劉廣亮

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077）

瞬變電磁法在煤礦超前探測中的應(yīng)用

劉廣亮*

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077）

介紹了瞬變電磁法工作原理、施工方法、應(yīng)用實(shí)例。瞬變電磁法是一種煤礦常規(guī)的物探方法，工作效率較高。它對煤礦頂?shù)装搴畬?、老空區(qū)等低電阻目標(biāo)物敏感，所以主要用于探測煤層富水情況。通過實(shí)際應(yīng)用看出，瞬變電磁法在煤礦探水中具有很好的應(yīng)用前景。

瞬變電磁；原理；工作面；應(yīng)用

1 概述

在煤礦工作面開采中，常會遇到底板承壓水、老空水、頂板含水層等含水異常體的影響，嚴(yán)重時甚至造成重大的安全事故。煤礦水文地質(zhì)條件多樣復(fù)雜，傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)方法很難準(zhǔn)確判斷，要想提高準(zhǔn)確率，結(jié)合地球物理勘探是當(dāng)務(wù)之急。礦井瞬變電磁法是井下探水常用物探方法[1-3]，其特點(diǎn)是方便快捷、效率高、探測方向性好。礦井瞬變電磁法對含水體表現(xiàn)為低電阻區(qū)，接收線圈接收到的是激發(fā)渦流感應(yīng)出的二次場，不論含水異常區(qū)如何分布，都能得到有用信息，利用專門軟件可得到視電阻率剖面圖[4-6]。本次實(shí)例是利用中心回線發(fā)探測，接收裝置為磁探頭，具有抗干擾能力強(qiáng)、方向性好的特點(diǎn)[8]。

2 礦井瞬變電磁法原理

礦井瞬變電磁法的發(fā)射源形式分2種，一種是磁源發(fā)射，另一種是電流源發(fā)射。在均勻各向同性大地表面設(shè)面積為s的矩形發(fā)射回線（導(dǎo)電率為σ、導(dǎo)磁率為μ），供階躍脈沖電流：

如圖1所示為電流斷開時，電流在發(fā)射線圈周圍同地下空間中建立起的穩(wěn)定磁場。

在t=0時刻，在電流突然斷開時刻，由回線框產(chǎn)生的磁場消失。一次磁場的突然變化傳到大地中，因而在大地中激發(fā)出感應(yīng)電流，使大地中的磁場不會立即消失。由于介質(zhì)的熱損耗，感應(yīng)電流發(fā)生迅速衰減，由它產(chǎn)生的磁場也迅速衰減，這種迅速衰減的磁場又在其周圍的介質(zhì)中感應(yīng)出新的強(qiáng)度更弱的渦流[7]。這一過程持續(xù)下去，直至大地的熱損耗將磁場能量消耗完。這就是大地中的瞬變場變化過程。

圖1 矩形回線框磁力線

礦井瞬變電磁法基本原理等同于地面瞬變電磁法。但是礦井瞬變電磁探測施工是在煤礦巷道內(nèi)進(jìn)行的，瞬變電磁場為全空間分布，礦井瞬變電磁探測必須考慮全空間效應(yīng)。煤層在不含水的情況下為高阻介質(zhì)，電磁波通過消耗較少，因此煤層對瞬變的屏蔽性沒有像對直流電場那樣明顯，故接收線圈接收到的信號綜合反映了周圍全空間巖石電性參數(shù)，如圖2所示。

3 儀器及方法

本次探測使用YCS2000礦用瞬變電磁儀，該儀器是為煤礦井下探測含水和導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造而制造的電磁法勘探儀器。該儀器采用當(dāng)前最新的電子技術(shù)，極大地提高了儀器的抗干擾能力和測量精度。儀器具有以下特點(diǎn)：發(fā)射電流大，能保證良好的勘探效果及遠(yuǎn)距離探測；采用目前唯一的井下防爆磁探頭接收，具有受旁側(cè)局部金屬體影響小，分辨率高的特點(diǎn)；探頭等效面積較大，為450m2；儀器體積小，攜帶及施工方便的特點(diǎn)；探測盲區(qū)小于10m，疊加次數(shù)最大可達(dá)到10000次，連續(xù)工作時間長，不小于8h。

圖2 全空間瞬變電磁場的傳播

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 地質(zhì)概況

淮北某礦礦區(qū)表層為第四系沖積覆蓋層，覆蓋厚度為45.02～83.76m不等，形成一個北部偏高，南中部偏低的山間盆地平原。海拔高度一般在+30～+32m之間。因地下煤層開采，在礦井東南、西部方向形成總面積約10km2的塌陷區(qū)，塌陷深度一般1～5m，最深處可達(dá)6m，現(xiàn)部分已回填，部分為積水區(qū)。為保證煤礦安全掘進(jìn)和開采，尤其是在巷道掘進(jìn)過程中預(yù)防前方水患災(zāi)害，開展一定的物探工作是十分必要的。

4.2 資料處理

巷道內(nèi)布設(shè)的錨網(wǎng)、給排水管等在本次井下電法探測施工環(huán)境中近似均勻存在，其對電磁場的影響相對均一，對資料的處理可看作背景場。處理得到的視電阻率等值線斷面圖如圖3所示。圖中橫坐標(biāo)表示沿巷道方向距離，縱坐標(biāo)表示向側(cè)幫內(nèi)探測深度距離。

圖3 連續(xù)順層探測電阻率分布疊圖

4.3 成果解釋

從11月24日到12月20日跟蹤探測可以看出，11月24日和11月28日兩次探測結(jié)果均顯示在探測點(diǎn)右?guī)?°～60°范圍內(nèi)，深度20～70m存在低阻異常，圖中已用圓圈圈出。其他幾天的跟蹤探測結(jié)果顯示巷道內(nèi)部并無明顯含水異常，建議打鉆驗(yàn)證。

11月28日探測出現(xiàn)異常后，礦方在探測點(diǎn)布設(shè)一個鉆孔，鉆孔出水量約1000m3，當(dāng)巷道掘進(jìn)約45m后再次布設(shè)2個鉆孔，鉆孔出水量約500m3，兩次排出積水1550m3，打鉆情況與探測結(jié)果吻合。

5 結(jié)論

根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果可以看出瞬變電磁法在工作面富水區(qū)域探測中效果明顯，有良好的推廣價值。瞬變電磁法是煤礦富水區(qū)探測有力的物探方法。與其它電探方法相比，瞬變電磁法施工方便、快捷、效率高、方向性好、對含水體反應(yīng)敏感，在實(shí)際應(yīng)用中收到了很好的效果。對煤系地層應(yīng)該加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，提高瞬變電磁法資料解釋的準(zhǔn)確性，做好煤礦突水事故的預(yù)防預(yù)報工作。

[1]李貅.瞬變電磁測深的理論與應(yīng)用[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2002.

[2]方文藻,李予國,李貅.瞬變電磁測深法原理[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1993.

[3]傅良魁.電法勘探教程[M].北京:地質(zhì)出版社,1983.

[4]嚴(yán)良俊,徐世浙.中心回線瞬變電磁測深法快速電阻率成像方法及應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探,2002,30(6):58-60.

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1004-5716(2015)12-0143-02

2015-07-07

2014-07-09

劉廣亮（1980-），男（漢族），山東泰安人，工程師，現(xiàn)從事煤礦井下地球物理探測研究工作。