張繼忠　康　健　代少軍　林井祥

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

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礦井瞬變電磁全空間多匝小回線超前探水

張繼忠康健代少軍林井祥

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

摘要介紹了礦井瞬變電磁法全空間探測的基本原理，分析了其在水害超前探測中的地質(zhì)效果、井下干擾影響因素以及多匝小回線工作裝置參數(shù)設(shè)計，實現(xiàn)圍巖與采空區(qū)的富水異常區(qū)探測，巷道超前隱伏導(dǎo)含水構(gòu)造預(yù)測及含水陷落柱勘查等?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：對物探圈定的疑似低阻異常區(qū)域經(jīng)鉆探驗證，鉆探結(jié)果與物探判斷一致，說明瞬變電磁法地質(zhì)解釋成果準(zhǔn)確可靠，可為礦井防治水工作提供有效的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞礦井瞬變電磁法富水區(qū)域礦井水害超前探測

礦井水害為煤礦五大災(zāi)害之一，其影響程度僅次于瓦斯爆炸，排在第二位。我國煤礦開采深度平均每年增加10～20 m ，隨著煤礦開采向深部下組煤的大規(guī)模開發(fā)，礦山壓力、水壓力增大，水文地質(zhì)構(gòu)造愈加復(fù)雜[1-3]；由于歷史原因，部分地區(qū)小煤礦星羅密布，這些煤礦水文地質(zhì)資料不清，安全意識淡薄，防治水工作基礎(chǔ)薄弱。因此，堅持“預(yù)測預(yù)報，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原則，采用物探和鉆探相結(jié)合的探測方法，超前查明礦井隱伏導(dǎo)含水構(gòu)造和煤層頂?shù)装鍑鷰r的富水情況是煤礦水害防治工作的關(guān)鍵[4-5]。礦井瞬變電磁法是目前地球物理探測領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊的一種新的物探方法，此法對低阻體反映敏感，在巖層富水性探測方面更具優(yōu)勢，具有超前探測距離較大，探測方向指向性好，施工方便快捷，勞動強度小等優(yōu)點，可實現(xiàn)煤層頂?shù)装鍘r層內(nèi)部的富水異常區(qū)探測，巷道超前隱伏導(dǎo)含水構(gòu)造預(yù)測和含水陷落柱勘查等。

1礦井瞬變電磁法特性和原理

1.1物理特性

煤系地層沉積及成巖是相對均勻、連續(xù)的，其導(dǎo)電性特征無論是沿地層垂深方向還是展布方向均具有固定變化規(guī)律[6-7]。如果煤系地層中存在地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、裂隙或陷落柱等，都將使其局部范圍失去連續(xù)性和整體性，使得地層電性在垂深和地層展布方向上的變化規(guī)律發(fā)生改變。地層導(dǎo)電地質(zhì)體在垂深和地層展布方向上的變化規(guī)律為礦井瞬變電磁法探測提供了充分的物性條件，也為礦井物探工作進行地質(zhì)解釋提供根本依據(jù)。

1.2方法的原理

礦井瞬變電磁法(TEM)是利用不接地回線向巷道全空間發(fā)送一次電磁場，并在一次電磁場間歇期間，用接收線圈觀測由該脈沖電磁場產(chǎn)生的二次電磁場，通過分析二次電磁場的空間和時間分布，以解決地質(zhì)問題的時間域電磁法。

在井下巷道空間中，礦井瞬變電磁法電磁場呈全空間分布。瞬變響應(yīng)在布置回線兩側(cè)形成雙“煙圈”，即雙“煙圈效應(yīng)”[8-10](圖1)。這是探測接收到的信號自巷道全空間地質(zhì)體電性的綜合反映。受井下空間環(huán)境，如礦井軌道、高壓電纜及小規(guī)模線框裝置等的影響，井下的探測深度一定程度上受到限制，一般可以有效解釋100 m左右。

圖1　礦井瞬變電磁場全空間雙“煙圈效應(yīng)”示意

1.3多匝小回線特征

礦井瞬變電磁法采用小邊長多匝回線線框裝置，具有高效率、低成本、降低體積效應(yīng)、提高分辨率和信噪比等優(yōu)點。探測回線線框可置于巷道頂板或底板，也可置于巷道兩幫，以探測其含水異常體在垂深和展布方向上變化規(guī)律。該法對高阻地層的穿透能力強，對低阻地層有較高的分辨能力。

2礦井瞬變電磁法實施

2.1工作裝置

與地面瞬變電磁法相比，礦井瞬變電磁法無法采用地表探測時的大線圈裝置，只能采用邊長小于3 m的多匝小回線探測。根據(jù)不同的地質(zhì)任務(wù)和井下工作環(huán)境條件，選擇合適的回線邊長與匝數(shù)，回線邊長通常有1 m×1 m，1.5 m×1.5 m，2 m×2 m，回線在一定的范圍內(nèi)線框越小，其體積效應(yīng)也越小，橫向、縱向分辨率越高。發(fā)射線框(Tx)和接收線框(Rx)布置可根據(jù)探測位置不同采用同軸偶極和平行偶極布置，見圖2。

2.2測點布置

井瞬變電磁法可實現(xiàn)巷道超前探測、頂板探測、巷道兩幫探測和底板探測，可向巷道前后、左右、上下多角度掃描(圖3)。巷道掘進工作面測點間距為1 m，測線間距為1 m；頂?shù)装寮皟蓭蜏y點間距小于20 m，測線間距可按需要設(shè)置1 m或2 m，布置通常以能有效避開掘進工作面附近的金屬干擾體、電纜、信號線為前提，并降低音噪等干擾因素，提高信噪比，保證原始數(shù)據(jù)可靠性，所以，前期準(zhǔn)備工作是不可或缺的。

圖2　瞬變電磁法工作裝置布置

圖3　礦井瞬變電磁法探測位置示意

3工程應(yīng)用

3.1探測區(qū)域地質(zhì)概況

雞西礦區(qū)富陽煤礦4#層左2片平巷、3#層左1片平巷、右5平巷掘進工作面和左7片平巷掘進工作面均為矩形半煤巖巷道臥底掘進，頂板較完整。掘進過程中，出現(xiàn)淋水等情況。與該礦相鄰的周邊煤礦密集分布，且水文地質(zhì)資料均不詳。為探查井田范圍內(nèi)水文地質(zhì)情況，保證煤礦正常安全生產(chǎn)，掌握巷道超前及圍巖富水區(qū)域和隱伏地質(zhì)構(gòu)造展布，采用瞬變電磁法進行物理探測。

3.2探測儀器與工程布置

本次采用加拿大GEONICS公司的PROTEM-47HP瞬變電磁儀，該系統(tǒng)主要由兩部分組成：信號發(fā)射裝置(Tx)和信號接收裝置(Rx)。發(fā)射機調(diào)節(jié)輸出電流為1 A，發(fā)射頻率為25 Hz，關(guān)斷時間為139 μs，20門采集。發(fā)射線框與接收線框間距為10 m，發(fā)射線框尺寸為1 m×1 m，回線匝數(shù)為128匝，接收線框為1D線框。GEONICS系列儀器是目前國際上最先進的瞬變電磁專業(yè)儀器，其最大的優(yōu)點是抗干擾能力強，精度高，尤其是關(guān)斷時間短，這些優(yōu)點使其具有較大的探測范圍。

巷道超前探測由3條測線組成，測線間距為1 m,每條測線布置7個測點，測點間距為1 m，測線內(nèi)測點沿巷道超前方向掃描形成探測區(qū)域，每條測線按不同角度進行探測。測線1沿巷道掘進頭成10°俯角超前探測；測線2沿巷道掘進頭正前方水平探測；測線3沿巷道掘進頭成30°仰角超前探測。掘進工作面超前、兩幫及頂板探測布置見圖4。

圖4　探測位置工程布置平剖面

3.3數(shù)據(jù)處理與分析解釋

經(jīng)室內(nèi)原始數(shù)據(jù)的分析處理，運用BETEM專用軟件，得到瞬變電磁探測視電阻率反演成像結(jié)果，見圖5、圖6。

圖5中曲線為富水函數(shù)等值線，不同色界代表視電阻率相對高低，數(shù)值越小，視電阻率越低，富水性相對也越強。可知，4#層左2片平巷超前探測中，在巷道超前向60 m左右區(qū)域，有一條疑似隱急伏斷層存在，斷層附近低阻反映明顯，該斷層可能富水。3#層左1片平巷超前探測中，在巷道超前向110 m左右區(qū)域有低阻反映出現(xiàn)，存在疑似隱伏斷層，斷層附近低阻反映，該斷層可能存在積水。右5平巷掘進頭超前探測中，在巷道俯下前方110 m左右區(qū)域有疑似低阻體出現(xiàn)，綜合分析該區(qū)域含水豐富。左7片平巷超前探測中，在巷道俯下前方左側(cè)80 m左右區(qū)域有隱伏斷層存在，斷層內(nèi)可能積水。右1運輸石門超前探測中，在巷道正前方有疑似導(dǎo)水?dāng)鄬哟嬖?，前?10 m區(qū)域出現(xiàn)低阻異常。

由圖6可看出，探測方向均為沿幫壁呈10°仰角， 4#層左2片平巷48～70 m、3#層左1片平巷60～110 m和右1片運輸石門50～85 m的走向中部均存在低阻異常區(qū)，其中，4#層左2片平巷低阻異常反應(yīng)區(qū)為上部采空區(qū)含水造成，3#層左1片平巷和右1片運輸石門存在疑似隱伏斷層，并具有導(dǎo)含水性，結(jié)合資料可以解釋為斷層裂隙水。

對判斷疑似區(qū)域進行定向工程鉆探驗證，工作面均出現(xiàn)淋水或出水，驗證了低阻區(qū)有一定的富水性。在掘進和回采中對異常區(qū)采取相應(yīng)的安全措施，從而保證工作面的安全生產(chǎn)。

4結(jié)論

(1)礦井瞬變電磁法為全空間電磁響應(yīng)。地層地質(zhì)體在橫向和垂向電性反映特征不同，回線匝數(shù)、工作裝置布置方式、回線尺寸、井下環(huán)境干擾因素影響等使得礦井瞬變電磁法探測及數(shù)據(jù)解釋較地面半空間探測要復(fù)雜得多。

(2)礦井瞬變電磁法在工程應(yīng)用中，根據(jù)探測要求和現(xiàn)場空間環(huán)境，采用合理工作裝置與組合，能實現(xiàn)多位置、多角度定向探測任務(wù)，提高探測工作效率和減小勞動強度。

(3)雞西礦區(qū)富強煤礦掘進巷道幫壁和掘進工作面超前探測實踐表明，礦井瞬變電磁法能夠極好地發(fā)現(xiàn)水害異常區(qū)，并確定出異常區(qū)的位置和范圍，判斷導(dǎo)含水構(gòu)造及隱伏斷層，取得了明顯的探測效果。

圖5　沿巷道掘進頭各條測線瞬變電磁探測視電阻率剖面

圖6　不同巷道幫壁瞬變電磁探測視電阻率剖面

參考文獻(xiàn)

[1]趙文署，劉軍，李永軍，等.瞬變電磁法在圪堆煤礦含(導(dǎo))水構(gòu)造超前探測中的應(yīng)用[J].華北科技學(xué)院學(xué)報,2014,11(3):1-5.

[2]黃曉容.礦井瞬變電磁法在水害超前探測中的應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40(3):77-79.

[3]李云波，李好.礦井瞬變電磁法富水體超前探測原理及應(yīng)用研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40(2)：69-72.

[4]程久龍，李飛，彭蘇萍，等.礦井巷道地球物理方法超前探測研究進展與展望[J].煤炭學(xué)報，2014，39(8):1742-1750.

[5]胡雄武，張平松，嚴(yán)家平，等.礦井瞬變電磁超前探測視電阻率擴散疊加解釋方法[J].煤炭學(xué)報，2014，39(5)：925-931.

[6]范濤，趙兆，吳海，等.礦井瞬變電磁多匝回線電感影響消除及曲線偏移研究[J].煤炭學(xué)報，2014，39(5)：932-940.

[7]武強.我國礦井水防控與資源化利用的研究進展問題和展望[J].煤炭學(xué)報，2014，39(5)：795-805.

[8]張軍，趙瑩，李萍，等.礦井瞬變電磁法在超前探測中的應(yīng)用研究[J].工程地球物理學(xué)報，2012，9(1)：49-53.

[9]陳善樂，汪華君，李雨成，等.基于瞬變電磁法探測工作面底板含水性研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42(3)：96-98.

[10]楊建增，王心義.富水異常區(qū)超前探查的綜合物探技術(shù)評價[J].河南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，32(2)：427-431.

(收稿日期2015-11-19)

張繼忠(1976—)，男，講師，150022 黑龍江省哈爾濱市松北區(qū)浦源路2468號。