瞬變電磁法在煤礦巷道超前探測中的應用

摘要：煤礦巷道掘進過程中或工作面掘進過程中的地質(zhì)水文超前預報關(guān)系到煤礦采掘工程的安全質(zhì)量。研究瞬變電磁法超前探測的工作原理、施工方法以及布置方式，并將其應用到煤礦的超前探測中，可以為礦井防治水害提供依據(jù)。以河北某煤礦巷道超前探測為例，介紹了瞬變電磁法在巷道超前探測中應用及效果。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁法;巷道迎頭;超前探測;電阻率

中圖分類號：P631.325文獻標識碼：?A文章編號：1671-2064（2019）16-0000-00

0 引言

在煤礦生產(chǎn)中最大的安全隱患是施工巷道前方遇到隱伏的含水、導水等不良地質(zhì)構(gòu)造，為了排除水災害隱患，通常是在巷道迎頭進行打鉆作業(yè)。雖然此方法的精準度較高，可是卻費工費時，還圈不出具體的富水區(qū)范圍，有很大的盲目性。瞬變電磁法是近幾年新興起的一種勘探手段，已經(jīng)廣泛地應用于礦井生產(chǎn)中。由于此種方法觀測的是二次場，可近距離觀測，能靈敏地探測到低阻含水體、體積效應小、縱橫向分辨率高，且施工便捷、效率高等優(yōu)點，可有效地探測到巷道周圍100m范圍內(nèi)的賦水情況。從而提高煤礦安全生產(chǎn)效率，縮短巷道掘進所花費時間，節(jié)約成本。實踐結(jié)果得出，礦井瞬變電磁法能較好地探查出巷道前方的隱伏富水構(gòu)造。

1 基本原理

瞬變電磁法是基于電磁感應原理，據(jù)此理論，礦井瞬變電磁法采用發(fā)射和接收兩個線圈。探測方向定為發(fā)射線圈平面的法線方向。在探測時要將線圈的法線方向正對巷道中待測的目標體，位置固定以后在發(fā)射線圈中通入階躍電流，而后瞬間關(guān)斷，發(fā)射回線中因電流突然變化而在其周圍產(chǎn)生磁場。該磁場稱作一次磁場，當其在傳播途中遇到導電良好的地質(zhì)體時，就會在其內(nèi)部激發(fā)感應電流，又稱作渦流或二次電流。由于導電地質(zhì)體是非線性的，所以脈沖電流從峰值躍變到零，一次磁場立即消失，而渦流并不立即消失，在巷道圍巖中激發(fā)了以發(fā)射線圈法線方向為中心的渦旋感應電流場。在切斷電流后的任意晚期時間里，感應渦流呈多個層殼的環(huán)帶狀，隨著時間的延長，渦流場將向前及向外擴散，并逐漸變形為圓電流環(huán)。等效電流環(huán)表現(xiàn)為一系列與發(fā)送線圈同形狀的電流環(huán)，通常稱之為“煙圈”（如圖1所示）。因此，這種渦流瞬變過程，在空間形成相應的瞬變磁場，又稱為二次磁場。依據(jù)接收瞬變電磁場隨時間變化的規(guī)律，可探測出巷道前方巖層的電性變化與空間分布形態(tài)，實現(xiàn)超前探測的目的。

2 施工方法技術(shù)

井下瞬變電磁法基本上是由地面移植至井下，受井下測量環(huán)境的限制，相應的施工方法和測量參數(shù)需進行一定的改進。由于井下巷道超前探測過程處于全封閉空間中，并且井下巷道寬度有限，因此只能選擇邊長小于3m的小線圈。采用小線圈測量，點距更密，可降低體積效應，提高勘探的橫向分辨率。另外，通過井下具體實驗，回線匝數(shù)、時間序列、疊加次數(shù)、抑制系數(shù)等測量參數(shù)也需要合理選擇，具體的參數(shù)設(shè)置依不同地域和地質(zhì)條件來設(shè)定。

在井下巷道進行瞬變電磁法超前探測時，需要清理掉巷道迎頭的雜物，巷道高度不得低于2m，保證距離巷道迎頭5m范圍內(nèi)無較大的金屬體 （如掘進機械等），盡可能創(chuàng)造一個理想的探測環(huán)境。在巷道迎頭布置測點時，需要從右側(cè)開始，首先將天線法線垂直于巷道右側(cè)面進行測量，之后旋轉(zhuǎn)天線，確保天線的法線方向與巷道右側(cè)面的夾角以15°遞增;當天線旋轉(zhuǎn)至巷道的正面時，依據(jù)斷面的寬度來布置2～3測點;當天線再旋轉(zhuǎn)至巷道迎頭左側(cè)時，再將天線的法線方向與巷道右側(cè)面的夾角以15°遞增（如圖2所示）。這樣就能從不同的方位采集數(shù)據(jù)，進而將整個前方空間的信息都覆蓋進去。

在井下施工過程中，可以通過調(diào)整線圈與巷道頂、底板之間的角度改變線圈法線的指向，獲取不同方向上的地電信息。如果遇到特殊異常區(qū)段，可以適當?shù)乜s短點距、加密探測。探測示意圖如圖3所示。

3 應用實例

河北某礦井田為廣闊平原，被第四紀沖積層所掩覆，位于開平向斜東南翼南段。該礦12#煤層位于上石炭統(tǒng)趙各莊組中部，層傾角14°，復雜結(jié)構(gòu)中厚煤層、平均厚度為2.5米。綜合所有水文資料分析，該礦井定性為水文條件極復雜礦井，發(fā)育有14個陷落柱，并且各煤層間有直接充水的含水層。2022工作面位于5～12煤層間砂巖裂隙承壓含水層與12～14煤層間砂巖裂隙承壓含水層這兩個含水層中，并且可能接受下部唐山組灰?guī)r含水層的補給。所以，巷道掘進過程中受采動影響會出現(xiàn)大面積涌水。為了確保巷道掘進的安全性，對2022風道采用邊探邊掘法，就是利用瞬變電磁技術(shù)來查明煤層頂板、順層、及底板的賦水性。

本次勘探使用YCS40礦用瞬變電磁測深儀，采用多匝重疊小回線裝置，天線為2m×2m矩形線框，發(fā)射線圈10匝，接收線圈20匝，疊加次數(shù)64次，抑制系數(shù)1。為了查明前方含水情況，分三個方向進行探測，分別為向上30°（煤層頂板方向）、向下30°（煤層底板方向）、水平（順煤層方向），每一個探測方向布置14個測點（如圖2所示）。

三個方向探測結(jié)果顯示（如圖4所示），排除15米左右盲區(qū)，前方40～100m存在著較大范圍低阻異常區(qū)。根據(jù)以往探測結(jié)果和驗證情況分析，同時結(jié)合已知地質(zhì)資料，推測頂板方向異常區(qū)是由上覆采空區(qū)積水影響，無明顯的賦含水構(gòu)造存在;推測底板方向異常區(qū)范圍為12煤層底板強富水區(qū)，未有直接導通深部灰?guī)r含水層的通道。為了驗證煤層底板的低阻異常區(qū)，在2022風道迎頭位置布置超前鉆孔，專門向低阻異常區(qū)鉆進，當鉆進至底板70米時鉆孔出水，水量較大，很好地驗證了瞬變電磁超前探測結(jié)果。

4 結(jié)語

通過實例，可以看出瞬變電磁法超前探測能夠適應目前礦井水文地質(zhì)勘探工作要求。該方法可以有效地預測巷道掘進迎頭前方的含水異常區(qū)，能準確確定異常區(qū)的位置，同時工作效率高，施工簡單。應用該技術(shù)很大程度上保障了巷道的安全、快速掘進，但是需要較長的時間來關(guān)斷發(fā)射電流，導致近距離內(nèi)存有探測盲區(qū)，同時井下探測時存有很多的干擾因素。要想在礦產(chǎn)領(lǐng)域能夠成熟地應用瞬變電磁法，還需要不斷地創(chuàng)新和完善。期望以后能夠?qū)λ沧冸姶欧ɡ碚撆c資料處理展開深入地探究，進而更好地服務(wù)于礦井水文地質(zhì)勘探。

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收稿日期：2019-07-05

作者簡介：郜宏偉（1984—），男，山西高平人，本科，地質(zhì)工程師，主要從事煤礦井下物探工作。