瞬變電磁法在煤礦某巷道采空區(qū)積水超前探測中的應用

隨著我國經(jīng)濟建設的發(fā)展，對工程與環(huán)境的要求越來越高，而隱患勘探與監(jiān)測工作顯得尤為重要。針對水害類型，采取有效防治措施。根據(jù)一靠管理，二靠工程投資，三靠科學技術進步的煤礦水害防治的基本原則，在提高經(jīng)濟效益的同時強化行業(yè)管理，依靠科技進步，加強技術管理，加大工程投入。《煤礦防治水規(guī)定》第一章第三條規(guī)定：防治水工作應堅持“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則，采取“防、堵、疏、排、截”的綜合治理措施。

其中“先探后掘”中的探即在巷道掘進過程中在迎頭利用直接或間接的方法向前一定范圍內(nèi)進行探測（超前探測），查明前方及其采動影響范圍內(nèi)是否存在賦含水地質(zhì)構造、導含水通道或采空積水區(qū)，為煤礦的防治水工作提供詳細的地質(zhì)資料。目前用于超前探測的直接方法為鉆探方法，鉆探結果比較直觀，但施工周期較長，對巷道的正常掘進生產(chǎn)影響較大。用于探測的間接方法即采用地球物理勘探的方法進行探測，主要方法有：礦井直流電法（三點三極超前探測方法）、礦井瞬變電磁法、瑞雷波法和礦井地質(zhì)雷達探測法。其中瑞雷波法主要解決地質(zhì)構造界面的問題，對構造的賦水性或采空積水區(qū)的解釋精度較低；礦井地質(zhì)雷達現(xiàn)在主要處于研究試用階段，主要是由于其探測深度相對較小。

1、瞬變電磁法的理論研究

瞬變電磁法（TEM）是利用不接地回線向地下發(fā)射脈沖式一次電磁場，用線圈觀測由該脈沖電磁場感應的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時間分布，從而來解決有關地質(zhì)問題的時間域電磁法（脈沖場源）。

瞬變電磁法最早起源于美國科學家L.W.Blan于1933提的“Eltran”法。并由最初的針對地表半空間均勻層狀介質(zhì)的瞬變電磁場逐步實現(xiàn)了瞬變電磁法一維正、反演、“煙圈”理論、以及后來提出的有限元、有限差分、積分方程等二維反演方法和三維正反演算法，從而地面瞬變電磁法的基本理論已較為完善。

簡單地說，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應定律。其基本工作方法是：于地面或空中設置通以一定電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次電磁場，并在地下導電巖礦體中產(chǎn)生感應電流：斷電后，感應電流由于損耗而隨時間衰減。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度?。欢砥诔煞謩t相當于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。在電流斷開之前，發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間建立起一穩(wěn)定的磁場。

瞬變電磁法是時間域電磁法之一，隨時域方法而出現(xiàn)，它是發(fā)展在后而發(fā)展很快的電法勘探分支方法。

將瞬變電磁信號用于地質(zhì)勘探的設想，早在20世紀30年代就有人提出。最早的時域電磁法在西方稱為Elrtna法，它基于L.W.Blna在1933年獲得的發(fā)明專利，該法利用電磁脈沖激發(fā)供電偶極形成電磁場，用電偶極測量電場。

礦井瞬變電磁法與地面瞬變電磁法一樣，采用儀器和測量數(shù)據(jù)的各種裝置形式和時間窗口也相同。由于礦井瞬變電磁法勘探環(huán)境的限制，測量線圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般深度在100m左右。地面瞬變電磁法為半空間瞬變響應，這種瞬變響應來自于地表以下半空間地層，而礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應，這種瞬變響應是來自于回線平面上下（或兩側）地層，對確定異常體的位置帶來困難。

在探測富水區(qū)的位置及其分布范圍等方面，瞬變電磁法是目前最有效的方法之一，其物理基礎是富水區(qū)相對于周圍地層有明顯的電性差異。理論上講，干燥巖石的電阻率值很大，但實際上地下巖石孔隙、裂隙總是含水的，并且隨著巖石的濕度或者含水飽和度的增加，電阻率急劇下降，即賦水性的不均勻程度在瞬變電磁參數(shù)圖件上反映為電阻率的高低變化；當巖層完整時其電阻率較高，受構造運動或地下水作用的影響，部分地段巖層破碎或裂隙發(fā)育，破碎程度及其含水的飽和度越大（砂巖、灰?guī)r富水性增強），巖石的導電性會顯著增強，地層電阻率會明顯降低，斷面圖上會有明顯的低阻異常反映

2、瞬變電磁法在礦井超前探測中的應用

礦井瞬變電磁法進行超前探時，要求掘進巷道掘進迎頭斷面整齊，巷道空間高度大于2米，距離巷道迎頭10米范圍內(nèi)沒有較大的金屬體（如掘進機械等），以減少其對瞬變電磁場的影響。

利用礦井瞬變電磁法超前探測，每次的施工時間約40分鐘，施工結束第二天能夠提供初步的探測成果。因此，可利用工人換班時間進行工作，不影響巷道掘進工作的正常進行。

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的一定的制約，只能采用多匝小回線的發(fā)射和接收裝置形式，即邊長為2-3m。測點布置在巷道迎頭空間位置，即從巷道迎頭左側開始，首先使發(fā)射、接收天線的法線垂直巷道左側面進行測量，然后按一定角度旋轉天線，使天線的法線方向與巷道的左側分別成150、300、450、600、750和900的夾角進行探測，當天線的法線方向與巷道迎頭界面垂直時，根據(jù)其主迎頭斷面的寬度布置2-3個測點，到巷道迎頭右側時再旋轉天線，使法線方向與巷道右側分別成900、750、600、450、300和150的夾角進行探測。即在多個角度采集數(shù)據(jù)，從而獲得盡可能完整的前方空間信息，故稱之為扇形測深技術。

礦井瞬變電磁法是在井下巷道內(nèi)有限的空間進行，瞬變電磁場呈全空間分布。煤層一般情況下為高阻介質(zhì)，電磁波易于通過，瞬變電磁法接收線圈接收到的信號是來自發(fā)射線圈周圍全空間巖石電性的綜合反映。巷道迎頭正前方煤層連續(xù)性較好，無明顯低阻地構造異常，但在巷道兩側分別存在第一和第二相對低阻異常區(qū)。低阻異?？梢岳斫鉃闃嬙炀植苛严栋l(fā)育，且被低阻泥巖介質(zhì)充填的反應。

結論

總體分析這三個方向對應的視電阻率等值線圖可知，在某測點前32米掘進迎頭處超前探測結果如下：

第一處低阻異常區(qū)位于巷道迎頭左前方（左側10～30米，前方70～110米所圈定范圍），為對應范圍內(nèi)F2斷層構造局部裂隙發(fā)育，且被低阻泥巖介質(zhì)充填的反應。從視電阻率值的相對大小分析，其富含水性較弱或不含水。

第二處相對低阻異常區(qū)位于巷道迎頭右前方（右側20～60米、前方50～100米所圈定范圍），主要來自順煤層方向。

根據(jù)兩個低阻異常區(qū)的具體影響范圍，建議礦方重點對第二處相對低阻異常區(qū)進行鉆探驗證工作，以保證煤礦絕對安全生產(chǎn)。

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