瞬變電磁儀在煤礦水文地質探測方面的應用研究

王衛(wèi)光

（陽泉煤業(yè)（集團）有限責任公司，山西陽泉 045000）

0 引言

煤礦突水是指在正常生產(chǎn)作業(yè)過程中突然發(fā)生的一定水量的涌出現(xiàn)象，通常會造成水災事故[1]。突水是制約煤礦高效安全生產(chǎn)的自然因素之一。隨著煤礦開采技術水平的提高，礦井開采深度持續(xù)增加，開采條件愈加復雜多變，突水、淹井等水害事故的發(fā)生愈加頻繁。水害事故破壞力強、突發(fā)性強、受井下工作環(huán)境的影響，容易造成群體傷害事件，給人民的生命和財產(chǎn)造成重大的損失。為此，做好煤礦水文地質探測工作意義重大。

1 水文地質探測技術

用于煤礦水文地質探測常見的技術手段有：礦井直流電法、無線電透視法、音頻電透視法、瑞利波法、礦井地質雷達、礦井瞬變電磁法、三極超前探、鉆探等[2]。無線電波透視法、音頻電透視法可用于探測采煤工作面內(nèi)的低阻地質異常體。瑞利波法和礦井地質雷達可運用在超前探測方面，其方位定向性好、精度準確，有效探測距離較小（30 m以下），不適應現(xiàn)代化開采進度要求。礦井直流電法、音頻電透視法都屬于體積勘探法，容易受體積效應因素影響，且這兩種方法方位性不好。音頻電透視法用于探測采煤工作面內(nèi)和煤層頂、底一定范圍內(nèi)的含水構造，但是受體積效應因素影響，不易定量，施工作業(yè)強度高、工作效率低下。礦井直流電法能用于探測底板、側幫和前方一定范圍內(nèi)的含水地質構造，但受體積效應因素影響，方位性較差，探測距離偏小，探測結構不大理想。鉆探，其探測范圍小、成本高、工期長，還存在因鉆孔失穩(wěn)或意外，造成孔口閥門失效，引發(fā)突水事故的風險，有時候鉆孔距離水體（如：老空水、巖溶水）只有幾米也不能探出。

礦井瞬變電磁法是當前應用范圍廣的一種電法勘探技術。此方法觀測的是二次場，能夠較為直觀的進行近區(qū)觀測（能夠使用重疊回線裝置），對低阻含水體特靈敏、不易受體積效應的影響、縱橫向分辨率高，而且施工作業(yè)方便、快捷、效率比較高。因此，在煤礦水文地質探測方面有很高的應用價值[3]。瞬變電磁法探測優(yōu)點：高定向性（方位性）、高分辨率、有效探測距離大、適應性強、易于施工、效率高。

2 煤礦瞬變電磁儀探測原理

瞬變電磁法原理為：采用不接地回線或者接地線源向探測地面發(fā)送一次場，在其存在有效時間內(nèi)，對地面下方介質的二次場測量電壓同時間變化關系。二次場的強弱、衰減速度同地下質體有一定的關系。通過對二次場衰減情況，辨別地下質體特征。

瞬變電磁法的工作方法是：通過巷道中發(fā)射線圈向四周空間產(chǎn)生的一次場，使得巖體產(chǎn)生一定的感應電流，當發(fā)射線圈斷電后，感應電流減弱，隨時間推移而減小。感應電場生成的二次場會向下、向外擴散。這一過程，電場、磁場交替生成，擴散速率與巖體電阻有關，不同時間擴散情況不同。衰減過程分三階段，即：早、中、晚階段。早期階段磁場類似高頻，衰減迅速，涉及深度范圍較?。煌砥陔A段磁場類似低頻，衰減緩慢，涉及深度范圍廣泛。二次磁場向遠處傳播通過接收回線進行觀測，經(jīng)過測量各時間段內(nèi)二次磁場隨著時間變化的響應情況，能夠得到不同深度的地電特性。

圖1 地下感應電流環(huán)帶分布圖

如圖1所示，電流中斷前，發(fā)射電流在周圍空間形成穩(wěn)定磁場。在t=0時，電流中斷，形成磁場瞬間消失。一次場的驟變通過周圍空氣、地面導電介質傳導至回線周邊，大地中生成感應磁場，以維持電流中斷前的磁場。受介質歐姆損耗，感應電流衰減很快，而減弱的磁場有形成微弱的渦流，此過程一直延續(xù)，直至能量損耗完畢。

3 地球物理相應特性

通過電性分析，可得出如下結論：煤炭電阻率較大，其次砂巖，粘土類最差。由于煤層形成時代久遠，其沉積序列清晰，其電性特征，縱向變化較為固定，橫向較平穩(wěn)。倘若探測區(qū)域構造沒有水源，該區(qū)域導電性能微弱，但是電阻率較大。倘若探測區(qū)域構造有水源存在，該區(qū)域具有良好的導電性能，而電阻率相對偏低。通常低電阻率地域形成的二次場較強，衰減速度緩慢；而高電阻率地域與之相反，從而辨別地下質體屬性。

4 煤礦瞬變電磁法特點

4.1 受巷道空間的影響

煤礦瞬變電磁法受礦井巷道斷面空間限制，只能采用邊長小于3 m的多匝回線裝置，通常采用邊長2 m的多匝回線裝置，測量勞動強度低、測量設備攜帶方便、工作效率高、成本低廉。

4.2 運用小規(guī)模的回線裝置

為確保測量數(shù)據(jù)的精確度，減小體積效應帶來的干擾因素和不良影響。應對措施：提高勘探分辨率，其中橫向分辨率較為突出，可在設置測量點時，在布設測量點時，控制點距，盡量使測點密集。

4.3 信噪比高

測量裝置位于巷道，距離異常體更近，有效提高信噪比。

4.4 探測深度較大

通常探測結果有效解釋可達到100 m左右。

4.5 探測范圍廣

在煤礦巷道進行探測時，線圈放置不同位置測量對象有所不同。探測底板水文地質情況時，只需把線圈放置在巷道底板即可；超前探測時，只需把線圈直立，框面和巷道掘進方向平行即可；探測工作面、頂板一定范圍水文地質情況時，只需讓線圈平行于巷道側幫即可。

5 注意事項

在礦井巷道進行瞬變電磁法探測時，需要依據(jù)實際情況和需要改變發(fā)射線圈和接收線圈角度進行連續(xù)性觀測，以獲得較好的測量結果。在煤礦巷道有效空間布置測量裝置時，線圈不能過大，可通過增加發(fā)射電流達到較大的探測范圍。但是受井下安全因素的影響，發(fā)射電流不能過大。

6 小結

運用瞬變電磁法能夠探測煤礦井下巷道迎頭前方、側前方、斜上、斜下等構造，測量方法簡便、施工便捷、實用性強，值得在煤礦水文地質探測方面進行推廣。

［1］黎勇，何松.瞬變電磁儀在礦山水文地質探測方面的應用［J］.大科技，2013（06）：205-206.

［2］游小鷹，謝如謙，劉賢龍.礦井瞬變電磁法在福建煤礦水害探測中的應用［J］.能源與環(huán)境，2012（04）：28-29+40.

［3］霍全明，王玉海，羅國平，等.瞬變電磁法在煤礦水害預測防治中的應用［M］.西安；西北工業(yè)大學出版社，1994.

［4］陳永新，李永軍，李小明.瞬變電磁法在礦井水害超前探測中的應用［J］.華北科技學院學報，2008（01）：17-20.