礦井瞬變電磁法在超前探測(cè)采空積水區(qū)中的應(yīng)用研究

蘇彥龍

（河南省地球物理空間信息研究院，鄭州 450009）

我國(guó)西北地區(qū)的一些小型礦井，由于地質(zhì)資料不全，對(duì)礦井老巷以及采空區(qū)的分布狀況不了解，在生產(chǎn)過程中容易掘透采空區(qū)，從而發(fā)生礦井透水事故。目前，礦井防治水常用的物探方法有常規(guī)直流電法、音頻電透視法和瞬變電磁法等，其中瞬變電磁法具有施工成本低、體積效應(yīng)小、橫向分辨率高以及與目標(biāo)地質(zhì)體耦合性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于礦井掘進(jìn)超前探測(cè)中[1]。

1 瞬變電磁法的理論基礎(chǔ)

瞬變電磁法是一種建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的時(shí)間域電磁法。其利用不接地回線向地下地質(zhì)體發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，在一次場(chǎng)作用下，地下地質(zhì)體產(chǎn)生的感應(yīng)電流又將會(huì)激勵(lì)起隨時(shí)間變化的感應(yīng)電磁場(chǎng)，即二次場(chǎng)。在脈沖的間歇期間，利用回線接收感應(yīng)的二次場(chǎng)，通過對(duì)接收信號(hào)的處理、分析和解釋，從而達(dá)到探測(cè)地下地質(zhì)情況的目的[2]。

2 礦井瞬變電磁法的探查技術(shù)

（1）礦井瞬變電磁法的特點(diǎn)。礦井瞬變電磁法的發(fā)射和接收均在局部較封閉的空間中進(jìn)行，發(fā)射與接收均采用多匝小回線裝置。小回線的優(yōu)點(diǎn)在于線圈輕便，發(fā)射與接收裝置擺放靈活，可以實(shí)現(xiàn)多方向和多角度探測(cè)，與巷道周圍的異常體易達(dá)到最佳耦合[3]。

（2）礦井瞬變電磁法的探查裝置。為了保證探測(cè)深度，可以選擇增大線框邊長(zhǎng)、加大電流或者增加線框匝數(shù)等。在井下施工時(shí)發(fā)射電流不能過大，另外井下巷道內(nèi)空間有限，不能使用大邊框回線。增加發(fā)射線框匝數(shù)可以加大探測(cè)深度，但是一方面使得線框重量加重影響施工效率，另一方面線框匝數(shù)增多使得自感加重致使淺層探測(cè)盲區(qū)增大[4]。經(jīng)過多次井下試驗(yàn)以及大量數(shù)值模擬，一般選用1.5m×1.5m的重疊回線多匝小線框（見圖1）。為了接收到更強(qiáng)的信號(hào)，接收線圈匝數(shù)要多于發(fā)射線框匝數(shù)。

圖1 探查裝置示意圖

（3）測(cè)點(diǎn)布置。在掘進(jìn)巷道內(nèi)進(jìn)行超前探測(cè)時(shí)，為了盡可能探測(cè)到不同方位的異常地質(zhì)體，經(jīng)過大量試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，將超前探測(cè)的測(cè)點(diǎn)布置設(shè)計(jì)為扇形（見圖2）。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

超前探測(cè)發(fā)射線圈和接收線圈框面重疊，線圈軸線指向目標(biāo)體。在超前探測(cè)中，線圈軸線方向分別指向巷道頂板、順掘進(jìn)方向和巷道底板。線圈所在平面與巷道頂?shù)装宓膴A角需要根據(jù)探測(cè)目標(biāo)與測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置及巖層傾角大小確定。依據(jù)瞬變電磁法中經(jīng)典的“煙圈效應(yīng)”，“煙圈”沿47°傾斜錐面擴(kuò)散[5]。故每個(gè)測(cè)點(diǎn)按仰45°、順掘進(jìn)方向和俯45°進(jìn)行探測(cè)（見圖3），能夠最大程度上探查到要求探測(cè)范圍內(nèi)的異常地質(zhì)體。

圖3 探查方向示意圖

3 應(yīng)用實(shí)例

新疆昌吉某礦為整合升級(jí)改造礦井，地質(zhì)資料缺乏，礦井內(nèi)老巷以及采空區(qū)位置不明，為了巷道能夠安全掘進(jìn)，運(yùn)用礦井瞬變電磁法進(jìn)行超前探測(cè)。

圖4至圖6分別為仰45°方向、順掘進(jìn)方向和俯45°方向探測(cè)視電阻率斷面圖。圖中虛直線代表探測(cè)的方向，縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)代表探測(cè)距離。從圖上可以看到本次超前探測(cè)距離為100m，在近處20m范圍內(nèi)存在探測(cè)盲區(qū)。圖5中右偏60°、右偏45°、右偏30°和右側(cè)幫0m方向上視電阻率值較其他方向偏低，存在低阻異常。圖4和圖6中各個(gè)方向上未發(fā)現(xiàn)明顯低阻異常反應(yīng)。

圖4 仰45°方向探測(cè)視電阻率斷面圖

圖5 順掘進(jìn)方向探測(cè)視電阻率斷面圖

圖6 俯45°方向探測(cè)視電阻率斷面圖

圖7為圖5對(duì)應(yīng)的視電阻率直方圖（縱坐標(biāo)代表探測(cè)深度，橫坐標(biāo)代表各個(gè)探測(cè)方向，0號(hào)點(diǎn)代表左側(cè)幫5m，10號(hào)點(diǎn)代表左側(cè)幫0m，從左到右以此類推），分析該圖發(fā)現(xiàn)從80號(hào)點(diǎn)（右偏60°）到110號(hào)點(diǎn)（右側(cè)幫0m）低阻異常逐漸增強(qiáng)，且低阻異常體距離巷道越來越近。因此推斷掘進(jìn)巷道右側(cè)存在一條與掘進(jìn)巷道走向近似的老巷，且老巷內(nèi)可能存在積水。礦方根據(jù)物探成果共設(shè)計(jì)了5個(gè)探水鉆孔，鉆孔方位見圖8。

圖7 順掘進(jìn)方向探測(cè)視電阻率直方圖

圖8 5號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔設(shè)計(jì)圖

根據(jù)各個(gè)鉆孔實(shí)際揭露的情況（見表1），發(fā)現(xiàn)礦井瞬變電磁法在探測(cè)礦井老巷以及采空區(qū)中效果顯著，對(duì)礦井安全施工具有重要指導(dǎo)意義。

表1 5號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔施工成果一覽表

4 結(jié)論

（1）礦井瞬變電磁法橫向分辨率較高，進(jìn)行超前探測(cè)測(cè)點(diǎn)布置時(shí)應(yīng)盡量多的增加測(cè)點(diǎn)，提高橫向分辨率。其縱向分辨率不高，對(duì)于采空積水區(qū)距離巷道的具體尺寸還需要借助鉆探揭露。

（2）采空積水區(qū)距離巷道掘進(jìn)頭越近，視電阻率斷面圖上低電阻率值曲線扭曲越明顯。采空積水區(qū)面積越大，低阻異常范圍越大，電阻率值越低。

（3）礦井瞬變電磁法在礦井井下超前探測(cè)提前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用可以有效的減少井下探放水鉆孔數(shù)量，提高施工效率，降低礦井生產(chǎn)成本，應(yīng)用前景良好。