礦井瞬變電磁在老巷探測中的應用*

張龍科，羅榮榮

(1.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021；2.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

石墨是一種良好的導電導熱材料，并且化學性質(zhì)及在高溫條件下穩(wěn)定，是一種非常重要的非金屬礦物資源。在南方地區(qū)，由于地理位置的限制，機械化程度極低，原先的開采工作以人工為主，采掘面極不規(guī)范。由于以前采掘技術的落后和采掘布置的不規(guī)范，造成了石墨資源的極大浪費和遺漏。為了響應國家號召整合資源，需要重新開采該稀有資源。大多數(shù)礦井在原有的基礎上，重新實施科學規(guī)劃采掘工作，由淺至深對殘余的石墨資源二次挖掘。以往的挖掘工作基本沒有圖紙，沒有科學的規(guī)劃，造成了礦井中的巷道縱橫交錯，它們的空間位置關系極為復雜，因此井下超前物探非常有必要。目前井下的超前物探方法較多，主流的直流電法超前探以及瞬變電磁法超前探等等。直流電法超前探主要應用于地層傾角不大，導水性較好的構(gòu)造，施工條件較復雜。根據(jù)目前掌握的地質(zhì)概況，本次勘探地點的水平面較高，地層內(nèi)以往開掘的老巷道水體已經(jīng)流入低水平，大多數(shù)不含水，而且圍巖比較堅硬，不利于直流電法電極的導電性，因此本次勘探中選用了施工方法簡便，效率較高的礦井瞬變電磁勘探。利用礦井瞬變電磁勘探的高效、簡便為礦井后期的采掘工作提供有力的安全保障。

1 礦井瞬變電磁原理與特點

在各向同性大地表面敷設一個面積為S的矩形發(fā)射線框，在線框中供以階躍脈沖電流I(t)，在電流未關閉時t<0，發(fā)射電流會在線框周圍形成一個穩(wěn)定的磁場，該磁場會激發(fā)周圍的圍巖產(chǎn)生電磁感應，感應的深度和體積與該發(fā)射電流的頻率和大小有關。在t=0時刻突然將電流斷開，該線框電流在圍巖周圍產(chǎn)生的電磁場會立即消失，這一劇烈變化會使得周圍的圍巖激發(fā)出感應電流從而維持自身之前存在的磁場，使得空間的磁場不會立即消失。由于圍巖的歐姆損耗，這一感應電流會迅速的衰減，由此產(chǎn)生的磁場也隨之衰減，衰減的磁場重新感應出新的強度更弱的渦流。這一過程重復下去，直到圍巖的歐姆損耗將新的磁場能量消耗殆盡。這一復雜的變化便是電磁感應的過程，由于此過程變化時間短稱之為瞬變電磁感應。在t=0時刻電流突然斷開，由于地表的位置離發(fā)射回線最近，所以最初激發(fā)的感應電流主要來自地表，在地表各處感應電流的分布不是均勻的，但是隨著時間的推移，感應電流會逐漸向下向外擴散，逐漸減弱，趨于均勻。任一時刻地下感應電流可以等效為一個水平的環(huán)狀電流的磁場，效果看起來像從發(fā)射回線“吹”出來的一層層“煙圈”，因此，人們將地下渦流旋電流向下、向外擴散的過程形象地稱為“煙圈效應”?；凇盁熑π钡挠^點，早期的瞬變電磁場是由地表的感應電流產(chǎn)生的磁場，主要反映的是地層淺部的地電特征；晚期的瞬變電磁場是由地層中深部的感應電流產(chǎn)生的磁場，主要反映的是地層中深部的地電特征。因此，觀測大地瞬變電磁場變化，得出了大地電位的垂向變化，這就是瞬變電磁原理。將該理論運用于地下礦井，于是就形成了礦井瞬變電磁理論。由于礦井瞬變電磁勘探在井下進行，采用非接觸式、小回線、多匝數(shù)的裝置進行井下勘探，與地面勘探相比具有工作裝備輕便、工作效率快、采集速度快、作業(yè)成本低等優(yōu)點。目前礦井瞬變電磁的工作裝置主要有重疊回線和偶極-偶極裝置，重疊回線地質(zhì)響應強施工方便，一次場影響較大；偶極-偶極收發(fā)線圈互感影響小，消除了一次場影響，但二次場比較弱，分辨率較差，因此采用重疊回線比較可靠。采用的重疊回線裝置線框大小一般在1～3 m之間，體積效應小，勘探的分辨率高一點。

2 儀器方法

本次井下瞬變電磁法探測儀器為國產(chǎn)YCS512礦用本安型瞬變電磁儀。該儀器依據(jù)時間域全空間瞬變電磁場的基本原理，通過發(fā)射線圈向地質(zhì)體發(fā)射瞬變一次場，通過接收線圈測量迅速衰減的電場在其周圍的介質(zhì)中感應出新的渦流場(二次場)隨時間的變化特征，分析感應場所覆蓋的地質(zhì)體按電性特征的空間分布規(guī)律，并進行信號處理、干擾校正、算法反演、時深轉(zhuǎn)換及成圖處理，進而得到地質(zhì)異常體的分布、規(guī)模、形態(tài)等信息。

2.1 YCS512礦用本安型儀器主要特點

探測盲區(qū)?。合到y(tǒng)關斷時間和背景場分離技術，配合高密度時窗序列，可大大提高淺層地質(zhì)分辨能力，減少勘探盲區(qū)。

現(xiàn)場解析：提供現(xiàn)場解析功能，用戶可以在測試現(xiàn)場快速得到較為精細的等值線成圖結(jié)果。

專利線圈：可在同一線圈上設置不同發(fā)射線圈匝數(shù)和調(diào)整發(fā)射傾角，提高測試的靈敏度。

抗擾力強：實現(xiàn)現(xiàn)場干擾抑制，大幅度提高數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和有效時長，在同場條件下提高有效的地質(zhì)測深能力。

專用平臺：采用自主設計的雙核處理平臺，提供多核、高效的數(shù)字信號處理能力，并可遠程固件升級。

測道可調(diào)：儀器有20-512測道任意選設，可提高測點分辨率，減少體積效應。

操作簡單：系統(tǒng)提供一鍵采樣和一鍵恢復功能，以及在線幫助系統(tǒng)，大大方便用戶的操作使用。

2.2 勘探參數(shù)

裝置類型為重疊回線；線框大小為1 m×1 m(其中發(fā)射20匝接收40匝)，發(fā)射電流3.0 A；頻率為6.25 Hz；疊加次數(shù)32次。礦井瞬變電磁進行超前勘探施工前，要盡可能保證巷道的迎頭斷面整齊，巷道空間距離大于裝置的回線長度，距離巷道迎頭5 m外的機械設備等金屬體要撤離以免影響施工效果。采用本次勘探施工條件，正常情況下井下一個迎頭的工作時間為30 min，2 d內(nèi)能夠提供初步的物探成果，既不影響巷道的正常施工還可以迅速指導井下施工。

3 應用實例

該礦區(qū)以開采石墨為主，地層分布情況為奧陶統(tǒng)峰峰組、上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組及下石盒子組、上二疊統(tǒng)上石盒子組及孫家溝組和第四系。根據(jù)鉆井資料該區(qū)內(nèi)的物性較為穩(wěn)定的特點。本次勘探位于某礦區(qū)+360水平巖石巷道，水平面位置較高，推測該區(qū)域的石墨層老巷道一般為低阻反映，巖石巷的老巷道一般為較高阻反映，以此為依據(jù)，進行了瞬變電磁超前勘探。對巷道水平方向進行了物探，物探成果如圖1(a)所示，由圖得知探測區(qū)域內(nèi)地質(zhì)情況穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)明顯低阻區(qū)域，但在高阻成分中發(fā)現(xiàn)了異常1和2，并且該異常成橫向條帶狀分布，通過對該異常的全面分析，認為這2個高阻異常為同一個地質(zhì)構(gòu)造，結(jié)合周邊地質(zhì)資料，推測該異常巖石巷道的廢棄老巷，含水性較小。礦方拿到物探資料，及時組織鉆探驗證，水平方法鉆進5 m后發(fā)現(xiàn)該異常，鉆孔未見水。后期的掘進過程發(fā)現(xiàn)了該老巷，該老巷為一條自左向右的下山，下山有細小流水無積水，如圖1(b)所示。通過此次超前勘探，驗證了瞬變電磁勘探在老巷探測應用中的可行、有效。

圖1 物探成果與實際地質(zhì)模型對比

4 結(jié)語

勘探深度大約60 m，采集設備輕巧，儀器操作簡單，工作效率高，物探成果與地質(zhì)情況較吻合，滿足了礦方生產(chǎn)實際需要。瞬變電磁超前勘探在老巷中的應用，其結(jié)果可行有效。為礦方在該水平的后期掘進提供可靠保障。運用該探測方法不僅可以幫助礦方解決水害問題，還可以找到老舊巷道，減少礦方掘進新巷道的費用，起到事半功倍的效果。