礦井電磁技術在地質勘探中的應用

李鍇 柴鑫磊

摘 要：礦井電磁法主要包括：礦井直流電法、礦井瞬變電磁法、高頻電磁波法等，它是利用地殼中各種巖石、礦石電磁學性質間的差異來發(fā)現地質目標的一類勘探方法。

關鍵詞：礦井電磁技術；礦井直流電法；瞬變電磁法；電磁波坑透技術；地質探測

隨著礦井機械化的發(fā)展，特別是綜合機械化的發(fā)展.對地質工作要求越來越高.特別是對二分之一煤厚的小斷層、小陷落柱及細微地質構造都要求搞清，傳統(tǒng)的地質方法是無能為力的。在煤炭生產過程中，綜采工作面內的局部細小構造、含水性等都會影響煤礦的安全。帶壓開采工作面回采過程中突水淹井的事故時有發(fā)生.其主要原因是地質構造不清楚。隨著煤礦安全生產需求的擴大。地面物探已移植到井下，發(fā)展了更適合于礦井特殊條件和工作環(huán)境的勘探方法和技術，以近距離解決煤礦井下具體的地質問題，如電磁波法、重磁勘探、巖體聲波探測等方法。礦井電磁法主要包括：礦井直流電法、礦井瞬變電磁法、高頻電磁波法等，它是利用地殼中各種巖石、礦石電磁學性質問的差異來發(fā)現地質目標的一類勘探方法。

一、礦井直流電法工作原理

礦井直流電法屬全空間電法勘探。它以煤、巖層的導電性差異為基礎，與地面電法不同，在全空間條件下建場，在地下巷道中進行電法測量工作，地下電流通過布置在巷道內的供電電極在巷道周圍巖層中建立起全空間穩(wěn)定電場，該穩(wěn)定電場特征取決于巷道周圍巖石的電性特征及其賦存狀態(tài)，測量該電場的變化規(guī)律，使用全空間電場理論處理和解釋，就可找到巷道周圍巖石中引起電場變化的水文、地質構造等規(guī)律，從而確定巖、礦體物性（如貧、富水區(qū)域）的分布規(guī)律或地質構造（如斷層、裂隙發(fā)育區(qū)）的特征。井下電法是把直流電法探測技術引用到煤礦井下的電阻率探測技術，DZ-IIA防爆數字直流電法儀（以下簡稱電法儀）是并下電法勘探儀器，也可用于地面進行電法探測地質構造。由9節(jié)1.8 Ah鋰電池組成5.4Ah 10.8 V電池組，逆變電路，整流濾波電路，極性變換發(fā)射輸出，單片機控制電路，接收電路，顯示、存儲、通訊等電路組成。

電法儀的各功能板如圖l所示，電池輸出的直流電壓經逆變升壓電路產生70或100 V的高壓，經整流濾波、極性變換輸出，通過AB供入大地；同時通過MN接收大地的感應信號，經A/D轉換器放大并轉換成數字后送給單板機存入存儲器。存儲器中的數據通過RS232串行通訊口進行數據交換；供電時間有可選。供出的電流在顯示器上顯示。

二、瞬變電磁法

（一）瞬變電磁法（TEM）。瞬變電磁法或稱時間域電磁法（Time domain electromagnetic methods），簡稱TEM，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖電磁場，在一次脈沖電磁場間歇期間，利用不接地線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。在電流斷開之前，發(fā)射電流在回線周圍空間中建立起一個穩(wěn)定的磁場。在t=0時刻，將電流突然斷開，由該電流產生的磁場也立即消失。一次磁場的這一劇烈變化通過空氣和地下導電介質傳至回線周圍的大地中，并在大地中激發(fā)出感應電流以維持發(fā)射電流斷開之前存在的磁場，使空間的磁場不會即刻消失。由于介質的熱損耗，直到將磁場能量消耗完畢為止。

（二）球物理響應特征。從電性上分析不同地層的電性分布規(guī)律為：煤層電阻率值相對較高，砂巖次之，黏土巖類最低。由于煤系地層的沉積序列比較清晰，在原生地層狀態(tài)下，其導電性特征在縱向上固定變化規(guī)律，而在橫向上相對比較均一。當存在構造破碎帶時，如果構造不含水，則其導電性較差，局部電阻率值增高；如果構造含水，由于其導電性好，相當于存在局部低電阻率值地質體。綜上所述，當斷層、裂隙和陷落柱等地質構造發(fā)育時，無論其含水與否，都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規(guī)律。這種變化規(guī)律的存在，為以巖石導電性差異為物理基礎的礦井瞬變電磁法探測提供了良好的地質條件。

三、電磁波坑透技術的探測原理

（一）探測原理。不同的巖層其電阻率和介電常數不同。電磁波在煤、巖層中傳播時，由于煤巖層電性的差異.電磁波能量吸收衰減程度也不同。低阻巖體較高阻巖體對電磁波的吸收作用強，一般煤層的電阻率高于巖層的電阻率。利用這一特性，在回采工作面某一巷道發(fā)射一定頻率的電磁波，電磁波在煤層中傳播遇到地質異常體時，波能量吸收衰減增大（或減?。?，另一巷道接收電磁波信號.通過對接收數據的整理、分析，來達到地質異常體的推斷和解釋。

（二）資料解釋方法。坑透CT解釋主要依據吸收系數成像結果來進行解釋。CT技術（計算機層析成像技術）應用代數迭代法進行圖像重建。首先把工作面網格化，劃分成有不同吸收系數的若干小單元。每一小單元視為介質均勻。計算出投影函數的觀測值與理論值的殘差量，將每條射線的殘差量以它穿經每一網格的路徑長度為權分攤到該網格中去，通過計算可以得到各單元的吸收系數值，實現工作面成像區(qū)吸收系數反演成像，繪制出成像區(qū)吸收系數等值線圖和色譜圖。

四、結語

煤礦隨著開采深度的加大，對礦井地質構造勘探要求越來越高。應加強井下電法勘探技術規(guī)范的制定，針對井下的應用條件進行其理論與技術研究。目前單憑一種物探技術是不可能解決更復雜的地質問題。并與多種物探技術相結合.以便更好地為開采地質條件評價以及突發(fā)地質災害治理提供技術支持。

參考文獻

[1] 儲紹良.礦井物探應用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1995.

[2] 白登海等.地下全空間瞬變電磁法及在煤礦水害預防中的應用[C].第六屆中國國際地球電磁學術討論會論文集，2003.

[3] 衛(wèi)金善等.綜合勘探方法在成莊礦井地質構造探測中的應用[J].中國煤田地質，2002，14（04）.