瞬變電磁法在探測井下頂板富水性中的應用

摘 要：瞬變電磁法具有對低阻敏感的特點，在地面物探中應用比較廣泛。礦井水害作為煤礦五大災害之一，嚴重危害著煤礦安全。文章利用瞬變電磁法在煤礦中的應用實例，簡述了瞬變電磁法探測頂板富水性的過程，結果表明瞬變電磁法在井下探測中具有比較好的效果。

關鍵詞：瞬變電磁法；頂板；富水性

前言

在煤層開采過程中，地應力會重新分布造成隔水帶破壞，引起頂板突水事故。因此。必須采取合理的物探手段提前探測頂板巖層的富水性，做好預防預報工作，是保證煤礦安全生產(chǎn)的前提。瞬變電磁法具有對低電阻敏感的特點，這是其他物探手段所不能比擬的。我們選擇合適的裝置將瞬變電磁法應用于礦井下。

1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法是一種時間域的電磁探測方法。[1]時間域電磁法中的瞬變場，是指那些在階躍變化電流作用下，地中產(chǎn)生的過渡過程的感應電磁場。瞬變電磁場狀態(tài)的基本參數(shù)是時間。這一時間依賴于巖石的導電性和收-發(fā)距。由此可見，研究瞬變電磁場隨時間的變化規(guī)律，可探測具有不同導電性的地層分布，也可發(fā)現(xiàn)地下賦存的較大良導礦體。礦井瞬變電磁法的基本原理與地面瞬變電磁法原理基本一致，不同的是礦井瞬變電磁法是在地下幾百米深度的巖層或煤層巷道內(nèi)進行，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，視電阻率為全空間巖層電性特征的綜合響應。[2]

2 井下瞬變電磁工作方法

本次測量使用PROTEM47型瞬變電磁儀，其是加拿大Geonics公司研制生產(chǎn)的時間域電磁儀。為了使探測范圍能夠全部或基本全部覆蓋3306綜放工作面頂板巖層，滿足探測地質(zhì)任務的要求，根據(jù)3306綜放工作面實際采掘條件，在上下順槽完成2個探測方向，即垂直方向和近45度方向，共完成4條測線、255個物理點。確定本次施工參數(shù)如下：

多匝數(shù)小回線發(fā)射裝置

回線邊長：2m×2m；回線匝數(shù)：64；接收線框的面積：31.4m2；同步模式：同步電纜；重復頻率：選擇30門，可以在5個不同重復頻率下工作，采樣最小頻率為25Hz；增益：本次增益選擇6檔；噪音：儀器自動檢測井下噪音，進行濾波；發(fā)射電流：2.0A左右；關斷時間：200μs；測量裝置類型：偶極測量裝置，發(fā)射線框與接收線框的距離為10m。

3 瞬變電磁數(shù)據(jù)的處理

我們進行資料解釋時需要的是視電阻率、視深度等參數(shù)，而瞬變電磁法觀測到的數(shù)據(jù)是各測點各測道的瞬變感應電壓，需要按圖1步驟進行轉換。

利用下面的公式計算視電阻率、視電導率及視深度等參數(shù)。視電阻率計算公式為：

式中t為時窗時間，m為發(fā)射磁矩，q為接收線圈的有效面積，V（t）是感應電壓?？v向視電導Sτ和視深度hτ的計算表達式為：

式中V（t）/I是歸一化感應電壓，A為發(fā)射回線面積，d（V（t）/I）/dt是歸一化感應電壓對時間的導數(shù)。

4 瞬變電磁數(shù)據(jù)的解釋

4.1 3306上順槽頂板巖層含水性

從附圖2中TEM電阻率變化特征可以看出，整個斷面電阻率較高，從橫向看：電阻率變化呈現(xiàn)從低突變到高，電阻率最低20Ω·m，最大在1800Ω·m左右，分析為巖層富水性橫向分布不均一。從縱向看（頂板上方向）：電阻率變化整體呈現(xiàn)從高到低變化，說明遠離頂板80米左右砂巖層相對富水。

結合地質(zhì)資料，煤層頂板含水層主要為煤系頂板的砂巖。在樁號0～90米深度在45米左右電阻率相對較低，含水性相對較強，推斷為斷層破碎引起，為強富水區(qū)。在樁號140～440米，距離頂板80～90米電阻率呈現(xiàn)相對低阻，推斷該段砂巖為中等富水區(qū)。

綜合分析，對開采有影響的含水區(qū)為樁號50～85，深度15～50米，形態(tài)為向大號方向傾的條帶形區(qū)域，應引起足夠重視。

4.2 3306下順槽頂板巖層含水性

圖3中TEM電阻率變化特征可以看出，從整體看電阻率變化較圖2低，從橫向看：電阻率變化呈現(xiàn)從高到低，分析為巖層富水性橫向分布不均一。從縱向看（頂板上方向）：電阻率變化整體呈現(xiàn)各向異性，說明頂板不同深度砂巖層的富水性不均一。結合地質(zhì)資料，煤層頂板含水層主要為煤系頂板的砂巖。樁號90測點往大號方向電阻率在100Ω·m左右，為中等富水區(qū)，特別在樁號130～210米，深度在65米左右電阻率相對較低，含水性相對較強，推斷為斷層破碎引起，為強富水區(qū)。綜合分析，對開采有影響的含水區(qū)為樁號130～210米，深度60～70米，在開采過程中應引起足夠重視。

5 結束語

瞬變電磁法探測巖層含水性是一種相對探測技術，低阻異常的大小與巖層的含水性很難有定量對應關系，主要是相對定性關系。由于井下的鐵器、電纜、積水等干擾，對異常較大的地質(zhì)體，鉆探驗證可能是含水性強，也可能是含水性弱或不含水。但有一點可以肯定，即是異常較大的地質(zhì)體的含水性是比異常較小的地質(zhì)體的含水性強。因此，勘探完成之后，一定要進行必要的鉆探工程驗證。

勘查實踐表明，具有對低阻敏感的瞬變電磁法在探測煤層頂板富水性中有一定的優(yōu)越性，并且得到的數(shù)據(jù)比較精確，可信度較高，鉆孔數(shù)據(jù)也驗證了這一觀點。但在井下勘探中，一定要選取適當?shù)膮?shù)，利用瞬變電磁法獲取井下頂板的電性信息，確保煤礦的安全開采。

參考文獻

[1]薛國強.瞬變電磁法理論與應用研究進展[J].地球物理學進展，2007（4）：1195-1200

[2]李富.礦井瞬變電磁法在煤礦陷落區(qū)探測中的應用[J].煤礦安全，2013（4）：155-157

[3]李金銘.地電場與電法勘探[M].北京：地質(zhì)出版社，2005.

作者簡介：訾憲印（1991-），男，山東泰安人，山東科技大學碩士研究生，研究方向為地球物理勘探。