瞬變電磁技術(shù)在工作面底板探水中的應(yīng)用分析

李云飛

摘要：作為煤礦安全生產(chǎn)工程的重要組成部分，防治水工作向來受到煤礦業(yè)界重視，近年來相關(guān)研究的大量涌現(xiàn)也能夠證明其重要性?；诖?，本文將簡單介紹瞬變電磁技術(shù)及其在煤礦防治水中的應(yīng)用方法，并深入探討工作面底板探水中瞬變電磁技術(shù)的具體應(yīng)用，希望研究內(nèi)容能夠給相關(guān)從業(yè)人員以啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁技術(shù)；工作面底板探水；富水區(qū)；煤礦防治水

1.前言

瞬變電磁技術(shù)屬于一種時(shí)間域的人工源地球物理探測方法，具備探測速度快、便捷易操作、分辨率高、探測深度大、探測效果好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢。為保證瞬變電磁技術(shù)較好服務(wù)于煤礦防治水工作，保證煤礦生產(chǎn)安全，正是本文圍繞瞬變電磁技術(shù)在工作面底板探水中應(yīng)用開展具體研究的原因所在。

2.瞬變電磁技術(shù)及其在煤礦防治水中的應(yīng)用方法

2.1基本原理

瞬變電磁技術(shù)簡稱TEM，該技術(shù)能夠利用不接地回線或接地電源線向地下發(fā)射不同頻率的脈沖電磁場，在脈沖電磁場下降時(shí)，一次感應(yīng)渦流場（一次場）信號(hào)將隨之發(fā)生變化，同時(shí)一次場信號(hào)會(huì)向周圍空間擴(kuò)散，通過地下導(dǎo)電介質(zhì)的一次場會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的電磁場二次感應(yīng)渦流場（二次場），一次場、二次場屬于非穩(wěn)電磁場，源于電磁場影響地質(zhì)體產(chǎn)生的渦流，通過對(duì)隨時(shí)間變化產(chǎn)生的二次場信號(hào)規(guī)律，即可分析判斷地下巖層的導(dǎo)電性變化，地質(zhì)體的不均勻分布情況也能夠由此明確，瞬變電磁技術(shù)因此能夠通過探測辨別低阻異常地質(zhì)體。在高阻圍巖的低阻地質(zhì)體尋找探測中，瞬變電磁技術(shù)的靈敏度極高，且能有效提高探測深度，同時(shí)具備探測速度快、便捷易操作、分辨率高、探測深度大、探測效果好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢。但在瞬變電磁技術(shù)的具體應(yīng)用中，大鐵器和生產(chǎn)用電很可能對(duì)瞬變電磁儀的應(yīng)用造成影響，物探結(jié)果的可靠性可能降低，因此必須在全部關(guān)閉工作面生產(chǎn)用電后開展瞬變電磁勘探?；诘叵滤旧泶嬖诘奈镄圆町惢虻刭|(zhì)結(jié)構(gòu)，瞬變電磁技術(shù)可較好用于礦井防治水工作，如用于探查巖溶涌水通道、礦井充水水源、采空區(qū)等積水、不規(guī)則水體等地質(zhì)問題[1]。

2.2應(yīng)用方法

（1）超前測試工作原理。在煤礦防治水的瞬變電磁技術(shù)應(yīng)用中，超前測試需要向坑道工作面發(fā)送回線上供一個(gè)電流脈沖方波，以此開展具體測試。考慮到地層的瞬變電磁場傳播主要形式為擴(kuò)散形式，淺表附近主要集中高頻部分，傳播到坑道深處的較低頻部分擁有逐漸擴(kuò)大的分布范圍，圖1為全空間瞬變電磁場電流擴(kuò)散示意圖。

（2）超前探測布置及結(jié)果表達(dá)。瞬變電磁超前探測一般采用同心回線布置方式（基于邊長2m×2m的多匝小線框），以此適應(yīng)坑道空間條件限制，該方式可實(shí)現(xiàn)較為簡單的迎頭數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)階段主要存在扇形和形型兩種形式的觀測系統(tǒng)，具體的數(shù)據(jù)采集也可綜合應(yīng)用兩種形式。以U型觀測系統(tǒng)為例，原點(diǎn)多選擇巷道迎頭立面中心，數(shù)據(jù)采集沿巷道左幫、迎頭和右?guī)瓦M(jìn)行，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行3個(gè)方向的觀測，包括俯角45°底板方向、仰角45°頂板方向，并采用虛擬坐標(biāo)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以此依次排放3個(gè)方向數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)一電阻率剖面（左幫、順層、右?guī)停?，中間順層數(shù)據(jù)需在這一過程中得到重點(diǎn)關(guān)注，兩幫數(shù)據(jù)一般用于電性參數(shù)對(duì)比，巷道斷面寬度不等同于橫坐標(biāo)；在全方位觀測系統(tǒng)的應(yīng)用中，需結(jié)合扇形和U形兩種形式的觀測系統(tǒng)，以此對(duì)迎頭及左幫、右?guī)瓦M(jìn)行全方位采集，較大的數(shù)據(jù)采集量可為對(duì)比巷道迎頭空間數(shù)據(jù)提供便利，全面的地質(zhì)認(rèn)識(shí)也可更好獲得。在統(tǒng)一坐標(biāo)成圖時(shí)，數(shù)據(jù)校正需基于兩幫支護(hù)條件差異進(jìn)行，部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)稀少情況帶來的影響也不容忽視[3]。

（3）四斷面法超前探測布置。為保證煤礦防治水的瞬變電磁技術(shù)應(yīng)用能夠發(fā)揮更為優(yōu)秀的效果，需考慮測試范圍較大瞬變電磁超前常規(guī)布置存在的缺陷，如四周環(huán)境干擾影響較大、獲得數(shù)據(jù)存在問題，在判斷前方含水異常體空間范圍的過程中，3個(gè)斷面所能夠發(fā)揮的作用也較為有限。因此，可在坑道中心線位置增加測線，以此改進(jìn)測試系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集需要由此沿巷道頂板至底板方向逐點(diǎn)進(jìn)行，縱向垂直扇形剖面（坑道中心）可由此精準(zhǔn)獲得。由于主線為坑道中心線迎頭數(shù)據(jù)，測試條件差異、兩幫金屬物體干擾帶來的影響即可大幅降低，且能夠更好地判定異常體的空間范圍，迎頭全面的空間信息自然可順利獲取。以坑道豎直剖面數(shù)據(jù)采集為例，該測試可將線框上仰45°開展，以此逐步將一定角度降低，直至俯角45°，垂直扇形剖面即可順利獲得?；诒M量密集布控的數(shù)據(jù)采集可更好地服務(wù)于地質(zhì)解釋，而在四斷面法超前探測布置支持下，前方異常體水平位置判別由常規(guī)的3個(gè)剖面負(fù)責(zé)，前方異?？v向分布特征則能夠通過豎直剖面實(shí)現(xiàn)較高水平控制，結(jié)合某坑道掘進(jìn)中受水害威脅嚴(yán)重的大水礦井進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，四斷面法超前探測布置可基于瞬變電磁四斷面法進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，礦井防治水技術(shù)措施制定可由此獲得依據(jù)，可見瞬變電磁技術(shù)能夠更好地服務(wù)于煤礦防治水工作開展[4]。

3.工作面底板探水中瞬變電磁技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1工程概況

為提升研究的實(shí)踐價(jià)值，本文以某低瓦斯礦井作為研究對(duì)象，該煤礦主采10#和11#煤層，擁有中等的水文地質(zhì)條件。煤礦一盤區(qū)西側(cè)的1022工作面下鄰1042工作面（正在回采），上鄰1012工作面采空區(qū)，東鄰一盤區(qū)軌道上山保護(hù)煤柱，西鄰二盤區(qū)采區(qū)。1022工作面走向長、切眼長分別為684.7m、139.5m，煤層平均厚度、煤層厚度變化區(qū)間分別為3.6m、0.6m～8.6m。1022工作面存在底板太原組薄層灰?guī)r水及頂板砂巖裂隙水的直接充水水源，以及奧陶系灰?guī)r含水層、砂鍋窯砂巖含水層的間接充水水源。受發(fā)育不均的奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙影響，可能出現(xiàn)局部強(qiáng)富水，奧灰水突水可能性存在于構(gòu)造發(fā)育區(qū)段。隔水層變薄區(qū)或奧灰水嚴(yán)重向上導(dǎo)升區(qū)段可能突出隔水層，導(dǎo)致奧灰水直接向礦井充水或補(bǔ)給太原組灰?guī)r，水害事故可能因此發(fā)生。因此工程必須針對(duì)性治理奧陶系灰?guī)r富水區(qū)域和構(gòu)造區(qū)域，以此有效開展防治水工作。

3.2儀器選擇

為合理應(yīng)用瞬變電磁技術(shù)，工程針對(duì)性開展了儀器選擇，選用的瞬變電磁儀為礦用增強(qiáng)型，具體型號(hào)為TEM-47，由加拿大GEONICS公司生產(chǎn)。作為礦用防爆型電磁法物探儀器，礦用增強(qiáng)型TEM-47瞬變電磁儀可用于煤塵、瓦斯爆炸等井下危險(xiǎn)性環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)水層小構(gòu)造和富水異常區(qū)的探索，在電子信息技術(shù)支持下，礦用增強(qiáng)型TEM-47瞬變電磁儀的探測精度和抗干擾性均較強(qiáng)。礦用增強(qiáng)型TEM-47瞬變電磁儀由信號(hào)接收探頭、脈沖發(fā)射線圈、主機(jī)組成。主機(jī)部分包括信號(hào)接收機(jī)與脈沖發(fā)射機(jī)，可進(jìn)一步細(xì)分為FPGA控制部分、顯示屏、電源、發(fā)射器、控制機(jī)、轉(zhuǎn)換器，主要負(fù)責(zé)信號(hào)的采集、發(fā)射、接收，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息顯示和操作界面提供。儀器系統(tǒng)的主控平臺(tái)由工作控制機(jī)與FPGA組成，整個(gè)儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號(hào)接收、電磁信號(hào)發(fā)射、時(shí)間順序控制的信息實(shí)時(shí)顯示、同步數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)可由此實(shí)現(xiàn)；發(fā)射控板與發(fā)射線圈組成發(fā)射機(jī)部分，負(fù)責(zé)發(fā)射電磁脈沖波用于瞬變電磁勘探；數(shù)據(jù)接收采集系統(tǒng)由配套電路部分、信號(hào)接收探頭與轉(zhuǎn)換器組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度數(shù)據(jù)及信息的傳輸，即二次渦流場反應(yīng)數(shù)據(jù)和信息。在采集數(shù)據(jù)信息完成后，數(shù)據(jù)信息可通過瞬變電磁儀初步處理，當(dāng)前所測物探點(diǎn)電壓信息可基于顯示屏實(shí)時(shí)顯示，多物探測點(diǎn)的多測道圖、視電阻率值也可隨之實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，瞬變電磁儀工作原理如圖2所示。

3.3物探布置及工程施工

基于1022工作面，瞬變電磁物探工程主要在軌道順槽和膠帶順槽進(jìn)行，為應(yīng)對(duì)條件惡劣、復(fù)雜的井下巷道工作面環(huán)境，提高探測精度，保證探測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確形式，工程采用偶極布置方式開展瞬變電磁勘探，圖3為瞬變電磁偶極布置方式示意圖。

在瞬變電磁底板探測工作中，1022工作面共布置施工測線4條，分別為膠帶順槽底板垂探線、膠帶順槽內(nèi)幫30°俯探線、軌道順槽底板垂探線、軌道順槽內(nèi)幫30°俯探線，長度分別為550m、490m、490m，點(diǎn)距均為10m，實(shí)測物探點(diǎn)分別為55個(gè)、55個(gè)、49個(gè)、49個(gè)。膠帶順槽探線起測點(diǎn)為膠帶順槽開口向里60m處，實(shí)測物探點(diǎn)的設(shè)置間隔為10m，軌道順槽探線起測點(diǎn)為從切眼口向外60m處，實(shí)測物探點(diǎn)的設(shè)置間隔同樣為10m。工程共施測物探點(diǎn)和試驗(yàn)測點(diǎn)215個(gè)，包括7個(gè)試驗(yàn)測點(diǎn)、208個(gè)物探點(diǎn)。

3.4數(shù)據(jù)處理及成圖分析

在完成瞬變電磁勘探后，需采用專業(yè)軟件進(jìn)行采集到數(shù)據(jù)資料的分析，需選用基于瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理和解釋專門開發(fā)的軟件BETEM，該軟件具備高分辨率、高精度、操作簡便等特征，采用模塊式結(jié)構(gòu)的軟件包，不同的功能模式可通過每個(gè)模塊獨(dú)立執(zhí)行。歸一化的瞬變感應(yīng)電壓屬于瞬變電磁勘探得到的觀測數(shù)據(jù)，各測線的原始數(shù)據(jù)可在數(shù)據(jù)采集完成后由接收機(jī)傳入計(jì)算機(jī)，初步整理后即可進(jìn)行多項(xiàng)校正、轉(zhuǎn)換和正反演分析計(jì)算，BETEM軟件需在這一過程中充分發(fā)揮自身作用，以此進(jìn)行時(shí)間向距離的轉(zhuǎn)換，并最終求得全空間視電阻率。由于施工方法正確、儀器選擇得當(dāng)，試驗(yàn)最終獲得了較為科學(xué)合理的施工參數(shù)，輔以良好的原始資料，研究獲得了1022工作面視電阻率值剖面圖與工作面富水異常區(qū)分布圖，地質(zhì)勘探任務(wù)由此順利完成，圖4為1022工作面膠帶順槽內(nèi)幫30°俯探線獲得的試驗(yàn)結(jié)果。

綜合分析可以確定，共4個(gè)相對(duì)弱低阻異常區(qū)存在于視電阻率剖面圖中。向里390m～410m處（膠帶順槽起測點(diǎn)），35m以深為1#異常區(qū)范圍；向外30m～55m處（軌道順槽起測點(diǎn)），40m以深為2#異常區(qū)范圍；向外260m～280m處（軌道順槽起測點(diǎn)），45m以深為4#異常區(qū)范圍；向外260m～ 280m處（軌道順槽起測點(diǎn)），45m以深為4#異常區(qū)范圍，由此即可直觀了解富水異常區(qū)分布情況，更好指導(dǎo)煤礦生產(chǎn)，直流電法等物探手段存在的局限性問題可在瞬變電磁技術(shù)支持下順利解決，并同時(shí)有效分析探測工作面含水區(qū)域的情況，探放水鉆孔在巷道內(nèi)布置的合理性可由此提升，探放水打鉆施工也能夠更為針對(duì)性的用于低阻異常區(qū)，鉆探精確度提高的探放水鉆孔可更好消除水害隱患，煤礦巷道施工安全、生產(chǎn)的安全性自然可得到更好保障。

4.結(jié)論

綜上所述，瞬變電磁技術(shù)在工作面底板探水中的應(yīng)用價(jià)值較高。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的基本原理、應(yīng)用方法、儀器選擇、物探布置及工程施工、數(shù)據(jù)處理及成圖分析等內(nèi)容，則提供了可行性較高的瞬變電磁技術(shù)應(yīng)用路徑。為保證瞬變電磁技術(shù)更好地服務(wù)于煤礦防治水工作開展，四斷面法的合理應(yīng)用、多方法之間的聯(lián)合反演與解釋研究同樣需要引起業(yè)界人士的重視。

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