礦井超淺層高分辨率瞬變電磁探測(cè)技術(shù)

張 軍

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

礦井瞬變電磁法勘探技術(shù)具有體積效應(yīng)小、施工效率高等優(yōu)勢(shì)，在煤礦水文地質(zhì)探測(cè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1-3]。礦井瞬變電磁法勘探會(huì)受到地層吸收衰減、環(huán)境噪聲干擾等因素影響，常規(guī)礦井瞬變電磁探測(cè)方法盲區(qū)較大，給煤礦精細(xì)化探測(cè)以及礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)的處理與解釋帶來(lái)難題[4-6]。如何實(shí)現(xiàn)礦井瞬變電磁超淺層高分辨率探測(cè)成為關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

在瞬變電磁弱異常的增強(qiáng)與處理方面，李貅等[7]提出采用縱向電導(dǎo)進(jìn)行微分成像以取代常規(guī)視電阻率的解釋方法，以“電性同相軸”的方式展現(xiàn)電性界面的分布形態(tài)；嵇艷鞠[8]提出一次感應(yīng)電壓及其過(guò)渡過(guò)程對(duì)全程瞬變響應(yīng)的影響，分析了剔除一次場(chǎng)的過(guò)渡過(guò)程可以獲取全程瞬變二次場(chǎng)，使探測(cè)深度變小；程久龍等[9]開(kāi)展了瞬變電磁數(shù)據(jù)擬地震成像的研究，對(duì)電性界面進(jìn)行準(zhǔn)確劃分。

目前采用的礦井瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)，由于受到硬件及數(shù)據(jù)處理軟件方面的制約，導(dǎo)致探測(cè)盲區(qū)深度較大，很難反映煤(巖)層淺層的地質(zhì)信息；探測(cè)分辨率不高，尤其是在縱向分辨率方面無(wú)法令人滿意[10-13]?；谝陨显?，從礦井瞬變電磁硬件、軟件及探測(cè)方法等方面進(jìn)行了研究。提出適用于礦井的瞬變電磁超淺層高分辨率探測(cè)技術(shù)，該技術(shù)可以很好地解決目前存在的這些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)礦井瞬變電磁超淺層高分辨率探測(cè)的目標(biāo)。

1 超淺層高分辨率探測(cè)原理

影響瞬變電磁最小探測(cè)深度的主要因素有：關(guān)斷時(shí)間、線圈過(guò)渡過(guò)程、線圈匝數(shù)及邊長(zhǎng)、地層表層電阻率等。在這些因素中，地層表層電阻率在不同采樣地點(diǎn)有所差異，且無(wú)法通過(guò)技術(shù)手段改變。只有研究其他幾個(gè)影響最小探測(cè)深度的因素，通過(guò)優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，達(dá)到礦井瞬變電磁淺層高分辨率探測(cè)的目的[14-16]。

礦井瞬變電磁測(cè)量的有效信號(hào)為二次場(chǎng)信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)只能使用完全關(guān)斷后的數(shù)據(jù)，由于關(guān)斷時(shí)間不為零，導(dǎo)致近地表淺層目標(biāo)體無(wú)法探測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)瞬變電磁超淺層探測(cè)，需要對(duì)一次場(chǎng)的影響進(jìn)行校正；由于接收天線過(guò)渡過(guò)程存在，使探測(cè)盲區(qū)增大，需要排除線圈過(guò)渡過(guò)程的影響，提高瞬變電磁淺層探測(cè)能力[17-18]。

礦井瞬變電磁接收線圈測(cè)量的參數(shù)是感應(yīng)電壓，這里記錄的全程感應(yīng)電壓，根據(jù)電磁感應(yīng)定律有：

式中：V1(t)為感應(yīng)電壓值，V；S為發(fā)射線圈面積，m2；n為線圈匝數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H/m；Hz(t)為磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，A/m；t為觀測(cè)時(shí)間，μs。

對(duì)于邊長(zhǎng)為a的回線，回線中心位置產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)發(fā)射電流關(guān)斷時(shí)，接收線圈接收的感應(yīng)電壓[8]為：

式中：MTR為發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感；I為發(fā)射電流，A；tof為關(guān)斷時(shí)間，μs。

由式(2)可以看出，當(dāng)發(fā)射邊長(zhǎng)和發(fā)射電流幅值不變時(shí)，關(guān)斷時(shí)間越小，一次場(chǎng)感應(yīng)電壓幅值越大。

電壓在感應(yīng)段對(duì)分布電容進(jìn)行充電，充電達(dá)到最大幅值時(shí)為V1g(t)。線圈電阻為r，電壓為Vr，電路電阻為R，電壓為VR，阻尼系數(shù)為δ。當(dāng)線圈在臨界阻尼，電路電阻遠(yuǎn)大于線圈電阻時(shí)[16-17]，關(guān)斷電流后，接收線圈RX的一次場(chǎng)感應(yīng)電壓為零，當(dāng)t=tof時(shí)的感應(yīng)電壓為V1g(tof)，則此時(shí)關(guān)斷后一次場(chǎng)感應(yīng)電壓和純二次感應(yīng)電壓分別為：

由于線圈在關(guān)斷后存在過(guò)渡過(guò)程，這一過(guò)程的表達(dá)式為：

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在關(guān)斷電流后，當(dāng)阻尼系數(shù)越大時(shí)，線圈的過(guò)渡過(guò)程越小。當(dāng)線圈阻尼系數(shù)不變時(shí)，一次感應(yīng)電壓幅值隨關(guān)斷時(shí)間變短而變大，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間變短。根據(jù)以上分析，需要對(duì)全程二次場(chǎng)進(jìn)行處理，減小探測(cè)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響，減小探測(cè)盲區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)礦井瞬變電磁超淺層探測(cè)。

對(duì)一次場(chǎng)影響的校正，需要分別計(jì)算一次場(chǎng)感應(yīng)電壓，發(fā)射線圈參數(shù)以及一次場(chǎng)感應(yīng)電壓的過(guò)渡過(guò)程。計(jì)算完成后，將實(shí)測(cè)的感應(yīng)電壓減去一次場(chǎng)感應(yīng)電壓，從而消除一次場(chǎng)感應(yīng)電壓的影響，縮短最早取樣時(shí)間，減小探測(cè)盲區(qū)。

通過(guò)記錄發(fā)射電流和全程感應(yīng)電壓信息，計(jì)算發(fā)射線圈參數(shù)與一次場(chǎng)感應(yīng)電壓值，計(jì)算電壓的過(guò)渡過(guò)程，在總場(chǎng)中減去一次場(chǎng)的感應(yīng)電壓，便可得到瞬變電磁的全程二次場(chǎng)感應(yīng)電壓值。過(guò)渡過(guò)程的全程瞬變電磁響應(yīng)和二次感應(yīng)響應(yīng)理論值的對(duì)比曲線，如圖1 所示。

圖1 全程瞬變響應(yīng)與純二次場(chǎng)響應(yīng)對(duì)比曲線Fig.1 Correlation curves of whole-course transient response and pure secondary field response

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)理論分析認(rèn)為，通過(guò)優(yōu)化瞬變電磁發(fā)射電路與接收天線可以達(dá)到減小探測(cè)盲區(qū)，提高探測(cè)精度的目的。從發(fā)射電路以及接收天線2 個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究適用于礦井瞬變電磁超淺層高分辨率探測(cè)的發(fā)射電路模塊和組合式接收天線。主要包括發(fā)射電路模塊、組合式接收天線模塊。

2.1 發(fā)射電路模塊

礦井瞬變電磁發(fā)射電路必須盡可能減少對(duì)早期信號(hào)的影響，電流關(guān)斷要快。發(fā)射電路包括信號(hào)控制電路、關(guān)斷控制電路、電流控制電路、發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生電路等。發(fā)射電路中設(shè)計(jì)有加速截至電路，以滿足快速關(guān)斷的要求，電流采樣使用高精度無(wú)感電阻。發(fā)射電路采用RC回路使驅(qū)動(dòng)電壓下降沿的斜率變大，減小關(guān)斷時(shí)間[8]。

設(shè)計(jì)了一種新型瞬變電磁發(fā)射機(jī)快速關(guān)斷電路，如圖2 所示，發(fā)射線圈的供電過(guò)程可分為正向供電、反向供電等。負(fù)載電感通過(guò)電阻R2和二極管與電源構(gòu)成放電回路，放電過(guò)程中，由于電阻R2的值比較大，負(fù)載電感放電回路中的時(shí)間常數(shù)比較小，使負(fù)載電感中的電流快速下降，減小關(guān)斷時(shí)間。通過(guò)快速關(guān)斷電路的設(shè)計(jì)，在其他條件不變的情況下，可以使關(guān)斷時(shí)間由0.5 μs 減小到0.2 μs。這種情況下可以減小關(guān)斷時(shí)間，達(dá)到淺層探測(cè)的目的。

圖2 瞬變電磁發(fā)射機(jī)快速關(guān)斷電路Fig.2 Fast turn-off circuit of TEM transmitter

根據(jù)礦井瞬變電磁法探測(cè)的目的和環(huán)境不同，當(dāng)距離探測(cè)目標(biāo)較近并且規(guī)模較小時(shí)，通過(guò)減小天線的發(fā)射電流強(qiáng)度，從而減小發(fā)射天線的發(fā)射功率，達(dá)到降低探測(cè)深度，實(shí)現(xiàn)超淺層探測(cè)的目的；適當(dāng)提高高頻諧波成分，提高數(shù)據(jù)信號(hào)信噪比，達(dá)到提高勘探精度，實(shí)現(xiàn)精細(xì)探測(cè)的目的。

2.2 組合式接收天線

礦井瞬變電磁采用屏蔽接收天線，該天線可有效提高天線靈敏度。接收天線主要由放大電路、濾波電路、電池組成，濾波電路與信號(hào)放大電路相連。電路連接屏蔽天線，屏蔽天線主要由接收線圈、磁芯、屏蔽線圈組成，屏蔽線圈可有效降低外界電磁干擾。信號(hào)放大電路和屏蔽線圈都可以有效提高信號(hào)信噪比和測(cè)量精度，為精細(xì)測(cè)量提供有利條件[19-20]。

采用磁芯接收探頭，可以有效提高天線的靈敏度，能夠減輕接收天線質(zhì)量，降低野外工作強(qiáng)度，提高工作效率。增加屏蔽線圈可降低工頻干擾以及其他電磁干擾，提高信號(hào)信噪比，提高采集數(shù)據(jù)質(zhì)量，為精細(xì)測(cè)量打好基礎(chǔ)。

采用有源與無(wú)源2 種測(cè)量方式，對(duì)于弱信號(hào)采用有源方式進(jìn)行接收，采用信號(hào)放大電路將信號(hào)放大轉(zhuǎn)換，弱信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后再傳輸，提高了采樣信號(hào)信噪比，提高測(cè)量精度；對(duì)于強(qiáng)信號(hào)采用無(wú)源方式測(cè)量，即直接將接收線圈接收到的信號(hào)發(fā)送到接收機(jī)存儲(chǔ)，減少信號(hào)的飽和段，能夠獲得更多時(shí)間序列的有用信號(hào)，為精細(xì)探測(cè)提供條件。

礦井瞬變電磁采用常規(guī)屏蔽接收天線進(jìn)行高精度探測(cè)時(shí)，該天線的施工效率較低。針對(duì)高精度礦井瞬變電磁法超前預(yù)報(bào)，設(shè)計(jì)采用組合式天線的方法，即將3 個(gè)屏蔽接收天線規(guī)則的排列在探測(cè)目標(biāo)區(qū)域，組成組合式接收天線，如圖3 所示。

圖3 組合式天線示意圖Fig.3 Schematic diagram of a combined antenna

由圖3 可以看出，組合式接收天線裝置采用間距為0.5 m 的屏蔽接收天線進(jìn)行組合，3 個(gè)屏蔽接收天線為一組，在探測(cè)完一組數(shù)據(jù)后移動(dòng)0.5 m 繼續(xù)進(jìn)行探測(cè)。在發(fā)射線圈不移動(dòng)的情況下，同一發(fā)射點(diǎn)位置可以進(jìn)行9 個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收，提高探測(cè)效率。該組合方法更加適用于礦井巷道條件下使用。組合式接收天線裝置主要包括通信模塊、信號(hào)同步模塊等。組合式接收天線數(shù)據(jù)采集效率高，單次數(shù)據(jù)采集效率提高了3 倍。采集數(shù)據(jù)為高密度三維數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理方法

3.1 采集軟件

基于控制模塊的礦井瞬變電磁上位機(jī)采集裝置，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)采集相關(guān)參數(shù)，有效提高數(shù)據(jù)信噪比，從而提高探測(cè)深度范圍和信號(hào)分辨率。根據(jù)采樣信號(hào)不同，可在上位機(jī)對(duì)不同采樣參數(shù)信號(hào)進(jìn)行疊加、拼接組合等處理。將淺層的高頻信號(hào)和深層的低頻信號(hào)進(jìn)行組合，形成全程瞬變電磁場(chǎng)。采集裝置上位機(jī)控制模塊主要包括發(fā)射控制電路模塊、接收控制電路模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、信息反饋控制電路模塊等。礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)采集軟件界面如圖4 所示。

圖4 礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)采集軟件界面示意圖Fig.4 Schematic diagram of transient electromagnetic data acquisition software interface of mine

發(fā)射控制電路模塊用于控制發(fā)射電流和調(diào)整發(fā)射線圈參數(shù)，根據(jù)超淺層探測(cè)和常規(guī)深層探測(cè)的不同需求，控制電路電流，調(diào)整發(fā)射線圈類(lèi)型。發(fā)射電流包括適用于超淺層探測(cè)的低功率電流和適用于常規(guī)探測(cè)的高功率電流。接收控制電路模塊用于接收一次場(chǎng)和二次場(chǎng)信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)記錄模塊。數(shù)據(jù)記錄模塊記錄采集的一次場(chǎng)和二次場(chǎng)數(shù)據(jù)。采用信息反饋控制模塊可以根據(jù)反饋信息實(shí)時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)采集相關(guān)參數(shù)，更加有效地提取有用數(shù)據(jù)信息。

采用發(fā)射控制模塊可以分別發(fā)射低功率與高功率信號(hào)，采用接收控制模塊可以接收一次場(chǎng)和二次場(chǎng)信號(hào)。通過(guò)以上數(shù)據(jù)采集組合模式，獲得超淺層探測(cè)數(shù)據(jù)和常規(guī)深層探測(cè)數(shù)據(jù)，分別記錄淺層與深層探測(cè)信息，有效降低了探測(cè)盲區(qū)，提高了探測(cè)深度范圍。

3.2 淺層信號(hào)電感校正方法

減小關(guān)斷時(shí)間不但需要提高儀器性能，而且需要在數(shù)據(jù)處理時(shí)消除關(guān)斷時(shí)間的影響。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析得到淺部地層的信息，通過(guò)與晚期數(shù)據(jù)拼接，達(dá)到超淺層探測(cè)的目的。礦井瞬變電磁在巷道內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，電磁場(chǎng)呈全空間分布，在全空間地層介質(zhì)中，發(fā)射線圈中心的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為[21-22]：

式中：μ近似為真空磁導(dǎo)率μ0，μ0=4π×10-7H/m；I為發(fā)射電流強(qiáng)度，A；Sr為接收天線等效面積，m2；a為發(fā)射線圈等效邊長(zhǎng)，m；t為觀測(cè)時(shí)間，μs；ρ為電阻率，Ω·m。

通過(guò)式(6)可以看出，礦井瞬變電磁發(fā)射回線線圈中心的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與介質(zhì)磁導(dǎo)率、發(fā)射電流強(qiáng)度、接收線圈等效面積、發(fā)射線圈等效邊長(zhǎng)、表層巖層電阻率等因素有關(guān)。

由于線圈的自感信號(hào)衰減很快，定義自感信號(hào)衰減3 個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)的時(shí)間為最早可分辨時(shí)間，其對(duì)應(yīng)的深度為最小探測(cè)深度，最小探測(cè)深度[3]為：

式中：hmin為最小探測(cè)深度，m；tmin為有效信號(hào)最小接收時(shí)間，μs；ρ為表層巖層電阻率，Ω·m。

通過(guò)式(7)可以看出，最小探測(cè)深度主要與有效信號(hào)最小接收時(shí)間和表層巖層電阻率有關(guān)。當(dāng)介質(zhì)磁導(dǎo)率、接收天線等效面積、表層巖層電阻率不變的情況下，改變發(fā)射電流強(qiáng)度和發(fā)射線圈等效邊長(zhǎng)可有效減小最早可分辨時(shí)間，從而減小探測(cè)深度。

由于線圈在關(guān)斷后需要考慮線圈過(guò)渡過(guò)程的影響，在不同發(fā)射電流和發(fā)射線圈有效邊長(zhǎng)條件下，將接收信號(hào)早期數(shù)據(jù)與晚期數(shù)據(jù)分別進(jìn)行記錄，其表達(dá)式為：

式中：t1為早期信號(hào)與晚期信號(hào)之間的取樣時(shí)間，即從信號(hào)關(guān)斷到t1作為早期信號(hào)采樣；采用低電流和低等效邊長(zhǎng)方式采樣，時(shí)間大于t1時(shí)采用常規(guī)礦井瞬變電磁探測(cè)方式采樣；在數(shù)據(jù)處理時(shí)將早期信號(hào)與晚期信號(hào)經(jīng)過(guò)歸一化處理后進(jìn)行拼接組合。通過(guò)這樣的方式，在不改變其他條件下，適當(dāng)?shù)販p小發(fā)射電流強(qiáng)度和發(fā)射線圈等效邊長(zhǎng)可有效減小關(guān)斷時(shí)間，使探測(cè)盲區(qū)減小。

在實(shí)際礦井瞬變電磁工作中大多采用邊長(zhǎng)為a的方形回線，這種n匝方形回線的電感系數(shù)[15-16]為：

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H/m。由多匝方形回線自感和互感影響產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

式中：S為導(dǎo)線截面積，m2；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m。對(duì)于固定的線圈，磁場(chǎng)強(qiáng)度B與電流I成正比關(guān)系，設(shè)比例系數(shù)為c，dB=cdI，則可得：

從實(shí)測(cè)礦井瞬變電磁二次場(chǎng)E中減去一次場(chǎng)電磁感應(yīng)影響，可得消除多匝方形回線電感影響后的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

此時(shí)衰減曲線早期與晚期的斜率達(dá)到基本一致，可以取得較好的剔除干擾效果。通過(guò)對(duì)一次場(chǎng)干擾的校正，可有效提高早期瞬變電磁場(chǎng)信號(hào)，從而使有效接收時(shí)間更小，達(dá)到淺層探測(cè)的目的。

只有將一次場(chǎng)的影響減小或者消除，才能得到真實(shí)有效的探測(cè)結(jié)果。一次電磁場(chǎng)干擾校正就是從探測(cè)結(jié)果中減去一次場(chǎng)產(chǎn)生的自感和互感響應(yīng)值。進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一次場(chǎng)校正前后的曲線對(duì)比(圖5)。

圖5 實(shí)測(cè)曲線一次場(chǎng)干擾校正對(duì)比Fig.5 Comparison chart of primary field interference correction of measured curves

通過(guò)數(shù)據(jù)校正的方法使計(jì)算結(jié)果更加接近地層真實(shí)視電阻率值。使曲線形態(tài)恢復(fù)為，不受巷道多匝小線圈裝置和巷道全空間等條件影響的形態(tài)。

4 應(yīng)用實(shí)例

山西某煤礦對(duì)其巷道頂板進(jìn)行探測(cè)，主要目的是應(yīng)用地球物理技術(shù)探測(cè)了解頂板淺層裂隙及富水情況。為此，在掘進(jìn)巷道布置了礦井瞬變電磁測(cè)點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)，為避免大型金屬設(shè)備的影響，離開(kāi)大型機(jī)械一定距離后進(jìn)行觀測(cè)，在探測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)開(kāi)展三維探測(cè)。布置測(cè)線長(zhǎng)度100 m，由于巷道條件限制，頂板探測(cè)點(diǎn)使用扇形布置方法，每條測(cè)線布置13 個(gè)測(cè)點(diǎn)，線距5 m，共21 條測(cè)線。礦井瞬變電磁巷道實(shí)測(cè)點(diǎn)布置如圖6 所示。

圖6 巷道頂板瞬變電磁探測(cè)測(cè)點(diǎn)布置Fig.6 Layout of measurement points for transient electromagnetic detection in roadway roof

在巷道中進(jìn)行頂板探測(cè)時(shí)，測(cè)線與測(cè)點(diǎn)的布置方法：在巷道頂板方向由左至右，每間隔15°設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，一條測(cè)線共13 個(gè)測(cè)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到巷道三維瞬變電磁探測(cè)成果。X方向?yàn)橄锏雷呦?，Y方向?yàn)榇怪庇谙锏雷呦蚯遗c水平面平行方向，Z 方向?yàn)榇怪庇谙锏雷呦蚯遗c水平面垂直方向。通過(guò)瞬變電磁數(shù)據(jù)處理結(jié)果，分析巷道頂板淺層裂隙發(fā)育及充水情況。在進(jìn)行瞬變電磁探測(cè)時(shí)，巷道空間無(wú)金屬體以及其他人文干擾因素的影響，保證探測(cè)結(jié)果為地質(zhì)體真實(shí)的異常反映。

通過(guò)對(duì)這一區(qū)域數(shù)據(jù)采集與處理，形成該探測(cè)區(qū)域的三維探測(cè)結(jié)果及巷道頂板三維數(shù)據(jù)處理成果(圖7)。通過(guò)數(shù)據(jù)三維成果，可以了解巷道頂板內(nèi)部異常區(qū)域?qū)ΦV井生產(chǎn)的影響；通過(guò)對(duì)巷道頂板的探測(cè)，可以分析巷道頂板2～100 m 范圍內(nèi)裂隙發(fā)育及充水情況；根據(jù)裂隙發(fā)育和充水情況，可以進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)防和治理措施。瞬變電磁是通過(guò)低阻異常區(qū)推斷巖層充水情況，該區(qū)域數(shù)據(jù)巖石充水性推斷成果如圖8 所示。

由圖7 可以看出，在X方向右側(cè)70～100 m 位置，深度距離在15～40 m 處產(chǎn)生低阻異常，在X方向左側(cè)0～70 m 位置表現(xiàn)出明顯的高阻特征，異常邊界清楚。說(shuō)明在礦井瞬變電磁探測(cè)時(shí)，頂板不同位置分別具有充水和未充水特征。

圖7 巷道頂板瞬變電磁三維數(shù)據(jù)處理成果Fig.7 Result of transient electromagnetic 3D data processing of roadway roof

圖8 瞬變電磁三維數(shù)據(jù)巖石充水性推斷成果Fig.8 Results of rock water filling property inferred from three-dimensional transient electromagnetic data

由圖8 可以看出，在頂板局部區(qū)域有低阻異常區(qū)，說(shuō)明該區(qū)域巖層裂隙出現(xiàn)充水現(xiàn)象，異常區(qū)范圍較小，呈上下導(dǎo)通狀。在15～40 m 深度范圍內(nèi)，有連通性低阻異常區(qū)，說(shuō)明在巷道頂板產(chǎn)生裂隙后，頂板上方有水源向頂板附近區(qū)域補(bǔ)給。頂板裂隙區(qū)域形態(tài)和規(guī)模均有充分展示，從而提供了巷道頂板巖層含水裂隙的信息。通過(guò)鉆探的驗(yàn)證及結(jié)合該區(qū)域地質(zhì)資料可知，該探測(cè)區(qū)域巷道頂板的含水層為頂板砂巖裂隙含水層。受巷道掘進(jìn)影響，在X方向90～100 m 易形成積水危險(xiǎn)區(qū)。通過(guò)礦井瞬變電磁超淺層高分辨率探測(cè)法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行探測(cè)分析，精細(xì)地查明了煤層頂板低阻異常體的分布狀態(tài)。

5 結(jié)論

a.通過(guò)理論分析礦井瞬變電磁探測(cè)盲區(qū)產(chǎn)生的原因，提供了解決礦井瞬變電磁探測(cè)盲區(qū)較大的方法，即超淺層探測(cè)與常規(guī)深層探測(cè)相結(jié)合的方法。研究了瞬變電磁發(fā)射和接收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井瞬變電磁超淺層探測(cè)。

b.設(shè)計(jì)適用于礦井瞬變電磁超淺層探測(cè)的上位機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)改變不同發(fā)射和接收參數(shù)，實(shí)現(xiàn)超淺層探測(cè)與深層探測(cè)相結(jié)合的方式。通過(guò)建立適合礦井巷道生產(chǎn)的三維觀測(cè)系統(tǒng)，利用三維數(shù)據(jù)處理方法對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化三維探測(cè)。

c.通過(guò)理論分析，針對(duì)礦井瞬變電磁探測(cè)的特點(diǎn)制定數(shù)據(jù)計(jì)算方法，使礦井瞬變電磁的探測(cè)盲區(qū)減小到2 m 左右。通過(guò)電感校正，三維數(shù)據(jù)反演及成圖處理方法，進(jìn)一步提高了瞬變電磁探測(cè)精度。應(yīng)用結(jié)果顯示，礦井巷道瞬變電磁三維探測(cè)，能夠準(zhǔn)確顯示巷道頂板內(nèi)部視電阻率三維空間分布形態(tài)。

d.本次只是針對(duì)簡(jiǎn)單地質(zhì)條件下礦井瞬變電磁超淺層精細(xì)化探測(cè)進(jìn)行了研究，沒(méi)有涉及到復(fù)雜地質(zhì)條件下的精細(xì)化探測(cè)的理論以及實(shí)際應(yīng)用研究，這方面在以后的研究中還需要進(jìn)行深入分析。

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