(kāi)之前（t<0時(shí)），發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)，在t=0時(shí)刻，將電流突然斷開(kāi)，由該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也立即消失。一次磁場(chǎng)的這一劇烈變化通過(guò)空氣和地下導(dǎo)電介質(zhì)傳至回線周圍的大地中，并在大地中激發(fā)出感應(yīng)電流以維持發(fā)射電流斷開(kāi)之前存在的磁場(chǎng)，使空間的磁場(chǎng)不會(huì)即刻消失。

由于介質(zhì)的歐姆損耗，這一感應(yīng)電流將迅速衰減，由它產(chǎn)生的磁場(chǎng)也隨之迅速衰減，這種迅速衰減的磁場(chǎng)又在其周圍的地下介質(zhì)中感應(yīng)出新的強(qiáng)度更弱的渦流。這一過(guò)程繼續(xù)下去，直至大地的歐姆損耗將磁場(chǎng)能量消耗完畢為止。這便是大地中的瞬變電磁過(guò)程，伴隨這一過(guò)程存在的電磁場(chǎng)便是大地的瞬變電磁場(chǎng)。

YCS40礦用本安型瞬變電磁儀主要是為了解決礦井中的水害問(wèn)題，通過(guò)發(fā)射線圈向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間利用接收線圈測(cè)量地下介質(zhì)引起的二次感應(yīng)渦流磁場(chǎng)，從而達(dá)到探測(cè)介質(zhì)電阻率的目的，最后分析得到數(shù)據(jù)并反演成圖解釋地質(zhì)體含水情況。

瞬變電磁法對(duì)電阻率的靈敏度高、分辨率強(qiáng)，近些年來(lái)，許多礦井地質(zhì)情況比較復(fù)雜，主要適用的探測(cè)對(duì)象有以下六種：

（1）回采工作面隱伏導(dǎo)水構(gòu)造（陷落柱、封閉不嚴(yán)的鉆孔等）。

（2）頂板導(dǎo)水破裂帶、上層采空區(qū)等。

（3）底板巖溶含水層、巖溶陷落柱等。

（4）掘進(jìn)頭隱伏導(dǎo)水構(gòu)造、破碎帶及小窯邊界。

（5）采空區(qū)及廢棄的充水小窯突水。

（6）頂板垮塌或富集水的采空區(qū)。

2 YCS40礦用本安型瞬變電磁儀透視探測(cè)方法

YCS40礦用本安型瞬變電磁儀屬于精密地質(zhì)勘探儀器，接收和發(fā)射二合一線圈是儀器配套的部件，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)必須正確地安裝與使用，做到輕拿輕放，不得磕碰，避免劃傷，以免影響其性能或造成損壞。

工作之前必須認(rèn)真檢查儀器是否能夠正常工作、儀器內(nèi)部的電池電量是否充足、需要組件（發(fā)射/接收線圈等）是否配齊。接收和發(fā)射二合一線圈等部件每次用完需要清理干凈，并且整理放置好。

2.1 測(cè)量參數(shù)確定

測(cè)量深度h和供電電流I及線圈邊長(zhǎng)b的關(guān)系，測(cè)量深度h和供電電流大小線圈連長(zhǎng)有關(guān)。同供電電流的關(guān)系，一般電流增大32倍，測(cè)量深度只增加2倍，發(fā)射線圈邊長(zhǎng)b，一般實(shí)際勘測(cè)深度h取同發(fā)射線圈邊長(zhǎng)b和電流I有關(guān)。從經(jīng)驗(yàn)上勘探深度h≈3b。

經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明：（回線電流≥10A）勘探深度為回線邊長(zhǎng)的3倍以上（經(jīng)驗(yàn)）?；鼐€邊長(zhǎng)一般取100～400m，常用200m。

2.2 供電頻率的選擇

供電頻率的選擇一般和勘探深度及抑制50Hz工頻干擾有關(guān)。就50Hz工頻來(lái)說(shuō)，一般選擇供電頻率應(yīng)是50Hz的約數(shù)或是50Hz的倍數(shù)（指我國(guó)工業(yè)電多用50Hz）。常選用的頻率有2.5、6.25、25Hz三種。

2.3 供電方式的選擇

常用的一般選擇方式1，為雙極性占空比為1∶1方波，有利消除多種干擾。

2.4 線圈組合裝置的選擇及其克服干擾措施

常用的重疊回線裝、中心回線裝置、大定源回線裝置，為了克服強(qiáng)電磁干擾（天電干擾和人為干擾）及為減弱覆蓋層耦合，采用雙回線組合裝置（發(fā)射接收電纜

分開(kāi)）。

3 YCS40礦用本安型瞬變電磁儀在大通煤業(yè)井下的實(shí)際應(yīng)用

大通煤業(yè)井下二期輔助回風(fēng)大巷開(kāi)拓工程是我礦與劉家廟主風(fēng)井貫通的重點(diǎn)工程，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告顯示，該巷道要穿越采空區(qū)，但具體的地質(zhì)資料不詳細(xì)，為保證安全生產(chǎn)，我礦嚴(yán)格按照“物探先行，鉆探驗(yàn)證”探放水原則，利用YCS40礦用本安型瞬變電磁儀進(jìn)行超前探測(cè)，再利用鉆探的手段進(jìn)行驗(yàn)證，來(lái)查明采空積水區(qū)的情況。

由于受巷道迎頭空間的限制，礦井瞬變電磁法的發(fā)射和接收線圈的幾何尺寸受到一定的制約，只能采用多匝小回線的發(fā)射和接收裝置形式，即邊長(zhǎng)為2～3m。測(cè)點(diǎn)布置在巷道迎頭空間位置，即從巷道迎頭左側(cè)開(kāi)始，首先使發(fā)射、接收天線的法線垂直巷道左側(cè)面進(jìn)行測(cè)量，然后旋轉(zhuǎn)天線，使天線的法線方向與巷道的左側(cè)分別成90°、75°、60°、45°、30°、15°的夾角進(jìn)行探測(cè)；當(dāng)天線的法線方向與巷道迎頭界面垂直時(shí)，根據(jù)其主迎頭斷面的寬度布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)；到巷道迎頭右側(cè)時(shí)再旋轉(zhuǎn)天線，使法線方向與巷道右側(cè)分別成15°、30°、45°、60°、75°和90°的夾角進(jìn)行探測(cè)。即在多個(gè)角度采集數(shù)據(jù)，從而獲得盡可能完整的前方空間信息，故稱之為扇形測(cè)深技術(shù)。

在實(shí)際工作過(guò)程中對(duì)于每個(gè)發(fā)射點(diǎn)，也可調(diào)整天線的法線與巷道底板的夾角大小，以探測(cè)巷道頂板、順層和底板方向的圍巖變化情況。本次礦井瞬變電磁法探測(cè)測(cè)點(diǎn)布置在輔助回風(fēng)大巷聯(lián)絡(luò)巷口+120M處迎頭及其左右兩側(cè)幫位置，測(cè)點(diǎn)布置為左幫開(kāi)始為第一個(gè)測(cè)點(diǎn)，與迎頭左幫夾角分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°；正前方順巷道掘進(jìn)方向布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，右?guī)团c左幫對(duì)稱，共15個(gè)測(cè)點(diǎn)。分別采用順煤層和向煤層頂、板兩個(gè)方向進(jìn)行探測(cè)（斜向上45°、順層方向、斜向下45°方向）。

通過(guò)對(duì)比分析三個(gè)方向的視電阻率擬斷面圖，可以看出頂板方向迎頭右側(cè)90°-30°，縱坐標(biāo)20M-40M范圍內(nèi)；45°-30°，縱坐標(biāo)40M-60M范圍內(nèi)；順層方向90°-60°，縱坐標(biāo)20M-40M范圍內(nèi)；底板方向60°-15°，縱坐標(biāo)20M-40M范圍內(nèi)，均顯示相對(duì)低阻異常，可能為賦水裂隙發(fā)育。

我礦采用ZYJ-700/250型鉆機(jī)進(jìn)行了鉆探，在巷道中偏左25°約71m處探出采空區(qū)，充分驗(yàn)證了YCS40礦用本安型瞬變電磁儀在井下的有效使用。

4 結(jié)語(yǔ)

大通煤業(yè)目前正處于礦建階段，井巷工程處于二期工程，受兼并重組礦井限制，采空積水區(qū)資料不詳細(xì)，所以必須摸清掘進(jìn)工作面地質(zhì)情況才能合理地設(shè)計(jì)，保障基建任務(wù)的完成。YCS40礦用本安型瞬變電磁儀為大通煤業(yè)井巷工程提供了很好的技術(shù)保障，技術(shù)比較成熟，具有很高的推廣價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介：劉來(lái)旺（1975—），男，山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)大通煤業(yè)有限公司副總工程師，國(guó)家注冊(cè)安全工程師。

（責(zé)任編輯：周 瓊）