瞬變電磁法在礦井迎頭防水中的應(yīng)用

陳豪　高柱

摘 要：文章介紹了礦井瞬變電磁法的基本原理、井下施工方法，通過貴州A煤礦實(shí)例表明，礦井瞬變電磁法可有效圈定巷道掘進(jìn)前方可能存在的低阻異常，可對(duì)巷道前方20到100米范圍水害作出一定的超前探測(cè)，是一種有效的探測(cè)方法，可很好的為煤礦安全生產(chǎn)防治水工作提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁；礦井迎頭；防水應(yīng)用

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）25-0005-02

1 概述

煤炭作為我國(guó)最主要的能源支柱，推動(dòng)著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，但其結(jié)果導(dǎo)致淺部煤炭資源幾近消耗殆盡，開采由淺部向深部發(fā)展將成為今后的發(fā)展趨勢(shì)。在煤炭資源開采過程中，存在著煤礦水害、瓦斯等安全隱患，此外，貴州屬于典型的卡斯特地貌地區(qū)，地表落水洞、溶洞屢見不鮮，巖溶裂隙發(fā)育又分布極不均勻，因此煤礦水害問題在貴州顯得尤為重要。

由于開采深度的增加，運(yùn)用傳統(tǒng)的地表勘探方法不能很好的解決精度問題，所以礦井近距離探測(cè)成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[1]。利用礦井下各種巖石的電性差異，地球物理工作者研發(fā)了礦井瞬變電磁法設(shè)備，它可對(duì)礦井掘進(jìn)迎頭、頂板、底板和巷道兩側(cè)幫進(jìn)行全方位的探測(cè)，為煤礦預(yù)防水害提供了重要的參考依據(jù)。

2 基本原理

瞬變電磁法（簡(jiǎn)稱TEM），是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間利用線圈或接地電極觀測(cè)地下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場(chǎng)，從而探測(cè)介質(zhì)電阻率的一種方法[1]。

把大地理想化為均勻各相同性介質(zhì)，那么大地的導(dǎo)電率？滓、導(dǎo)磁率？滋也是一定的，在地面鋪設(shè)供有線階躍脈沖電流I（t）的發(fā)射回線，發(fā)射回線面積為S，其表達(dá)式：

當(dāng)t<0時(shí)，發(fā)射回線中供有電流I，根據(jù)電磁感應(yīng)原理可得，發(fā)射回線周圍形成一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)；在t=0時(shí)刻，突然關(guān)斷電流，那么由該電流感應(yīng)出的磁場(chǎng)也立刻消失，一次磁場(chǎng)從穩(wěn)定到突然消失的這一急劇變化又重新在大地中激勵(lì)出新的感應(yīng)電流，該電流的產(chǎn)生支撐了電流關(guān)斷之前形成的磁場(chǎng)，保證空間存在的磁場(chǎng)不會(huì)立即消失，由于地下介質(zhì)熱損耗的緣故，磁場(chǎng)能量會(huì)逐漸被消耗殆盡[2]。

礦井瞬變電磁法所運(yùn)用的基本基本原理、采集數(shù)據(jù)的裝置形式以及時(shí)間序列都遵循地面瞬變電磁法。由于井下環(huán)境的特殊性，地面瞬變電磁法接收的是半空間的二次場(chǎng)，而礦井瞬變電磁法在井下產(chǎn)生的二次場(chǎng)呈全空間分布（圖1）

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工區(qū)概況

貴州A煤礦為第四系黃土所覆蓋，其北東面河流二疊系中統(tǒng)茅口組灰?guī)r大面積出露，屬溶蝕-侵蝕性中山地貌，總體地勢(shì)南高北低，西高東低。地表水受季節(jié)性變化十分顯著，雨季暴漲，地表溝水會(huì)隨地裂縫及孔隙進(jìn)入煤礦，使煤礦涌水量增加。區(qū)域內(nèi)查明的斷層有四條，這些斷裂帶上雖未見有充水導(dǎo)水跡象，但已切穿含水層之間的水力聯(lián)系，各含水層地下水可能通過斷層裂隙滲入礦井，對(duì)深部礦床的充水構(gòu)成威脅。

3.2 施工方法

本次探測(cè)使用飛翼股份有限公司研發(fā)的YCS160礦用本安型瞬變電磁儀，該設(shè)備的發(fā)射、接收線圈為邊長(zhǎng)2.0米×2.0米的矩形線框，發(fā)射線圈為24匝、接收線圈為52匝，時(shí)間序列選擇中時(shí)間序列，時(shí)間脈寬選擇10ms，采用裝置類型為重疊回線，疊加次數(shù)選擇32次。

測(cè)點(diǎn)布置在迎頭位置，對(duì)于每個(gè)探測(cè)點(diǎn)，設(shè)計(jì)發(fā)射和接收線圈的法線與巷道順層、頂板和底板的夾角大小分別呈90°、135°和45°，以達(dá)到探測(cè)巷道順層（圖2a）、頂板（圖2b）和底板（圖2c）的圍巖變化情況的目的。共布置測(cè)點(diǎn)13個(gè)（圖3），每個(gè)點(diǎn)測(cè)3個(gè)方向，共13×3=39個(gè)數(shù)據(jù)。

3.3 結(jié)果分析

采集完整的前方信息后，利用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦井瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理與解釋系統(tǒng)，對(duì)所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、斷面文件處理、時(shí)深轉(zhuǎn)換處理、深度校正處理和超前探測(cè)等處理，得到礦井瞬變電磁法超前探測(cè)視電阻率等值線擬斷面圖（圖4）。圖4（a）為頂板探測(cè)結(jié)果，圖4（b）為順層探測(cè)結(jié)果，圖4（c）為底板探測(cè)結(jié)果。圖中橫坐標(biāo)0點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)巷道迎頭位置，縱坐標(biāo)軸為迎頭前方或頂?shù)装逖靥綔y(cè)方向的距離。圖中橫坐標(biāo)軸副坐標(biāo)方向?qū)?yīng)迎頭位置左側(cè)幫，正坐標(biāo)方向?qū)?yīng)迎頭位置右側(cè)幫。

圖4（a）中右側(cè)幫約30°～50°之間范圍，距離巷道40m左右有一相對(duì)低阻異常帶，結(jié)合視電阻率數(shù)值和已有地質(zhì)資料初步判斷該處可能為地質(zhì)破碎帶。圖4（b）中，巷道迎頭視電阻率值左右基本對(duì)稱，由于巷道兩側(cè)支護(hù)皆為金屬鋼鐵，左右側(cè)幫出現(xiàn)相對(duì)低阻異常帶，隨著深度的加深，順層方向的視電阻率曲線逐漸趨于正常，在右側(cè)幫約80°～90°之間范圍、距離迎頭70m左右有一相對(duì)低阻異常區(qū)，結(jié)合視電阻率數(shù)值認(rèn)為該處地理位置可能表現(xiàn)為裂隙帶巖體潮濕導(dǎo)水所致，后期礦方布置鉆孔驗(yàn)證，在鉆到62米時(shí)看到了出水現(xiàn)象，探測(cè)結(jié)果得到了驗(yàn)證。圖4（c）底板巖層基本穩(wěn)定、完整，不存在明顯低阻異常。

4 結(jié)束語

通過本次瞬變電磁法在礦井防水中的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該方法配合儀器設(shè)備能較好的對(duì)巷道前方20到100米范圍水害作出一定的超前探測(cè)，且探測(cè)結(jié)果可靠，對(duì)煤炭資源的安全開采具有重要意義。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于儀器自身原因存在著探測(cè)盲區(qū)，而巷道內(nèi)鐵器支護(hù)也會(huì)對(duì)探測(cè)結(jié)果造成干擾和影響，故在方法應(yīng)用上，存在的技術(shù)問題需要繼續(xù)研究和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]常杰.瞬變電磁法巷道超前探測(cè)[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，8（3）.

[2]于景 .礦井瞬變電磁法勘探[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[3]劉白宙.井下瞬變電磁技術(shù)在探測(cè)煤礦老空水方面的應(yīng)用[J].地震地質(zhì)，2007，29（3）.

[4]王啟軍，林向東，等.礦井瞬變電磁法超前探測(cè)研究[J].吉林地質(zhì)，2009，28（2）.endprint