礦井偶極瞬變電磁技術(shù)的應(yīng)用效果與改進(jìn)

李惠云 趙玉輝

（1.中國煤炭建設(shè)協(xié)會，北京市朝陽區(qū)，100013；2.國家煤礦安全監(jiān)察局行業(yè)管理司，北京市東城區(qū)，100713）

礦井偶極瞬變電磁技術(shù)的應(yīng)用效果與改進(jìn)

李惠云1趙玉輝2

（1.中國煤炭建設(shè)協(xié)會，北京市朝陽區(qū)，100013；2.國家煤礦安全監(jiān)察局行業(yè)管理司，北京市東城區(qū)，100713）

介紹了礦井偶極瞬變電磁技術(shù)在煤礦水害防治方面的應(yīng)用效果，如探測巷道掘進(jìn)頭前方富水區(qū)位置、圈定工作面回采時(shí)容易發(fā)生頂?shù)装逋凰膮^(qū)域、檢驗(yàn)煤層底板注漿加固工程的質(zhì)量等。分析了目前偶極瞬變電磁技術(shù)存在的問題及改進(jìn)方向。

瞬變電磁 偶極 礦井水害 防治

礦井偶極瞬變電磁技術(shù)是當(dāng)前煤礦防治水工作的一種先進(jìn)技術(shù)，是貫徹落實(shí)執(zhí)行 “物探先行”原則的重要手段，具有對富水區(qū)敏感、探測方向靈活、橫向分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，可用于煤礦水害防治的多個(gè)方面，如探測巷道掘進(jìn)頭前方或側(cè)幫的富水區(qū)位置、圈定工作面回采時(shí)容易發(fā)生頂?shù)装逋凰膮^(qū)域、檢驗(yàn)煤層底板注漿加固工程的質(zhì)量等，現(xiàn)場實(shí)踐效果明顯，為煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)工作發(fā)揮了重要作用，但是也存在基礎(chǔ)研究不足等問題，亟待研究與改進(jìn)。

1 瞬變電磁技術(shù)的原理

礦井瞬變電磁技術(shù)一般是利用發(fā)射線圈向周圍空間發(fā)射一次脈沖磁場，當(dāng)發(fā)射電流突然斷開 （脈沖結(jié)束）后，地下介質(zhì)中就會激勵(lì)起渦流場 （二次場），此二次場的大小及衰減速度等特性僅與地下介質(zhì)特性有關(guān)，通過探測、接收并分析二次場的特征就可以了解地下介質(zhì) （目標(biāo)體）的電性、產(chǎn)狀等信息。常用的礦井瞬變電磁裝置 （方法）有重疊式、中心式和偶極式。

2 礦井偶極瞬變電磁技術(shù)的工作方式

2.1 偶極瞬變電磁裝置的分類

偶極瞬變電磁裝置一般分為兩種，頂、底板或側(cè)幫探測時(shí)采用平行偶極方式，掘進(jìn)頭超前探測時(shí)采用同軸偶極方式，見圖1。

2.2 井下工作方法

偶極裝置施工時(shí)，發(fā)射線圈 （Tx）和接收線圈 （Rx）相距一定距離 （一般為10 m），Tx與Rx必須保持框面相互平行，中心軸線 （探測方向）對準(zhǔn)目標(biāo)體。

圖1 偶極瞬變電磁裝置方式

頂、底板或側(cè)幫探測時(shí)，可以對巷道周圍多個(gè)方向 （角度）進(jìn)行探測，通過綜合分析得出探測區(qū)域的賦水性信息。

掘進(jìn)頭超前探測時(shí)，依次使Tx和Rx的軸線同步對準(zhǔn)巷道正前方或斜前方的多個(gè)方向進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，見圖2，分析判斷前方巖層的含水性。

圖2 掘進(jìn)頭超前探測方向示意圖

3 偶極瞬變電磁技術(shù)的應(yīng)用

3.1 超前探測巷道掘進(jìn)頭前方富水區(qū)

圖3為某巷道掘進(jìn)頭超前探測老空水實(shí)例。該巷道掘進(jìn)過程中，地質(zhì)調(diào)查得知前方存在多年前形成的小煤窯老空積水區(qū)，具體位置不清。本著有疑必探原則，在掘進(jìn)頭處實(shí)施了瞬變電磁超前探測。探測結(jié)論為掘進(jìn)頭前方73 m以遠(yuǎn)區(qū)域顯示為低阻異常區(qū)，低阻區(qū)主要位于巷道左前方。

為保障巷道施工安全，結(jié)合周圍水文地質(zhì)資料分析，此處水壓較小為0.2 MPa／cm2，可以在采取安全措施前提下鉆探驗(yàn)證是否存在老空水。礦方朝巷道正前方打鉆到75.2 m處出水，水質(zhì)化驗(yàn)顯示為老空水，證實(shí)了物探結(jié)論的準(zhǔn)確性。

圖3 超前探測老空水時(shí)巷道掘進(jìn)頭瞬變電磁超前探測視電阻率斷面圖

3.2 側(cè)幫探測巷道周圍巖層賦水性

圖4為某回風(fēng)巷側(cè)幫探測老空積水巷道實(shí)例。礦方人員調(diào)查得知回風(fēng)巷上幫附近多年前關(guān)閉的小煤窯嚴(yán)重越界，有一條近百米下山進(jìn)入該礦并在下端掘進(jìn)了一段平巷。小煤窯位于同一煤層的高處，其巷道及采空區(qū)內(nèi)積聚大量老空水，對工作面回采存在巨大水患威脅。為查清老空積水巷道的位置和范圍，在回風(fēng)巷上幫利用偶極瞬變電磁法順著煤層傾斜方向 （+28°）進(jìn)行了探測。結(jié)果表明探測范圍內(nèi)存在明顯的低阻異常區(qū) （圖4標(biāo)尺為25～165 m段），其它地段為高阻區(qū)。物探最終結(jié)論是老空積水下山位于標(biāo)尺142 m處附近、與回風(fēng)巷斜距約33 m附近拐彎平走。礦方在物探結(jié)論指導(dǎo)下，在標(biāo)尺40 m和142 m處往上幫低阻區(qū)內(nèi)打鉆，持續(xù)疏放15600 m3老空水，驗(yàn)證了物探結(jié)論的準(zhǔn)確性。

圖4 側(cè)幫探測老空積水巷道瞬變電磁探測視電阻率斷面圖

3.3 圈定工作面回采時(shí)容易發(fā)生底板突水的區(qū)域

圖5為某工作面準(zhǔn)備回采時(shí)上副巷瞬變電磁勘探 （45°斜下探）結(jié)果。可以看出，上副巷標(biāo)尺120～200 m段存在與深部連通的低阻異常區(qū)，其中180～200 m段低阻區(qū)距離煤層較近，且越往里端低阻區(qū)越往上延伸發(fā)展，物探結(jié)論為此段附近極易發(fā)生底板突水，應(yīng)提前采取防治水措施。

在物探結(jié)論提交后第二天晚上，標(biāo)尺197 m處發(fā)生底板突水，水量380 m3／h。該礦為小煤窯，設(shè)計(jì)總排水能力為300 m3／h，實(shí)際因一臺水泵壞掉、排水能力只有150 m3／h，排水能力不足造成最終淹井。

圖5 圈定工作面回采時(shí)底板易突水地段瞬變電磁探測視電阻率斷面圖

3.4 在煤層底板含水層注漿改造工程中的應(yīng)用

利用井下偶極瞬變電磁技術(shù)可以在煤層底板含水層注漿改造工程實(shí)施前劃分出底板巖層的相對貧富水區(qū)域，圈定改造重點(diǎn)地段，從而有的放矢布置鉆孔、減少鉆探和注漿工程量，并在注漿加固實(shí)施后檢驗(yàn)改造工程的質(zhì)量與效果，既確保工作面安全回采又節(jié)省了費(fèi)用。

圖6為某工作面中間巷瞬變電磁勘探 （45°斜下探）結(jié)果。探測時(shí)該面已經(jīng)完成底板注漿改造工程，物探目的是檢驗(yàn)加固工程的效果。物探結(jié)論為30～70 m段低阻區(qū)距離煤層較近，110～130 m段低阻區(qū)與深部存在溝通，加固改造不徹底，這兩段低阻區(qū)附近在工作面回采時(shí)容易發(fā)生底板突水。2005年12月9日，回采到115 m處發(fā)生底板突水，突水量達(dá)2400 m3／h，造成淹面，綜采設(shè)備報(bào)廢。后經(jīng)地面注漿堵水，一年后恢復(fù)生產(chǎn)。2007年9月20日，推進(jìn)到68 m處附近再次發(fā)生底板突水，突水量達(dá)1680 m3／h，工作面再次被淹，損失上億元。

圖6 底板注漿改造工程瞬變電磁探測視電阻率斷面圖

4 礦井偶極瞬變電磁技術(shù)存在的問題與改進(jìn)

礦井偶極瞬變電磁技術(shù)在實(shí)踐中取得了顯著的應(yīng)用效果。與重疊或中心式瞬變電磁裝置相比，它具有探測盲區(qū)小、應(yīng)用靈活的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定的問題，需要改進(jìn)。

4.1 偶極瞬變電磁技術(shù)理論和基礎(chǔ)研究嚴(yán)重缺乏

目前，礦井瞬變電磁技術(shù)的理論及應(yīng)用研究絕大多數(shù)集中于重疊或中心裝置，偶極裝置研究較少。究其原因有兩個(gè)方面，一是國內(nèi)各廠家生產(chǎn)的防爆瞬變電磁儀器大多采用重疊或中心裝置 （相對簡單），只有國外儀器采用偶極裝置，造成使用客戶量偏少、研究人員受限；二是偶極裝置本身應(yīng)用方式靈活，影響探測效果的因素眾多，尤其是水文地質(zhì)異常體與偶極裝置的相對位置 （縱、橫向）關(guān)系復(fù)雜多樣，這直接影響異常體的響應(yīng)特征和探測結(jié)果的表現(xiàn)，關(guān)于這方面的研究需要從數(shù)值模擬、物理模擬、實(shí)測對比等多個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)，才能得出規(guī)律，這是一個(gè)復(fù)雜、工作量較大且耗費(fèi)時(shí)間的工作，亟需認(rèn)真研究，才能為實(shí)踐應(yīng)用保駕護(hù)航。

4.2 金屬干擾的實(shí)用解決辦法

偶極瞬變電磁技術(shù)的橫向分辨率較高，但易受井下大塊金屬體干擾而影響探測準(zhǔn)確性。要把金屬干擾的影響盡可能降低，還需要做大量基礎(chǔ)工作，如對各種金屬干擾的物探響應(yīng)特征進(jìn)行系統(tǒng)研究（有人對重疊或中心裝置的部分種類金屬干擾進(jìn)行了研究，但偶極裝置的金屬干擾研究仍是空白），總結(jié)規(guī)律，探索出科學(xué)、簡便的干擾校正方法，才能更大地?cái)U(kuò)展井下瞬變電磁技術(shù)的適用性，提高解釋準(zhǔn)確率。

4.3 資料解釋理論與方法的改進(jìn)

當(dāng)今礦井瞬變電磁 （包括偶極、重疊和中心各種裝置方式）理論仍不成熟，資料解釋軟件各家各自為政、互有利弊，應(yīng)用效果不令人滿意，這需要全行業(yè)技術(shù)人員去除浮躁，專心思考，推進(jìn)發(fā)展。

實(shí)踐證明了偶極瞬變電磁技術(shù)中的同軸偶極超前探測方式的有效性和實(shí)用性，但存在解釋出的低阻異常區(qū)范圍偏大等缺點(diǎn)，需要對此技術(shù)加以完善，提高解釋的準(zhǔn)確率。

5 結(jié)語

礦井偶極瞬變電磁技術(shù)發(fā)展相對較晚，多方面亟需研究，因而也具有更多的切入點(diǎn)和突破可能性，隨著瞬變電磁全空間理論研究的深入，它必將在煤礦的水害防治方面發(fā)揮更重要的作用。

［1］蔣邦遠(yuǎn) .實(shí)用近區(qū)磁源瞬變電磁法勘探交流調(diào)速系統(tǒng) ［M］.北京：地質(zhì)出版社，1998

［2］牛之鏈 .時(shí)間域電磁法原理 ［M］.長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1992

［3］郭純，李文軍 .瞬變電磁技術(shù)在井下防治水中的應(yīng)用與研究 ［J］.中州煤炭，2006（2）

［4］郭純，邢文平，李文軍 .瞬變電磁技術(shù)在煤層底板含水層注漿改造中的應(yīng)用 ［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2006 （8）

［5］郭純，劉白宙，白登海 .地下全空間瞬變電磁技術(shù)在煤礦巷道掘進(jìn)頭的連續(xù)跟蹤超前探測 ［J］.地震地質(zhì)，2006 （3）

［6］許云磊，劉志新等 .瞬變電磁法對工作面底板注漿工程的穩(wěn)定性評判 ［J］.中國煤炭，2011（12）

［7］李江華，劉超林等 .可控源音頻大地電磁法在采空區(qū)勘探中的應(yīng)用 ［J］.中國煤炭，2013（1）

Application effect and improvement of technology of coal mine dipole transient electromagnetic

Li Huiyun1，Zhao Yuhui2
（1.China National Coal Construction Association，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.Department of Industry Management，State Administration of Coal Mine Safety，Dongcheng，Beijing 100713，China）

The paper introduces the application effect of mine dipole transient electromagnetic technology in prevention and control of coal mine water hazards，such as detecting the rich water area before the roadway tunneling；delineating the areas where the roof and floor water-inrush occurs easily during the mining；inspecting the grouting reinforcement engineering quality in coal seam floor，etc.And it analyzes the exsisting problems and improvement direction of the dipole transient electromagnetic technology.

transient electromagnetic，dipole，coal mine water disaster，prevention and control

P631.2

A

李惠云 （1971-），女，碩士研究生，現(xiàn)從事煤炭建設(shè)生產(chǎn)工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）