趙文曙，王俊奇，牟 義

礦井瞬變電磁法在探測(cè)頂板老空區(qū)中的應(yīng)用

趙文曙1，王俊奇1，牟 義2

(1.西山煤電集團(tuán)西山圪堆煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042403;2.煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院，北京 100013)

以巷道掘進(jìn)頭超前探測(cè)頂板上層煤采空區(qū)為例，通過(guò)采用礦井瞬變電磁法超前探測(cè)技術(shù)，在巷道掘進(jìn)頭進(jìn)行超前數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、反演計(jì)算等，形成巷道掘進(jìn)頭頂板視電阻率剖面圖，解釋了巷道掘進(jìn)頭上層煤采空區(qū)的范圍和位置特征，該超前探測(cè)方法拓展了超前探測(cè)的范圍，建立了一套適合煤礦采掘過(guò)程中超前全方位探測(cè)的技術(shù)方法。結(jié)果表明：礦井瞬變電磁法拓展了傳統(tǒng)礦井物探方法的探測(cè)范圍，實(shí)現(xiàn)了礦井全方位的超前探測(cè)，不僅能探測(cè)前方，對(duì)頂、底板以及側(cè)幫都有較好的探測(cè)效果;礦井瞬變電磁法不僅可以反演形成剖面圖，還可以形成不同探測(cè)角度的順層切片圖，實(shí)現(xiàn)了多角度立體探測(cè)。

礦井瞬變電磁法;PROTEM瞬變電磁儀;超前探測(cè);采空區(qū)物探;切片

由于各種礦產(chǎn)資源的開采，在地下形成了采空區(qū)。特別是各種小煤窯的泛濫開采，導(dǎo)致許多隱性采空區(qū)的存在，給煤礦鄰近煤層的掘進(jìn)和回采產(chǎn)生安全隱患，特別是對(duì)下層煤的開采產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：即遺煤自燃、老空區(qū)內(nèi)積水透水和采空區(qū)“活化”、頂板發(fā)生大面積垮落。如果下部煤層與老采區(qū)的距離大于下部煤層開采后覆巖破壞產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶高度，則老空區(qū)這些安全隱患對(duì)下部煤層一般不會(huì)造成直接影響;相反，如果距離小于導(dǎo)水裂隙帶高度，這三種安全隱患均會(huì)對(duì)下部煤層的安全開采造成不同程度的威脅。因此，必須對(duì)采空區(qū)的位置、范圍、邊界等進(jìn)行勘探。采空區(qū)探測(cè)多采用物探方法，有時(shí)結(jié)合部分鉆孔資料進(jìn)行驗(yàn)證。目前，采空區(qū)的探測(cè)已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的研究課題，但是仍處于發(fā)展階段。探測(cè)的物探方法很多，各有所長(zhǎng)。例如，地質(zhì)雷達(dá)、淺層地震、高密度電法、TEM等都在采空區(qū)探測(cè)中發(fā)揮著重要作用。但在井下掘進(jìn)巷道中對(duì)上層煤采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，在國(guó)內(nèi)外還比較少見，本文以加拿大產(chǎn)PROTEM47礦用瞬變電磁儀為例，在掘進(jìn)巷道中對(duì)上層煤采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)研究，以尋求新的解決煤礦安全開采的有效探測(cè)手段。

PROTEM礦井瞬變電磁儀由于儀器設(shè)備輕便、工作效率較高、方向性好、探測(cè)精度高，應(yīng)用越來(lái)越廣，不僅能夠在井下對(duì)富水性進(jìn)行探測(cè)，而且能對(duì)采空區(qū)、斷層等構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)，成為地球物理探測(cè)方法中應(yīng)用前途最好的方法之一。瞬變電磁法能對(duì)工作面全空間多個(gè)角度探測(cè)形成視電阻率斷面圖，對(duì)煤層頂?shù)装宀煌疃冗M(jìn)行高精度的數(shù)據(jù)解釋，解釋結(jié)果立體直觀，一目了然。本文以山西某煤礦總回風(fēng)巷頂板老空區(qū)的探測(cè)研究為例，對(duì)瞬變電磁法井下探測(cè)的應(yīng)用進(jìn)行拓展研究。

1 工作面概況和地球物理特征

礦區(qū)批準(zhǔn)開采9、10、11號(hào)煤層，9+10煤總回風(fēng)巷位于井田中西部。本次井下物探施工位置主要位于9+10煤總回風(fēng)巷掘進(jìn)頭位置，開采標(biāo)高約為970～980 m，巷道寬度約為4.2 m，巷道高度約為2.8 m，傾角約為7°～8°，距離后方10104回風(fēng)順槽大約40 m。沿著9+10煤總回風(fēng)巷掘進(jìn)方向左側(cè)約35 m處為9+10煤集中軌道巷，左側(cè)約80 m處為9+10煤集中運(yùn)輸巷;沿著9+10煤總回風(fēng)巷掘進(jìn)方向右側(cè)為10104回風(fēng)順槽。9+10煤上距2號(hào)煤層平均約為82.5 m，上距 3 號(hào)煤層間距 73.05 ～74.36 m，平均73.85 m 左右，煤層厚度 6.93 ～9.67 m，平均 8.13 m，總回風(fēng)巷附近煤厚平均約為6.58 m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含2～7層夾石，層位穩(wěn)定，厚度變化不大，頂板為石灰?guī)r，厚度約為6～8 m，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，為穩(wěn)定可采煤層。

煤層賦存于成層分布的煤系地層中，煤層被開采后形成采空區(qū)，當(dāng)殘留巷道或覆巖冒落裂隙帶中未充水或少量充水，采空區(qū)將表現(xiàn)為高電阻率異常特征，一般要比正常巖層的電阻率高3～5倍，可達(dá)幾百上千Ω·m;而當(dāng)采空區(qū)完全充水后，水體不僅充填了老塘，而且也充填了冒落裂隙帶，因而在巖體破壞區(qū)，其電阻率又明顯降低，呈現(xiàn)低電阻率異常特征。通過(guò)探測(cè)地下巖層的電阻率及其變化，可以判定巖層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和含水狀況，這也是本次電磁法探測(cè)采空區(qū)的物理前提。

2 礦井瞬變電磁法原理與工作方法

2.1 工作原理

瞬變電磁法或稱時(shí)間域電磁法(Time domain electromagnetic methods)，簡(jiǎn)稱TEM，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法［1］。簡(jiǎn)單地說(shuō)，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應(yīng)定律。礦井瞬變電磁法基本原理與地面瞬變電磁法一樣，采用儀器和測(cè)量數(shù)據(jù)的各種裝置形式和時(shí)間窗口也基本相同。受礦井瞬變電磁法勘探環(huán)境的限制，測(cè)量線圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般勘探深度小于150 m。地面瞬變電磁法為半空間瞬變響應(yīng)，這種瞬變響應(yīng)來(lái)自于地表以下半空間地層;而礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應(yīng)，這種瞬變響應(yīng)是來(lái)自于回線平面上下(或兩側(cè))地層。

2.2 工作方法

本次探測(cè)采用的儀器為加拿大PROTEM－47型瞬變電磁儀，該儀器具有抗干擾、輕便、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集由微機(jī)控制，自動(dòng)記錄和存儲(chǔ)，與微機(jī)連接可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放。本次礦井瞬變電磁法探測(cè)采用專門用于井下的多匝矩形發(fā)射線框，邊長(zhǎng)為2 m×2 m。采用偶極裝置進(jìn)行探測(cè)，發(fā)射線框和接收線框是2個(gè)獨(dú)立的線框，探測(cè)時(shí)中間間隔一定距離。探測(cè)測(cè)點(diǎn)布置在工作面總回風(fēng)巷掘進(jìn)頭位置。將線圈平面以任意方向、每個(gè)方向以任意角度放置于巷道中進(jìn)行測(cè)量，探測(cè)線圈平面法線方向一定深度內(nèi)采空區(qū)的垂向和橫向發(fā)育規(guī)律，若發(fā)射線框和接收線框水平放置于巷道，則探測(cè)巷道正上方頂板或正下方底板一定范圍的電阻率分布;若發(fā)射線框和接收線框傾斜放置于巷道，則探測(cè)工作面上方頂板或下方底板一定范圍的電阻率分布，根據(jù)電阻率分布情況推斷頂板或底板采空區(qū)情況。

3 礦井瞬變電磁法探測(cè)實(shí)施方案

超前探是在總回風(fēng)巷掘進(jìn)頭的位置(距離后方10104回風(fēng)順槽約40 m)進(jìn)行，在掘進(jìn)頭布置4個(gè)不同方向(0°、－45°、－90°和水平旋轉(zhuǎn)方向)的測(cè)點(diǎn)，前3個(gè)不同方向平面示意圖見圖1，每個(gè)方向測(cè)點(diǎn)按照13 個(gè)不同角度(90°、75°、60°、45°、30°、15°、0°、－ 15°、－30°、－45°、－ 60°、－75°、－90°)進(jìn)行，其中 0°測(cè)點(diǎn)、－90°測(cè)點(diǎn)和水平旋轉(zhuǎn)方向測(cè)點(diǎn)示意圖分別見圖2，圖3，圖4。

4 資料處理與解釋

4.1 資料處理

井下采集的數(shù)據(jù)在室內(nèi)首先將儀器數(shù)據(jù)傳送到微機(jī)中進(jìn)行預(yù)處理，即檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，剔除不合格數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編錄，整理成專用數(shù)據(jù)處理軟件所需要的數(shù)據(jù)格式。處理中用了TEM軟件處理，通過(guò)surfer和autocad的作圖功能，得到各測(cè)線的視電阻率剖面圖。

瞬變電磁法觀測(cè)到的數(shù)據(jù)是各測(cè)點(diǎn)各個(gè)時(shí)窗的瞬變感應(yīng)電壓，同一個(gè)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)窗的感應(yīng)電壓不僅與某個(gè)深度的地層電阻率具有一定的相關(guān)性，而且和該深度上覆地層電阻率相關(guān)。瞬變電磁數(shù)據(jù)處理的目的是：

1)二次場(chǎng)歸一化感應(yīng)電壓由于信號(hào)小，容易受各種人文電磁干擾，去除非地層電性產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是瞬變電磁處理的首要目標(biāo)。采用了直接的畸變剔除和非線性濾波兩種方式。

2)盡管感應(yīng)電壓高對(duì)應(yīng)電阻率低，但不同時(shí)間的瞬變電磁二次常感應(yīng)電壓跨越了5、6個(gè)數(shù)量級(jí)(甚至更大)，而且不直觀。將歸一化瞬變感應(yīng)電壓換算成視電阻率、視縱向電導(dǎo)、視深度等直觀參數(shù)是瞬變電磁數(shù)據(jù)處理不可缺少的，也是最基礎(chǔ)的工作，它符合深度多少米電阻率多少的常規(guī)解釋要求。

4.2 解釋原則

根據(jù)掌握的本區(qū)地質(zhì)與地球物理資料，結(jié)合實(shí)測(cè)電阻率分布特點(diǎn)，把巖層完整性及含水程度與電阻率的一般對(duì)應(yīng)關(guān)系分為3個(gè)級(jí)別：

1)推斷含水巖層：對(duì)應(yīng)的電阻率小于40Ω·m。

2)推斷弱含水的實(shí)體巖層：對(duì)應(yīng)的電阻率小于200Ω·m或者范圍較大，對(duì)應(yīng)電阻率介于40～200 Ω·m。

3)推斷不含水的破碎巖層或采空區(qū)、巷道：對(duì)應(yīng)電阻率大于200Ω·m。

4.3 資料解釋

經(jīng)過(guò)反演處理以后，形成各測(cè)線的反演電阻率成像剖面數(shù)據(jù)文件和平面文件，以總回風(fēng)巷0°方向超前探測(cè)電阻率剖面圖為例，對(duì)照該圖對(duì)掘進(jìn)頭前方地質(zhì)情況進(jìn)行解釋。

圖5 0°方向測(cè)點(diǎn)正前方超前探電阻率剖面圖

0°方向測(cè)點(diǎn)上方電阻率剖面圖見圖5，該剖面圖坐標(biāo)原點(diǎn)為總回風(fēng)巷掘進(jìn)頭，其中橫坐標(biāo)為總回風(fēng)大巷掘進(jìn)頭沿0°水平方向，其中正值為0°方向前方，負(fù)值為沿0°方向后方，縱坐標(biāo)為總回風(fēng)大巷掘進(jìn)頭垂直頂板方向。圖上所標(biāo)角度為該方向測(cè)點(diǎn)不同探測(cè)角度，其中又分為前上方和后上方不同方向。沿不同探測(cè)角度的有效探測(cè)深度為80 m，80 m以外采集數(shù)據(jù)不可靠，解釋結(jié)果僅供參考。

在有效探測(cè)范圍80 m之內(nèi)存在3處高阻異常和1處低阻異常，3處高阻異常和1處低阻異常幅度不明顯，結(jié)合該工作面的開采資料和視電阻率等值線梯度變化特征，在該剖面橫坐標(biāo)方向0～80 m、縱坐標(biāo)方向0～60 m和極坐標(biāo)后上方30°～前上方45°之間位置，局部視電阻率值在200Ω·m附近，產(chǎn)生較弱高阻異常，為高阻異常體1，推斷該位置是由于高阻巖層、構(gòu)造或電力干擾引起;在該剖面橫坐標(biāo)方向－20～0 m、縱坐標(biāo)方向20～60 m和極坐標(biāo)后上方60°～上方90°之間位置，局部視電阻率值在200Ω·m附近，產(chǎn)生較弱高阻異常，為高阻異常體2，推斷該位置是由于高阻巖層、構(gòu)造或電力干擾引起;在該剖面橫坐標(biāo)方向60～80 m、縱坐標(biāo)方向0～20 m和極坐標(biāo)正前方0°～前上方15°之間位置，局部視電阻率值在200Ω·m附近，產(chǎn)生較弱高阻異常，為高阻異常體3，推斷該位置是由于高阻巖層、構(gòu)造或電力干擾引起;在該剖面橫坐標(biāo)方向－40～－20 m、縱坐標(biāo)方向0～40 m和極坐標(biāo)后方0°～后上方60°之間位置，視電阻率值小于40Ω·m，產(chǎn)生較弱低阻異常，為低阻異常體1，推斷該位置是由于前方底板低阻巖層干擾、前方底板弱含水體干擾或電力干擾引起。

在有效探測(cè)范圍80 m之外存在2處高阻異常，異常幅度較明顯。結(jié)合該工作面的開采資料和視電阻率等值線梯度變化特征，在該剖面橫坐標(biāo)方向－100～－50 m、縱坐標(biāo)方向0～80 m和極坐標(biāo)后上方0°～前上方45°之間位置存在局部高阻異常，視電阻率值大于200Ω·m，為高阻異常體4，推斷該位置是由于采空異常、構(gòu)造異常、高阻巖層或由于電力產(chǎn)生干擾影響引起的;在該剖面橫坐標(biāo)方向－90～40 m、縱坐標(biāo)方向80～140 m和極坐標(biāo)后上方45°～前上方75°之間位置存在大范圍高阻異常，視電阻率值大于200Ω·m，為高阻異常體5，結(jié)合老空區(qū)分布層位，推斷該位置是由于采空引起，為采空異常區(qū)域。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合在山西部分煤礦的探測(cè)經(jīng)驗(yàn)和礦井瞬變電磁法的特點(diǎn)，為了在巷道掘進(jìn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)更全方位的超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)巷道的安全掘進(jìn)，提出以下建議：

1)本文僅以巷道掘進(jìn)頭頂板采空區(qū)探測(cè)為例，表明了礦井瞬變電磁法探測(cè)巷道頂板效果明顯，在其他實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，礦井瞬變電磁法對(duì)巷道掘進(jìn)頭底板以及側(cè)幫都取得了非常明顯的效果。該方法拓展了傳統(tǒng)礦井物探方法的探測(cè)范圍，實(shí)現(xiàn)了礦井全方位的超前探測(cè)。

2)礦井瞬變電磁法采用發(fā)射線框(邊長(zhǎng)2 m×2 m)和接收線框分別為匝數(shù)不等的2個(gè)獨(dú)立回線，采用中心回線裝置，與異常體產(chǎn)生最佳耦合響應(yīng)，提高信噪比，有利于異常的識(shí)別。該裝置與其它礦井物探方法相比，具有輕便、快速、探測(cè)深度大和對(duì)異常體反映靈敏等特點(diǎn)。

3)礦井瞬變電磁法采用不接地回線，可以實(shí)現(xiàn)多角度立體探測(cè)，這是高密度電法所不能實(shí)現(xiàn)的。

4)礦井瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理過(guò)程中采用最新的切片技術(shù)，不僅可以反演形成剖面圖，還可以形成不同探測(cè)角度的順層切片圖，可以實(shí)現(xiàn)多角度立體探測(cè)。

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Application on Transient Electric Magnetic Method in Roof Goaf Detection of Coal Mine

Zhao Wen－shu，Wang Jun－qi，Mu Yi

The article takes advanced detection of the roof upper coal goaf in the tunnelling end as example，by adopting advanced detection technology of transient electric magnetic method of coal mine，carrying out the advanced detecting data collect in the tunnelling end，data handling，inverse calculation and etc.，forms the apparent resistivity section chart of the tunnelling end roof，explains the range and location characteristic of the upper coal goaf in the tunnelling end.The advancing detection method open up range of the advancing detecting，has built a set of the technology method of being suitable to the all－direction advancing probing in mining and digging process of coal mine.Result is indicated that transient electric magnetic method of coal mine has open up the tradition detecting range of geophysical prospecting in coal mine，has realized the all－ direction advanced detecting，not only the front，but also the roof，the floor and the side have better probing effect.Transient electric magnetic method of coal mine has not only inverse calculation to sectional drawing，also can form tier section pictures of the different probing angle，realize multiangle stereoscopic detecting.

Transient electric magnetic method of coal mine;PROTEM transient electromagnetic instrument;Advanced detection;Goaf geophysical prospecting;The section

TD163

A

1672－0652(2012)07－0030－04

2012－06－20

趙文曙(1972—)，男，山西長(zhǎng)治人，1995年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，工程師，主要從事礦井技術(shù)管理及地質(zhì)測(cè)量工作(E －mail)1369292240@qq.com