瞬變電磁法在磷礦富水性中的探測(cè)方法研究

王智聰，張 軍

(中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

1 引 言

礦井水災(zāi)是礦山常見(jiàn)的主要災(zāi)害之一，一旦發(fā)生透水事故，不但影響礦井的正常生產(chǎn)，而且有時(shí)還會(huì)造成人員傷亡，淹沒(méi)礦井和采區(qū)，危害十分嚴(yán)重。所以做好礦井防水工作，是保證礦井安全生產(chǎn)的重要內(nèi)容之一[1]。

最近幾年，我國(guó)磷礦資源的開(kāi)采深度不斷加深，開(kāi)采難度也在不斷增加，巷道掘進(jìn)工作面面臨的地質(zhì)災(zāi)害更加多元，水文地質(zhì)條件更加復(fù)雜。尤其是在礦山巷道掘進(jìn)的過(guò)程中，掘進(jìn)工作面前方的富水情況直接影響到后方巷道內(nèi)人員和設(shè)備的安全，對(duì)礦山的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。因此在巷道掘進(jìn)前進(jìn)行超前探水工作就顯得尤為必要。

目前礦井物探常用的方法有礦井地震法(槽波、瑞雷波、微震監(jiān)測(cè)等)，礦井電磁法(直流電法、瞬變電磁法、無(wú)線電波透視法等)、礦井測(cè)井法(鉆孔測(cè)斜、自然伽瑪測(cè)井等)等[2]，這些方法均已在煤礦井下取得良好的應(yīng)用效果，但在磷礦中的應(yīng)用卻寥寥可數(shù)。由于目前磷礦開(kāi)采深度的增加以及掘進(jìn)過(guò)程中面臨的水文地質(zhì)條件的復(fù)雜化，使得磷礦物探成為急需解決的問(wèn)題。申大元等[3]采用探地雷達(dá)超前探水(溶洞)地質(zhì)鉆探驗(yàn)證相結(jié)合手段在磷礦已取得了良好的應(yīng)用效果。瞬變電磁法是目前礦井物探常用的施工方法，它是通過(guò)線圈向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，一次場(chǎng)在傳播過(guò)程中遇到良導(dǎo)體會(huì)激發(fā)感應(yīng)電流，形成二次場(chǎng)，并用線圈接收二次場(chǎng)，研究二次場(chǎng)的分布規(guī)律[4,5]。瞬變電磁法施工技術(shù)因具有施工方便快捷、設(shè)備輕便、異常響應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在煤礦礦井中應(yīng)用廣泛，效果顯著[6-8]，并在隧道中也取得了良好的應(yīng)用效果[9-11]。王秋萍等[12]研究了一套復(fù)雜地形下瞬變電磁法勘查工作的解釋方法，為金屬礦井的勘察提供了相關(guān)技術(shù)支持。鄭建烽[13]認(rèn)為鐵礦中不充水采空區(qū)具有高阻特性，并運(yùn)用瞬變電磁法查明了鐵礦采空區(qū)的富水情況。

由于瞬變電磁法在激發(fā)二次場(chǎng)過(guò)程中會(huì)受到周邊鐵磁物質(zhì)的干擾影響，尤其是錨網(wǎng)支護(hù)及大型掘進(jìn)機(jī)械等[14-17]，以及信號(hào)前期受關(guān)斷效應(yīng)的影響會(huì)使得早期的信號(hào)產(chǎn)生畸變，同時(shí)受到一次脈沖磁場(chǎng)以及小線圈自感和互感的影響[18-20]使得瞬變電磁法施工在進(jìn)行資料解釋時(shí)面臨諸多困難。周金等[21]在井下實(shí)驗(yàn)中分析了鐵軌影響下不同距離的瞬變電磁響應(yīng)規(guī)律；郭峰偉等[22]結(jié)合實(shí)際應(yīng)用提出了改變瞬變電磁線圈回線裝置、提高頻率和在數(shù)據(jù)處理中建立反演模型的方法，來(lái)壓制干擾信號(hào)，提高信噪比，并結(jié)合電測(cè)深方法提高了勘探成果的可靠性。

針對(duì)目前瞬變電磁探測(cè)施工布置及數(shù)據(jù)處理中存在的問(wèn)題，對(duì)礦井瞬變電磁施工布置方法進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了進(jìn)一步的提升，使探測(cè)結(jié)果能夠與實(shí)際地層特征相符，充分反映地層含水特性。通過(guò)對(duì)礦井探測(cè)的實(shí)際成果進(jìn)行充分的印證，改進(jìn)后的施工布置方法與數(shù)據(jù)處理方法能夠更好地為礦井安全施工服務(wù)，提高了礦井的生產(chǎn)安全性。

2 地質(zhì)概況

貴州省某磷礦地勢(shì)以低山丘陵、溝谷為主，地形比高相差近100 m，西北部相對(duì)較高，東南部較低，山脊基巖裸露，植被稀少，地表主要為裸露的碳酸鹽類巖層，巖溶和裂隙均較發(fā)育，大氣降水為該礦井充水的主要水源以及各地下含水層的主要補(bǔ)給水源。

該礦區(qū)大氣降水轉(zhuǎn)換為地表水后，由沖溝、壑從北向南排泄流出礦界，部分降水通過(guò)第四系含(透)水層、火燒區(qū)補(bǔ)給地下。大氣降水對(duì)礦井充水的主要影響一方面是通過(guò)北部露頭風(fēng)氧化帶進(jìn)入礦井，另一方面是在形成一定規(guī)模的采空區(qū)后，引起地表變形而形成的地裂縫，大氣降水多集中在7、8月份，大氣降水對(duì)地表水、地下水等具有補(bǔ)給作用，使礦井涌水量增大。

3 施工布置方法

本次探測(cè)工作裝置選用的是中心回線裝置，正方形發(fā)射線框，線框規(guī)格為邊長(zhǎng)2 m，線圈匝數(shù)為10匝，發(fā)射電流4.5 A，工作時(shí)選用的發(fā)射頻率為6.25 Hz，采樣疊加次數(shù)為100次，采樣率為200 Hz，接收裝置為天線接收，天線等效面積450 m2。

人們使用瞬變電磁法進(jìn)行對(duì)掘進(jìn)迎頭超前探測(cè)需要在進(jìn)行施工前，先將大型掘進(jìn)機(jī)械后退20 m以上。在迎頭超前探施工時(shí)，分別采用橫向和縱向施工方法進(jìn)行探測(cè)，常規(guī)探測(cè)測(cè)線布置示意圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)瞬變電磁超前探測(cè)施工布置示意圖Fig.1 General layout of transient electromagnetic construction

圖1(a)為橫向布置圖，在施工時(shí)，線圈裝置首先放置于巷道左側(cè)幫，使線圈中心法線方向垂直于左側(cè)幫開(kāi)始探測(cè)。然后旋轉(zhuǎn)線圈裝置使線圈法線方向與巷道方向呈一定夾角測(cè)量，夾角逐漸增大至線圈法線方向與巷道方向垂直，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)線圈使線圈法線方向與巷道方向夾角由直角逐漸減小至0°，即法線方向與右側(cè)幫垂直，注意旋轉(zhuǎn)角度與左側(cè)幫旋轉(zhuǎn)角度呈對(duì)稱關(guān)系。圖1(b)為縱向布置圖，在施工時(shí)，線圈中心法線方向垂直于底板開(kāi)始探測(cè)，然后旋轉(zhuǎn)線圈裝置，夾角逐漸增大至線圈法線方向與巷道方向垂直，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)線圈使線圈法線方向與頂板方向夾角由直角逐漸減小至0°。這樣就得到了以迎頭位置為中心、向掘進(jìn)方向呈扇形的探測(cè)范圍，從而能夠較全面地掌握掘進(jìn)前方低阻異常的存在。

由于瞬變電磁探測(cè)方法在施工過(guò)程中受到金屬體的干擾影響較大，使用常規(guī)探測(cè)測(cè)線布置方法施工，會(huì)受到巷道兩幫及頂?shù)装邋^網(wǎng)支護(hù)的干擾影響，從而導(dǎo)致探測(cè)結(jié)果跟實(shí)際誤差較大。

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)常規(guī)探測(cè)測(cè)線布置方法進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的測(cè)線布置方法如圖2所示。

圖2 瞬變電磁超前探測(cè)施工布置示意圖Fig.2 Construction layout of transient electromagnetic

圖2(a)為橫向布置圖，線圈裝置首先放置于巷道左側(cè)幫，使線圈中心法線方向與左側(cè)幫呈45°夾角開(kāi)始探測(cè)，到線圈中心法線方向與右側(cè)幫呈45°夾角停止，即減少了左右兩幫45°范圍內(nèi)探測(cè)。同樣圖2(b)減少了上下45°范圍內(nèi)探測(cè)，線圈中心法線方向與底板呈45°夾角開(kāi)始探測(cè)，到線圈中心法線方向與頂板方向呈45°夾角停止。

該方法減少了對(duì)巷道兩幫及頂?shù)装宓奶綔y(cè)，能有效避免錨網(wǎng)支護(hù)的干擾影響，改善探測(cè)結(jié)果，使之更加精確。

4 數(shù)據(jù)處理方法

在進(jìn)行瞬變電磁數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。首先對(duì)采集的原始曲線進(jìn)行電流校正處理，以剔除關(guān)斷效應(yīng)產(chǎn)生的畸變及小線圈自感和互感的影響，校正方法就是從探測(cè)數(shù)據(jù)中減去小線圈產(chǎn)生的一次場(chǎng)自感和互感影響值。

單匝回線的自感系數(shù)如下

(1)

其中：

式中，r為發(fā)射線圈半徑,單位為m；a為接收線圈半徑, 單位為m；h為兩線圈之間間距，單位為m；μ0為真空磁導(dǎo)率, 單位為H/m；L0為自感系數(shù), 單位為H；E為自感電動(dòng)勢(shì),單位為V。

在對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行電流電感影響校正以后，需要通過(guò)地層校正的方法消除裝置的固有過(guò)渡過(guò)程對(duì)實(shí)測(cè)曲線晚期段抬升的影響。

通過(guò)對(duì)探測(cè)原始數(shù)據(jù)的電流校正和地層校正，可以得到較為準(zhǔn)確的瞬變電磁探測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)校正方法過(guò)程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)校正方法示意圖Fig.3 Schematic diagram of data correction method

圖3中橫坐標(biāo)為采樣時(shí)間，縱坐標(biāo)為衰減電壓值，實(shí)線為原始數(shù)據(jù)，短虛線為電流校正后曲線，長(zhǎng)虛線為地層校正后數(shù)據(jù)。由圖3可以看出，通過(guò)兩步數(shù)據(jù)校正，可以得到更為準(zhǔn)確的瞬變電磁探測(cè)數(shù)據(jù)，能夠更加真實(shí)地反映地層地球物理信息，有助于對(duì)地層含水情況的分析與解釋。

對(duì)地層校正后的曲線，需要進(jìn)行濾波處理，以壓制晚期噪聲信號(hào)的影響，提高信號(hào)的信噪比；數(shù)據(jù)濾波方法如式(2)所示。

ε′(ti)=[ε(ti-1)+2ε(ti)+ε(ti+1)]

(2)

式中，ε′為濾波后衰減電壓數(shù)據(jù)，單位為μV;ε為各測(cè)點(diǎn)原始衰減電壓數(shù)據(jù)，單位為μV;ti為當(dāng)前道測(cè)量時(shí)間，單位為單位為μs;ti-1為上一測(cè)道測(cè)量時(shí)間，單位為μs;ti+1為下一測(cè)道測(cè)量時(shí)間, 單位為μs。

經(jīng)過(guò)電流校正和地層校正，以及數(shù)據(jù)濾波計(jì)算后，進(jìn)行視電阻率的轉(zhuǎn)換計(jì)算，視電阻率ρr計(jì)算方法如式(3)所示。

(3)

式中，C為常數(shù)；ST為發(fā)射線圈面積, 單位為m2；SR為接收線圈面積, 單位為m2；t為時(shí)窗時(shí)間,單位為μs，U為二次場(chǎng)電位值,單位為μV。

5 應(yīng)用實(shí)例

礦井中，在不改變?cè)貙拥臈l件下，各介質(zhì)電阻率在縱向上變化規(guī)律相對(duì)是固定的。一般情況下，含磷礦石具有相對(duì)較高的電阻率，砂巖、泥巖類次之。當(dāng)?shù)V井中地層有斷層、陷落柱等構(gòu)造存在時(shí)，如果其內(nèi)部不含水，局部電阻率值比較高；反之，就會(huì)有局部低電阻率異常體存在。這些特征為礦井的地球物理工作，尤其是瞬變電磁法探測(cè)的開(kāi)展提供了良好的地球物理基礎(chǔ)。

為了掌握西南某磷礦掘進(jìn)迎頭周邊富水情況，使用中心回線瞬變電磁儀進(jìn)行了超前探測(cè)施工。在迎頭分別采用橫向和縱向施工布置方法探測(cè)，并且分別用常規(guī)測(cè)線布置方法和改進(jìn)后測(cè)線布置方法進(jìn)行了探測(cè)。數(shù)據(jù)采集完成后，用改進(jìn)后的數(shù)據(jù)處理方法成圖對(duì)比，并進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

通過(guò)常規(guī)瞬變電磁探測(cè)，可以得到如圖4所示的迎頭超前探測(cè)成果圖。改進(jìn)后測(cè)線布置方法的探測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖4 常規(guī)測(cè)線布置超前探測(cè)成果Fig.4 Map of advance detection results

從圖4(a)的橫向探測(cè)結(jié)果圖中可以看出，迎頭左右兩幫各有一大片低阻異常區(qū)，即圖中藍(lán)色區(qū)域；迎頭左前方50～60 m位置有一處綠色區(qū)域視電阻率值略偏低。從圖4(b)的縱向探測(cè)結(jié)果圖中可以看出，迎頭頂板向上40～100 m處有一處低阻異常區(qū)，即圖中藍(lán)色區(qū)域；迎頭正前方60～70 m位置有一處區(qū)域視電阻率值略偏低。

圖5 改進(jìn)后測(cè)線布置超前探測(cè)成果Fig.5 Map of advance detection results

從圖5(a)的橫向探測(cè)成果圖中可以看出，左前方50 m左右范圍處有一處低阻異常區(qū)，右前方50 m左右范圍處有一處低阻異常區(qū)，即圖中藍(lán)色區(qū)域；且兩處低阻異常區(qū)與迎頭正前方50 m左右綠色區(qū)域相互連通；從圖5(b)的橫向探測(cè)成果圖中可以看出，正前方60 m左右位置有一處低阻異常區(qū)，即圖中藍(lán)色區(qū)域。

針對(duì)圖4、圖5的探測(cè)結(jié)果，在迎頭位置布置6個(gè)鉆孔。1#鉆孔沿迎頭右?guī)筒贾?，鉆進(jìn)80 m后無(wú)異常終孔；2#鉆孔沿迎頭右前方布置，鉆進(jìn)至45 m處出水；3#鉆孔沿迎頭正前方布置，鉆進(jìn)至50 m處出水；4#鉆孔沿迎頭左前方布置，鉆進(jìn)至48 m處出水；5#鉆孔沿迎頭左幫布置，鉆進(jìn)80 m后無(wú)異常終孔；6#鉆孔在迎頭處沿頂板方向布置，鉆進(jìn)80 m后無(wú)異常終孔。

通過(guò)上述鉆探結(jié)果可以看出，圖4中左右兩幫及頂板上方出現(xiàn)的異常為假異常，且假異常在物探成果圖中經(jīng)常會(huì)掩蓋真實(shí)異常，驗(yàn)證了改進(jìn)后測(cè)線布置方法的可行性。同時(shí)通過(guò)橫、縱向探測(cè)的對(duì)比，可確定低阻異常區(qū)的三維空間分布形態(tài)。

6 結(jié) 論

本文介紹了瞬變電磁常規(guī)施工布置方法，并對(duì)施工布置方法和數(shù)據(jù)處理方法加以改進(jìn)，通過(guò)在磷礦掘進(jìn)迎頭使用瞬變電磁超前探測(cè)技術(shù)，可得出以下結(jié)論：

1)通過(guò)對(duì)磷礦掘進(jìn)迎頭進(jìn)行瞬變電磁法的探測(cè)，并對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理與分析，結(jié)合鉆探驗(yàn)證情況，證明瞬變電磁方法在磷礦有良好的應(yīng)用效果。

2)通過(guò)本次探測(cè)結(jié)果可以分析出，常規(guī)瞬變電磁測(cè)線布置方法施工中，由于巷道兩幫以及頂板錨網(wǎng)支護(hù)的影響，會(huì)對(duì)探測(cè)結(jié)果造成較大誤差，誤差表現(xiàn)為錨網(wǎng)支護(hù)影響會(huì)使相應(yīng)探測(cè)位置出現(xiàn)假異常結(jié)果，且這些假異常大多情況下會(huì)掩蓋真實(shí)異常。

3)通過(guò)對(duì)兩種施工布置方法成果進(jìn)行對(duì)比，并結(jié)合鉆探驗(yàn)證的成果分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了改進(jìn)后測(cè)線布置方法的可靠性。

4)對(duì)改進(jìn)后的探測(cè)裝置布置與數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)行了驗(yàn)證性探測(cè)與數(shù)據(jù)分析。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后測(cè)線布置方法與數(shù)據(jù)處理方法更加精確，與地層真實(shí)情況更加吻合。