瞬變電磁法在采空積水區(qū)響應(yīng)特征分析及應(yīng)用

馬志超，崔金亮，張 林，刑 凱

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 010000；2.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006）

瞬變電磁法在采空積水區(qū)響應(yīng)特征分析及應(yīng)用

馬志超1,2，崔金亮1,2，張 林1,2，刑 凱2

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 010000；2.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006）

在煤礦巷道掘進(jìn)過程中，瞬變電磁法對低阻含水體具有反應(yīng)敏感的特點(diǎn)，它可以用來探查迎頭前方是否存在水害威脅，并做實(shí)時預(yù)測預(yù)警，排除礦井安全生產(chǎn)的隱患。本文以山西晉煤集團(tuán)天安昌都煤礦為例，采用瞬變電磁法對巷道迎頭進(jìn)行超前探測，對電阻率響應(yīng)特征進(jìn)行分析，并經(jīng)過鉆探驗(yàn)證，有效地探測了富水區(qū)，其探測成果為礦井水害防治措施的制定提供了可靠依據(jù)。

瞬變電磁法；低阻體；煙圈效應(yīng)；富水異常區(qū)

機(jī)械化采煤是社會發(fā)展的必然結(jié)果，它有助于提高煤炭的產(chǎn)量，保證工作人員的人身安全。但是，在煤礦開采生產(chǎn)中，一些采空區(qū)積水往往給煤礦帶來生命和財(cái)物上的雙重威脅。所以，超前預(yù)報(bào)巷道前方的地質(zhì)異常體，預(yù)防水害，這對于保障礦井生產(chǎn)安全具有重要的作用。

瞬變電磁法對于低阻體具有反應(yīng)敏感的特征，近幾年礦山將其用于井下水文勘查。瞬變電磁法是一種具有很大發(fā)展前景的方法，可探測含水的地質(zhì)異常體，如斷裂構(gòu)造、煤礦采空區(qū)、陷落柱等。在高阻區(qū)域?qū)ふ业妥璧刭|(zhì)體時，瞬變電磁法探測是最敏感的方法之一，它無需人工手動消除主要噪聲源，無需校正地形影響，勘探目標(biāo)可以同一地點(diǎn)多組觀段與之產(chǎn)生最佳耦合，具有異常感應(yīng)顯著、形態(tài)單一和辨別功能突出等優(yōu)點(diǎn)[1]。

1 瞬變電磁法原理及數(shù)據(jù)處理流程

1.1 瞬變電磁法探測原理

瞬變電磁法是使用接地裝置或不接地回線向巖層發(fā)射一次脈沖電磁場，在一次場斷電后使用接地裝置或不接地回線框觀段巖層中的二次感應(yīng)渦流場，來勘探巖層電阻率的方法，原理類似于電磁感應(yīng)定律。在測區(qū)激發(fā)電磁場后斷電，使巖層中產(chǎn)生感應(yīng)電場，再利用裝置接收信號。巖層中的感應(yīng)電流隨時間遞減，可分為早、中、晚三個時期，早期頻率衰減快，勘探深度小，而晚期頻率衰減緩，勘探深度大。通過提取不同時期的數(shù)據(jù)，人們可以得到不同深度的信息[2-4]。

1.2 數(shù)據(jù)處理流程

礦井瞬變電磁法處理系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)處理與解釋于一體的井下瞬變電磁法勘探測量數(shù)據(jù)的操作平臺，礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)處理解釋工具具有簡明、直觀的特點(diǎn)，將文件管理、數(shù)據(jù)處理、資料解釋、圖形繪制多功能集于一體，為技術(shù)人員提供了簡單便捷的數(shù)據(jù)處理工具。瞬變電磁法探測數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

2 礦井瞬變電磁現(xiàn)場施工方法

根據(jù)勘查任務(wù)的需求和巷道條件的實(shí)際情況，此次瞬變電磁法使用的是礦用本安型瞬變電磁儀，發(fā)射電流≤3.2 A，發(fā)射頻率25 Hz；發(fā)射電壓8.4 V，疊加次數(shù)36次，測道數(shù)160道，采樣間隔2 us，選用2 m×2 m的矩形多匝數(shù)回線裝置進(jìn)行探測。根據(jù)勘查任務(wù)需求，選用多匝數(shù)線框，將線框不同角度擺放于巷道，并靠近地質(zhì)異常所在側(cè)幫進(jìn)行勘查。發(fā)射線框與接收線框是兩個匝數(shù)不等、并整體分開的兩個獨(dú)立線框，達(dá)到與地質(zhì)異常體產(chǎn)生最佳偶合響應(yīng)。由于觀段時間、線圈的互感影響，探測前方會產(chǎn)生20 m左右的勘探盲區(qū)。

礦井瞬變電磁法超前探測設(shè)計(jì)4個方向（見圖2），采用3個橫向勘查方向和1個縱向勘查方向。3個橫向分別為頂板45°、順層0°、底板45°。頂板45°方向：線框與巷道頂板呈45°夾角朝前方頂板探測；順層方向：線框平行于迎頭方向朝前方探測；底板45°方向：線框與巷道底板呈45°夾角朝前方底板探測。3個橫向勘查方向布置橫向探測角度14個（見圖3（a）），分別是左側(cè)幫（180°、165°、150°、135°、120°、105°）、正前方（90°、90°）、右側(cè)幫（0°、15°、30°、45°、60°、75°），3個橫向探測方向共布置42個探測角度；縱向探測方向布置13個探測角度（見圖3（b）），分別是頂板（90°、75°、60°、45°、30°、15°）、正前方（0°）、底板（-15°、-30°、-45°、-60°、-75°、-90°）。4個探測方向共計(jì)55個測點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖2 瞬變電磁法探測方向示意圖

圖3 瞬變電磁法探測角度示意圖

3 應(yīng)用實(shí)例及分析

3.1 概況

井田位于沁水煤田東南部。井田內(nèi)為新生界黃土廣泛覆蓋區(qū)，覆蓋有新生界第四系中、上更新統(tǒng)，全新統(tǒng)，無基巖出露。下伏地層二疊系下統(tǒng)山西組、石炭系上統(tǒng)太原組和中統(tǒng)本溪組、奧陶系中統(tǒng)峰峰組地層。奧陶系中統(tǒng)峰峰組以石灰?guī)r夾泥灰?guī)r為主，含方解石脈，泥灰?guī)r厚度比較大。石炭系中統(tǒng)本溪組為一套海陸交互相沉積，主要由鐵鋁巖、鋁土質(zhì)泥巖及薄層砂質(zhì)泥巖組成。石炭系上統(tǒng)太原組是本區(qū)主要含煤地層之一，為一套海陸交互相沉積，主要由泥巖、砂巖、石灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖及煤層組成，中間夾有多層石灰?guī)r。二疊系下統(tǒng)山西組，該組地層以K7砂巖底界到K8砂巖底止，主要由灰黑色粉砂巖、泥巖、石英細(xì)砂巖、粉砂巖、中粗粒長石石英砂巖和煤層組成，為一套陸相含煤沉積，是本區(qū)主要含煤地層之一。第四系區(qū)內(nèi)廣泛分布，由離石組淺紅色亞粘土和馬蘭組黃色砂土、亞粘土組成。

表1 頂?shù)装鍘r性特征

本次物探位置位于9#煤層9102回風(fēng)順槽開口以里172 m處，頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。測區(qū)南部、東部為采空塌陷區(qū)，北部區(qū)域?yàn)?101工作面。現(xiàn)場情況：巷道為錨桿、錨網(wǎng)支護(hù)，巷寬4.2 m、高2.3 m；機(jī)組退后15 m，少量淋水，少量浮煤。本次瞬變電磁探測距離100 m，前方20 m為探測盲區(qū)。

3.2 物性特征分析

在探測巷道前方水體賦存的位置及其分布范圍等方面，瞬變電磁法是直接有效的方法之一，其通過地下水使周圍巖石電性有明顯差異的物理特性。煤層中電阻率值一般較高，石灰?guī)r次于煤層，砂巖類最低。原理上講，巖石在不含水的情況下電阻率值較大，實(shí)際的地下巖石縫隙大部分情況下是含水的，并且?guī)r石的電阻率隨著含水飽和度的增長而下降，在瞬變電磁成果圖件上巖層富水性的不均勻程度會呈現(xiàn)為電阻率的高低變化；當(dāng)巖層完整時其電阻率較高，遇到部分地層巖石裂隙發(fā)育或破碎，含水的飽和度越大且破碎嚴(yán)重，巖石的電阻率會明顯下降，低阻異常區(qū)域在斷面圖上會有明顯反映。常態(tài)下在橫向上各層位電性相比較是平穩(wěn)的。局部有低阻異常區(qū)域（裂隙破碎帶、富水區(qū)等）存在時，斷面圖上會顯示出局部低電阻率異常區(qū)，巖層含水量較多時，其電阻率下降，與周圍巖性比較，形成直觀的低阻反映。瞬變電磁法探測技術(shù)是以導(dǎo)電性差別、電性感應(yīng)差別作為前提的地球物理特性的運(yùn)用。

3.3 物探成果資料解析

礦井瞬變電磁法超前探測視電阻率等值線擬斷面圖如圖4所示。

由圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）可以大體看出，橫坐標(biāo)0點(diǎn)位置對應(yīng)掘進(jìn)頭位置，縱坐標(biāo)軸為掘進(jìn)頭前方或頂?shù)装逖靥綔y方向的距離，橫坐標(biāo)軸負(fù)坐標(biāo)方向?qū)?yīng)掘進(jìn)頭位置左側(cè)幫，正坐標(biāo)方向?qū)?yīng)掘進(jìn)頭位置右側(cè)幫；圖4（d）中縱坐標(biāo)0點(diǎn)標(biāo)識位置對應(yīng)掘進(jìn)頭位置，縱坐標(biāo)軸負(fù)坐標(biāo)方向?qū)?yīng)掘進(jìn)頭位置底板方向，正坐標(biāo)方向?qū)?yīng)掘進(jìn)頭位置頂板方向，橫坐標(biāo)軸為掘進(jìn)頭前方沿探測方向的距離。圖中不同色標(biāo)表示不同的視電阻率值。

由圖4可知，視電阻率擬斷面圖顯示出探測區(qū)域的電性大致分布趨勢，數(shù)值越小表示該區(qū)域?qū)щ娦暂^好，視電阻率低相對顯示低阻異常。分析圖4可知，頂板、順層探測方向存在低阻異常區(qū)域，位于前方0°～160°，深度約在20 m之外，視電阻率≤25 Ω·m，等值線畸變明顯，呈低阻閉合圈分布。頂板、順層低阻異常位置大致吻合，視電阻率相對一致，且與縱剖面低阻異常區(qū)域基本相符，由此可以推斷低阻異常受采空水影響。

圖4 視電阻率擬斷面圖

3.4 鉆探驗(yàn)證情況

物探結(jié)果顯示，20 m之外存在低阻異常區(qū)域，對掘進(jìn)前方進(jìn)行超前探放水鉆孔設(shè)計(jì)（見圖5）。成扇形設(shè)計(jì)鉆孔5個，鉆孔參數(shù)如表2所示。

圖5 超前探放水鉆孔設(shè)計(jì)

由表2可以看出，施工1#孔，孔深27 m出水，出水量約為18 m3/h；施工2#孔，孔深26 m見空，出水量約為18m3/h；施工3#孔，孔深30 m見矸石，未見異常；施工4#孔，孔深28 m出水，出水量約為6m3/h；施工5#孔，孔深13.5 m見矸石，未見異常。經(jīng)探放水打鉆驗(yàn)證，前方存在采空積水區(qū)，如圖6所示。

表2 探放水鉆孔參數(shù)

圖6 探放水鉆孔施工圖與順層視電阻率擬斷面疊加圖

5 結(jié)語

通過實(shí)例可以看出，瞬變電磁法應(yīng)用于井下探測有著較好的表現(xiàn)，結(jié)合一些地質(zhì)資料，它可以有效地預(yù)測及確定巷道迎頭前方的低阻異常體，對前方富水性的破碎帶、陷落柱、采空區(qū)進(jìn)行提前預(yù)警，減少煤礦工人的人員傷亡，降低經(jīng)濟(jì)損失，保障巷道可以安全、快速地掘進(jìn)。此外，礦井瞬變電磁法根據(jù)成果圖可以直接有效地推斷低阻異常區(qū)域。鉆探結(jié)果表明，通過對瞬變電磁法的解析，人們探測出前方存在采空區(qū)積水，這說明超前瞬變電磁法探測具有可靠性。目前，瞬變電磁法井下超前探測還處于發(fā)展中，隨著理論的進(jìn)一步發(fā)展、儀器設(shè)備的進(jìn)一步完善，其在煤礦開采中將發(fā)揮越來越重要的作用。

1 馬永強(qiáng)，李永軍.瞬變電讀取法在煤礦構(gòu)造水害探測中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2010，（2）：89-91.

2 于景邨，劉志新，劉樹才，等.深部采場突水構(gòu)造礦井瞬變電磁法探查理論及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（8）：818-821.

3 湯金云，于景邨，王揚(yáng)州，等.礦井瞬變電磁噪聲特征及處理技術(shù)研究[J].能源技術(shù)與管理，2008，（1）：93-94.

4 王玉陽，姚 麗，韋 靜.基于HFSS的瞬變電磁法發(fā)射線圈參數(shù)的仿真分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，（5）：157-160.

Response Characteristics Analysis and Application of Transient Electromagnetic Method in Water Burst Area

Ma Zhichao1,2,Cui Jinliang1,2,Zhang Lin1,2,Xing Kai2
(1.Coal Science and Technology Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 010000,China; 2.Shanxi Jincheng Coal Mining Group Technology Research Institute Co.,Ltd.,Jincheng 048006,China)

Transient electromagnetic method is sensitive to low-resistivity water body during tunneling in coal mine.It can be used to detect whether there is threat of water damage ahead of head-on and make real-time prediction and warning to eliminate the hidden danger of mine safety production.Taking Tian'an Changdu coal mine in Shanxi Province as an example,transient electromagnetic method is used to detect the headway ahead of the roadway,and the resistivity response characteristics are analyzed.After drilling verification,the water-rich area is effectively detected and the detection result is mine Water hazard control measures to provide a reliable basis for the establishment.

transient electromagnetic method; low resistance body; smoke ring effect; abundant water-rich area

P631.325

A

1008-9500(2017)11-0135-04

2017-10-28

馬志超（1990-），男，山東平陰縣人，助理工程師，從事地球物理化學(xué)勘探工作。E-mail：253921041@qq.com