礦井瞬變電磁法定向超前探測(cè)機(jī)理及方法研究

牛小軍

河北省煤田地質(zhì)局物測(cè)地質(zhì)隊(duì),河北 邢臺(tái) 054000

目前煤礦突水事故大多數(shù)是由于直接與附近老窯采空積水區(qū)打通或直接揭露隱伏的導(dǎo)含水構(gòu)造而引起瞬間大量突水所致，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)對(duì)煤礦工人的人身安全也帶來了較大的威脅。因而，在巷道迎頭掘進(jìn)或采煤工作面開始回采之間查明其掘進(jìn)或開采影響范圍內(nèi)是否存在隱伏的導(dǎo)含水構(gòu)造或老窯采空積水區(qū)，提前采取治理措施成為礦井防治水工作的關(guān)鍵所在。目前煤礦防治水領(lǐng)域的探測(cè)主要包括直接法和間接法兩類[1][2]，直接法常采用鉆探實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)具有結(jié)果直觀、可靠等明顯優(yōu)點(diǎn)。間接法常采用礦井地球物理方法實(shí)現(xiàn)，目前礦井地球物理探測(cè)方法主要有：礦井直流電法、瑞雷波法、礦井地質(zhì)雷達(dá)和礦井瞬變電磁法等。

本文研究礦井瞬變電磁法的基本理論與相關(guān)技術(shù)，首先在理論上對(duì)礦井瞬變電磁場(chǎng)的全空間分布特征和水平層狀介質(zhì)中低阻異常體的瞬變電磁響應(yīng)特征進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了井下全空間條件下多方向超前探測(cè)技術(shù)，該技術(shù)可快速有效的探測(cè)出掘進(jìn)巷道正前方及其采動(dòng)影響范圍內(nèi)是否存在賦含水構(gòu)造異?；蚶细G采空積水區(qū)的空間方位。

1 礦井瞬變電磁超前探測(cè)的基本原理

在導(dǎo)磁率為μ、導(dǎo)電率為σ的巷道迎頭上安放一個(gè)矩形天線，其面積為S，在天線中供以階躍脈沖電流[3][4]

在t＜0時(shí)，也就是電流斷開之前，發(fā)射電流在回線空間中形成一個(gè)比較穩(wěn)定的磁場(chǎng)；如果將電流斷開（既時(shí)），回線空間中的一次場(chǎng)會(huì)隨即消失。磁場(chǎng)的變化會(huì)在圍巖中產(chǎn)生二次場(chǎng)（如圖1所示），在此過程存在的電磁場(chǎng)就是礦井瞬變電磁場(chǎng)。

圖1 TEM探測(cè)方向示意圖

礦井瞬變電磁超前探測(cè)一般在煤礦的采掘巷道內(nèi)進(jìn)行，其瞬變電磁探測(cè)裝置接收回線中的感應(yīng)電位是采掘巷道周圍一定范圍內(nèi)所有介質(zhì)的綜合電性反映。所以，所采集的視電阻率值為迎頭范圍內(nèi)全部巖層介質(zhì)的綜合電性反映，視電阻率按照以下公式[6-7]來計(jì)算：

式中：C為響應(yīng)系數(shù)；S是接收線圈的面積；N指線圈的匝數(shù)；t是指二次場(chǎng)的衰減時(shí)間；V/I指的是接歸一化后二次場(chǎng)的電位值。在巷道的迎頭部位，通過線圈采集二次場(chǎng)隨時(shí)間變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，就可以推測(cè)迎頭附近介質(zhì)的電磁性質(zhì)在空間和時(shí)間上的變化規(guī)律，從而確定構(gòu)造異?；蚋凰惓５漠a(chǎn)狀和發(fā)育的位置等。

圖2 平行層理激發(fā)三層模型示意圖

由于煤系地層成層分布，各巖層電阻率不同，礦井瞬變電磁法進(jìn)行定向超前探測(cè)時(shí)，發(fā)射線圈平面垂直于層理面（地層界面），線圈法線方向（即探測(cè)方向）平行層理（圖2所示），激發(fā)方向?yàn)槠叫袑永怼ＴO(shè)計(jì)平行層理激發(fā)三層模型如圖2所示，由上至下第一層頂板為高阻層，電阻率為500Ω·m；第二層電阻率100Ω·m，厚度80m；第三層底板為低阻層，電阻率10Ω·m。激發(fā)源距第一層與第二層分界面、第二層與第三層分界面均為40m。圖3為利用2.5D時(shí)間域有限差分模擬算法得到的激發(fā)源位于第二層中間平行層理激發(fā)時(shí)三層地電斷面各時(shí)刻瞬變電場(chǎng)等值線的分布圖。由圖可知，在整個(gè)擴(kuò)散衰減過程中，最強(qiáng)感應(yīng)電流密度中心始終位于激發(fā)源所在平面上，由于電性斷面的非對(duì)稱性，上下兩個(gè)感應(yīng)電流密度中心向外擴(kuò)散速度不一致，高阻層一側(cè)的電流密度中心擴(kuò)散速度較快，很快擴(kuò)散至高阻層中；而低阻層一側(cè)的電流密度中心擴(kuò)散速度較慢，衰減過程中，逐漸擴(kuò)散至整個(gè)空間中，并最終占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖3 平行層理激發(fā)三層地電斷面瞬變電場(chǎng)擴(kuò)散圖

通過對(duì)圖2模型中各參數(shù)不同時(shí)的模擬計(jì)算分析可知，均勻全空間瞬變電磁場(chǎng)的擴(kuò)散規(guī)律與均勻半空間不同，對(duì)于磁偶源激發(fā)的均勻全空間瞬變電磁場(chǎng)而言，最大電流密度區(qū)始終位于發(fā)射線圈所在平面上，瞬變電磁場(chǎng)以球形方式勻速向空間各個(gè)方向擴(kuò)散，因而激發(fā)源附近接收線圈接收到的信號(hào)中不僅包含發(fā)射線圈前后介質(zhì)的電性信息，還包含發(fā)射線圈所在面方向上介質(zhì)的信息。平行層理激發(fā)條件下，最初時(shí)期瞬變電磁場(chǎng)僅分布于激發(fā)源所在層，低阻層對(duì)瞬變電磁場(chǎng)的分布尚未產(chǎn)生影響，隨著時(shí)間的推移，瞬變電磁場(chǎng)開始擴(kuò)散到低阻層，低阻層中感應(yīng)的渦旋電流逐漸升高而后衰減，低阻層的衰減信息開始占據(jù)主導(dǎo)地位，源點(diǎn)處瞬變磁場(chǎng)響應(yīng)曲線出現(xiàn)符號(hào)翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這種表現(xiàn)跟激發(fā)源所在層厚度以及所在層與低阻層的電性差異有關(guān)，所在層厚度越小，電性差異越大，表現(xiàn)越明顯；早期瞬變電磁場(chǎng)的分布與低阻層厚度無關(guān)，當(dāng)瞬變電磁場(chǎng)擴(kuò)散至低阻層后，晚期階段源點(diǎn)處瞬變磁場(chǎng)時(shí)間變化率的響應(yīng)強(qiáng)度隨低阻層厚度的增加而略微減小；源點(diǎn)處瞬變磁場(chǎng)的響應(yīng)強(qiáng)度受地電斷面成層分布的影響隨激發(fā)源所在層厚度的增大而減小。瞬變電磁超前探測(cè)結(jié)果與激發(fā)源所在層的厚度、電阻率、源所在層外側(cè)電性層厚度、電阻率有關(guān)系，激發(fā)源所在層厚度與超前探測(cè)距離的比值越大，其探測(cè)效果越接近于傳統(tǒng)的垂直層理激發(fā)方式的探測(cè)效果，進(jìn)而采用垂直層理激發(fā)方式下數(shù)據(jù)處理與解釋方法，結(jié)果與真實(shí)情況越貼切。

平行層理激發(fā)過程中，感應(yīng)電流密度中心分布傾向于低阻層，當(dāng)感應(yīng)電流密度中心移動(dòng)到低阻層內(nèi)部時(shí)，瞬變電場(chǎng)開始擴(kuò)散到低阻層外側(cè)電性層，并很快擴(kuò)散至整個(gè)外層空間，與此同時(shí)，各電性層內(nèi)瞬變電場(chǎng)分別沿層理方向上擴(kuò)散衰減，電流密度中心拉伸逐漸變長，激發(fā)源前后介質(zhì)逐漸影響瞬變電場(chǎng)的擴(kuò)散，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超前探測(cè)。

2 礦井瞬變電磁定向超前探測(cè)技術(shù)

由于井下空間的限制，礦井瞬變電磁法的發(fā)射和接收線圈都不能使用太大的，只能使用匝束較多回線邊長較小的發(fā)射和接收線圈（邊長為2～3m）。在巷道迎頭布置測(cè)點(diǎn)（圖4），即在巷道迎頭從左側(cè)開始，首先使發(fā)射和接收線圈的法線方向與巷道的左側(cè)面垂直進(jìn)行探測(cè)，然后按一定角度旋轉(zhuǎn)線圈，使線圈的法線方向和巷道的左側(cè)面形成15°、30°、45°、60°，75°和90°的角度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)線圈法線的方向垂直迎頭面時(shí)，據(jù)迎頭面的實(shí)際寬度設(shè)置2～3個(gè)點(diǎn)，到迎頭右側(cè)時(shí)再使線圈旋轉(zhuǎn)，使線圈的法線和巷道右面形成90°，75°、60°、45°、30°和15°的夾角實(shí)施測(cè)量。采用上述主法實(shí)現(xiàn)多角度數(shù)據(jù)采集，以獲得盡可能完整的前方介質(zhì)電性分布信息。

圖4 測(cè)點(diǎn)水平布置示意圖

在實(shí)際工作過程中對(duì)于圖4中的每個(gè)發(fā)射點(diǎn)，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，探測(cè)方法如圖5所示。這樣可得到位于巷道迎頭前方一個(gè)錐體范圍內(nèi)地層介質(zhì)的電性變化情況如圖6所示。

圖5 定向超前探測(cè)剖面方向示意圖

圖6 定向超前探測(cè)體積置示意圖

3 數(shù)據(jù)處理及顯示方式

瞬變電磁超前探的資料解釋方法和過程首先是對(duì)所采集數(shù)據(jù)中的噪音去除處理，依據(jù)公式（2）將瞬變電磁儀所測(cè)的電流值歸一化后轉(zhuǎn)換成不同時(shí)間值所對(duì)應(yīng)的視電阻率的值，隨后再實(shí)施時(shí)間和深度轉(zhuǎn)換計(jì)算處理，得到的結(jié)果是每一條測(cè)線的視電阻率斷面圖。一般采用2種顯示成果的方法：矩形成圖方法是其中的一種，在圖5中的每一個(gè)測(cè)點(diǎn)都可以看作是等間距分布在一條直線上的點(diǎn)，在視電阻率等值線圖中測(cè)點(diǎn)標(biāo)號(hào)作為橫坐標(biāo)（或者是相對(duì)于00度測(cè)點(diǎn)的距離），把探測(cè)深度作為縱坐標(biāo)；扇形成圖法是第2種顯示方法，在圖4中的每一個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的視電阻率值展布在實(shí)際平面上，以扇形模式繪制視電阻率等值線圖，把在迎頭位置向正前方測(cè)量的距離（m）作為縱坐標(biāo)、把圖5中兩側(cè)00測(cè)點(diǎn)的測(cè)量距離加上迎頭的寬度（m）作為橫坐標(biāo)，其中迎頭的寬度可依據(jù)正前方測(cè)點(diǎn)的間距按照一定的比例放大。在定向超前探測(cè)結(jié)果中使用扇形方式顯示可提高超前探測(cè)資料的解釋精度，能更準(zhǔn)確反映出異常體的空間特征。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

4.1 老窯采空積水區(qū)定向超前探測(cè)

山西長治王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司附近小煤窯比較多，現(xiàn)在經(jīng)過煤炭企業(yè)整合重組后小煤礦都已經(jīng)停產(chǎn)關(guān)閉。由于缺少附近小煤礦的生產(chǎn)相關(guān)圖件，特別是防治水方面的相關(guān)地質(zhì)資料，為整合煤礦的后繼生產(chǎn)帶來了潛在的水災(zāi)安全隱患。為了查清老窯采空積水區(qū)的具體位置及其影響范圍，山西長治王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司采用礦井瞬變電磁定向超前探測(cè)技術(shù)在巷道掘進(jìn)過程中進(jìn)行跟蹤超前探測(cè)。

圖7為巷道掘進(jìn)迎頭按圖4中方法所示沿煤層方向采用礦井瞬變電磁法定向超前探測(cè)的視電阻率等值線圖。從圖中可知巷道迎頭前方55～90米范圍內(nèi)存在相對(duì)低阻異常區(qū)，巷道迎頭左前方和右前方也存在低阻異常區(qū)。從已掌握的相關(guān)水文地質(zhì)資料分析可知，該低阻異常區(qū)為老窯采空積水區(qū)的反應(yīng)，其具體影響范圍見圖8中的陰影區(qū)域所示。

圖7 順層方向視電阻率等值線圖

圖8 超前探測(cè)成果示意圖

圖9 探測(cè)方向剖面示意圖

該異常區(qū)域經(jīng)礦方鉆探驗(yàn)證，當(dāng)鉆探到巷道迎頭正前方約48米時(shí)鉆孔出水，水壓、水量較大，經(jīng)過多也鉆孔和擴(kuò)大孔徑的方法歷時(shí)一個(gè)多月時(shí)間放水量約12萬m3。隨后巷道繼續(xù)向前掘進(jìn)，揭露老窯廢棄巷道位置如圖8中黑色條帶區(qū)域所示。

4.2 斷層定向超前探測(cè)

冀中能源股份有限公司某掘進(jìn)巷道前方存在一落差約30m的斷層。為了給巷道的安全掘進(jìn)提供相關(guān)技術(shù)資料，礦方要求采用礦井瞬變電磁法定向超前探測(cè)技術(shù)進(jìn)一步確定F7斷層的具體影響范圍。在實(shí)際工作過程中對(duì)于圖4中的每個(gè)發(fā)射點(diǎn)，調(diào)整天線的法線與巷道底板的夾角大?。?5°，0°，-15°和-30°四個(gè)方向依次探測(cè)（如圖9所示），以獲得巷道迎頭前方錐體范圍內(nèi)地層介質(zhì)的電性情況，并由此進(jìn)一步研究相關(guān)構(gòu)造及含水性情況。

圖10至13分別為在巷道掘進(jìn)迎頭處15°，0°，-15°和-30°四個(gè)方向探測(cè)的視電阻率等值線圖。從圖11中對(duì)應(yīng)的視電阻率等值線分析可知，在沿探測(cè)方向（順煤煤層）巷道迎頭正前方約80m處出現(xiàn)有相對(duì)明顯電性差異界面，根據(jù)已知地質(zhì)資料可解釋為探巷前方F7斷層的邊界反應(yīng)。從其對(duì)應(yīng)視電阻率值相對(duì)大小分析，可知F7斷層賦含水性較弱或不含水。從圖11、圖12和圖13中可知，視電阻率等值線的變化相對(duì)較為均勻，無明顯的低阻異常擾動(dòng)，說明在探測(cè)范圍內(nèi)沒有明顯的賦含水地質(zhì)構(gòu)造異常。

根據(jù)本次探測(cè)結(jié)果，巷道繼續(xù)掘進(jìn)過程中及時(shí)調(diào)整坡度方向，實(shí)現(xiàn)了斷層上下兩盤煤層的對(duì)接。圖14為實(shí)際探巷素描剖面示意圖，圖中顯示在探測(cè)迎頭前方約78m即為F17斷層邊界，與探測(cè)結(jié)果基本吻合。

圖10 迎頭15度方向視電阻率等值線圖

圖11 迎頭0度方向視電阻率等值線圖

圖12 迎頭-15度方向視電阻率等值線圖

圖13 迎頭-30度方向視電阻率等值線圖

5 結(jié)語

礦井瞬變電磁法定向超前探測(cè)技術(shù)可快速查明巷道前方及其采動(dòng)影響范圍內(nèi)不同方位的賦含水構(gòu)造、老窯采空積水區(qū)。該方法也可精確查明采煤工作面頂、底板采動(dòng)影響范圍內(nèi)不同空間位置隱伏導(dǎo)含水通道或局部富含水區(qū)域的具體影響范圍，并對(duì)其富含水性進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，為煤礦的防治水工作提供相關(guān)技術(shù)資料，防止突水災(zāi)害事故的發(fā)生。

圖14 實(shí)際探巷素描剖面示意圖

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