掘進(jìn)巷道水害井下瞬變電磁超前探測

高俊東++頓會東++程潤雨++王向陽

[摘 要]瞬變電磁法是礦井防治水害的主要技術(shù)手段之一，本文介紹了瞬變電磁法的基本原理和該方法在巷道超前探測上的方法技術(shù)，論述了礦井瞬變電磁技術(shù)在探測巷道掘進(jìn)頭前方水的有效性，并結(jié)合實例證明該方法可以準(zhǔn)確反映巷道前方地質(zhì)體的空間特征，為防治掘進(jìn)巷道水害提供了依據(jù)，很好地滿足礦井巷道超前探測預(yù)報的要求。

[關(guān)鍵詞]礦井瞬變電磁法；煤礦水害； 超前探測； 防治水

中圖分類號：R767 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）29-0224-02

0 前言

在煤礦開采過程中經(jīng)常會碰到一些較大的災(zāi)害性地質(zhì)構(gòu)造如斷層破裂帶、裂隙發(fā)育區(qū)、巖溶陷落柱及其伴生構(gòu)造等。不僅破壞了煤層的連續(xù)性，還可能誘發(fā)礦井突水、瓦斯突出、冒頂?shù)仁鹿式o煤礦的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。因此，超前預(yù)測巷道前方地質(zhì)構(gòu)造具有非常重要的意義，礦井瞬變電磁法是近年來發(fā)展起來的在煤礦井下巷道內(nèi)探查其周圍空間不同位置，不同形態(tài)含水構(gòu)造的礦井物探方法之一，其憑借體積效應(yīng)小、方向性強、分辨率高、對低阻區(qū)敏感等一些優(yōu)點，已成為煤礦水害探測的最佳選擇方法[1]。

傳統(tǒng)鉆探方法雖然準(zhǔn)確，但其效率低、成本高、很難圈定富水區(qū)范圍，并且具有很強的盲目性，而礦井瞬變電磁超前探測可以高效、準(zhǔn)確地探測巷道迎頭前方賦水狀態(tài)，可以提高煤礦生產(chǎn)效率，縮短巷道掘進(jìn)所花費的時間，節(jié)約成本。根據(jù)礦井巷道復(fù)雜的探查環(huán)境，選擇礦井瞬變電磁法進(jìn)行超前探查，實踐表明，礦井瞬變電磁法對掘進(jìn)巷道前方構(gòu)造具有較好的探查效果[2-3]。

1 地質(zhì)-地球物理特征

從電性上分析不同地層的電性分布規(guī)律為：煤層電阻率值相對較高，砂巖次之，粘土巖類最低。由于煤系地層的沉積序列比較清晰，在原生地層狀態(tài)下，其導(dǎo)電性特征在縱向上固定的變化規(guī)律，而在橫向上相對比較均一。當(dāng)存在構(gòu)造破碎帶時，如果構(gòu)造不含水，則其導(dǎo)電性較差，局部電阻率值增高；如果構(gòu)造含水，由于其導(dǎo)電性好，相當(dāng)于存在局部低電阻率值地質(zhì)體。

綜上所述，當(dāng)斷層、裂隙和陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育時，無論其含水與否，都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規(guī)律。這種變化規(guī)律的存在，為以巖石導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ)的礦井瞬變電磁法探測提供了良好的地質(zhì)條件[4]。

2 礦井瞬變電磁原理

瞬變電磁法或稱時間域電磁法（Time domain electromagnetic methods），簡稱TEM，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖電磁場，在一次脈沖電磁場間歇期間，利用不接地線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。其基本工作方法是：于地面或井下設(shè)置通以一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時間衰減。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。

研究結(jié)果表明，任一時刻地下渦旋電流在地表產(chǎn)生的磁場可以等效為一個水平環(huán)狀線電流的磁場。在發(fā)射電流剛關(guān)斷時，該環(huán)狀線電流緊挨發(fā)射回線，與發(fā)射回線具有相同的形狀。隨著時間推移，該電流環(huán)向下、向外擴散，并逐漸變形為圓電流環(huán)。等效電流環(huán)象從發(fā)射回線中“吹”出來的一系列“煙圈”，因此，人們將地下渦旋電流向下、向外擴散的過程形象地稱為“煙圈效應(yīng)”（如圖1所示）。

“煙圈”的半徑r、深度d的表達(dá)式分別為：

（1）

（2）

式中a為發(fā)射線圈半徑，。當(dāng)發(fā)射線圈半徑相對于“煙圈”半徑很小時，可得，故“煙圈”將沿47度傾斜錐面擴散（如圖1），

從“煙圈效應(yīng)”的觀點看，早期瞬變電磁場是由近地表的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反映淺部電性分布；晚期瞬變電磁場隨時間的變化規(guī)律，可以探測大地電性的垂向變化。

3 施工技術(shù)及測點布置

超前探測主要是在掘進(jìn)巷道迎頭利用直接或間接的方法向巷道掘進(jìn)方向進(jìn)行探測，探測前方是否存在地質(zhì)構(gòu)造或富水體及導(dǎo)水通道，為巷道的安全掘進(jìn)提供詳細(xì)的地質(zhì)資料。

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(cè)開始，首先使發(fā)射、接收天線的法線垂直巷道左側(cè)面進(jìn)行測量，然后旋轉(zhuǎn)天線，使天線的法線方向與巷道的左側(cè)形成一定夾角進(jìn)行探測；當(dāng)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1～2個測點；到巷道迎頭右側(cè)時再旋轉(zhuǎn)天線，使法線方向與巷道右側(cè)形成一定夾角進(jìn)行探測，同時調(diào)整天線的法線與巷道底板的夾角大小，以探測巷道頂板、順層和底板方向的圍巖變化情況，其探測方向如圖2所示，測點間距2～5m，共布置個物理點，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。

4 應(yīng)用實例

圖3為迎頭位置礦井瞬變電磁超前探測（TEM）視電阻率擬斷面圖：橫坐標(biāo)在0～150之間對應(yīng)巷道左側(cè)幫，150～250之間對應(yīng)巷道迎頭位置，250～400之間對應(yīng)巷道右側(cè)幫，縱坐標(biāo)為沿探測方向距離，單位均為m。左圖為向頂板方向探測結(jié)果，中圖為順巷道掘進(jìn)方向探測結(jié)果，右圖為向前方底板探測結(jié)果。根據(jù)TEM視電阻率擬斷面圖，綜合地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，可確定橫向、水平深度和垂向深度電性變化情況。

分析頂板探測結(jié)果中視電阻率等值線變化規(guī)律可以看出，縱坐標(biāo)小于40m、橫坐標(biāo)在0～40范圍，對應(yīng)迎頭前方及兩側(cè)幫頂板范圍，視電阻率等值線橫向變化差異小，等值線分布均勻，橫向基本呈平行分布，等值線數(shù)值大于，為明顯高阻反映，說明迎頭頂板對應(yīng)探測范圍內(nèi)賦水性弱。橫坐標(biāo)在0～10之間和25～40之間位置、縱坐標(biāo)在40～125m之間范圍，對應(yīng)迎頭位置左右兩側(cè)幫頂板，視電阻率等值線橫向變化差異大，縱向變化小，視電阻率等值線值在左右。橫坐標(biāo)在15～25之間、縱坐標(biāo)在40～95m之間范圍，視電阻率等值線橫向變化差異大，視電阻率等值線值小于，比兩測幫低，為明顯低阻異常反映，說明迎頭前方頂板對應(yīng)探測范圍局部賦水性較強，縱坐標(biāo)在95～125m之間，等值線數(shù)值大于，說明頂板對應(yīng)探測范圍賦水性較弱。endprint

分析順掘進(jìn)方向探測結(jié)果中視電阻率等值線變化規(guī)律可以看出，縱坐標(biāo)小于35m、橫坐標(biāo)在0～40范圍，等值線數(shù)值大于，為明顯高阻反映，說明迎頭前方對應(yīng)探測范圍內(nèi)賦水性弱?？v坐標(biāo)在35～70m之間，等值線橫向變化較大，等值線數(shù)值小于，為相對低阻異常反映，特別是右側(cè)幫反映最明顯，說明迎頭右側(cè)幫對應(yīng)探測范圍局部賦水裂隙發(fā)育。分析視電阻率等值線沿探測方向變化特征，縱坐標(biāo)在35m左右位置，等值線出現(xiàn)明顯扭曲現(xiàn)象，等值線數(shù)值由高阻突然減小到低阻，為構(gòu)造發(fā)育反映，局部賦水裂隙發(fā)育。

分析向底板探測結(jié)果，縱坐標(biāo)小于35m、橫坐標(biāo)在0～40范圍等值線數(shù)值大于，為明顯高阻反映，說明迎頭前方底板對應(yīng)探測范圍內(nèi)賦水性弱?？v坐標(biāo)在35～70m之間，等值線橫向變化較大，等值線數(shù)值小于，為相對低阻異常反映，特別是右測幫底板反映最明顯，迎頭右側(cè)幫底板對應(yīng)探測范圍局部賦水裂隙發(fā)育。分析視電阻率等值線沿探測方向變化特征，縱坐標(biāo)在35m左右位置等值線出現(xiàn)明顯扭曲現(xiàn)象，等值線數(shù)值由高阻突然減小到低阻，同樣為為構(gòu)造發(fā)育反映，與順層方向探測有聯(lián)系，局部賦水裂隙發(fā)育。

綜合礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)資料分析，得出如下結(jié)論：迎頭位置側(cè)幫外30m左右位置構(gòu)造發(fā)育，前方25～45m之間、頂板上15～35m之間局部富水裂隙發(fā)育，底板賦水性相對弱。

5 結(jié)論

通過研究以及實例展示，可以看出瞬變電磁法探測深度相對較大、施工方便、工作效率高及地質(zhì)效果好，能夠適應(yīng)目前礦井水文地質(zhì)勘探工作要求。礦井瞬變電磁法在井下巷道超前探測方面具有很多優(yōu)點，特別是可以在狹小的巷道迎頭空間中工作和數(shù)據(jù)采集效率高，不影響煤礦巷道的正常掘進(jìn)，是其它方法所不具備的，該方法可有效地預(yù)測巷道掘進(jìn)迎頭前方的含水異常，可提前預(yù)報前方斷層及破碎帶、裂隙發(fā)育區(qū)、巖溶、陷落柱等構(gòu)造的賦水性，保障了巷道的安全、快速掘進(jìn)，但是我們也應(yīng)看到，要實現(xiàn)瞬變電磁法在這個領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，還需要一段過程，這就需要我們對瞬變電磁法的理論和資料處理進(jìn)行更深入的研究和探索，從而更好地為礦井水文地質(zhì)勘探工作服務(wù)。

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