唐福瑞

山西華晉韓咀煤業(yè)有限責(zé)任公司

瞬變電磁法在煤礦防治水工作中的應(yīng)用

唐福瑞

山西華晉韓咀煤業(yè)有限責(zé)任公司

目前在影響我國煤礦安全高效生產(chǎn)的諸多因素中，礦井水害占較重的比例，特別是以房柱式采空區(qū)林立的韓咀礦水害威脅尤為突出。本文介紹韓咀礦探測富水區(qū)常用的礦井瞬變電磁法，著重闡述了礦井瞬變電磁法的基本原理、工作方法，并以實例說明礦井瞬變電磁法在韓咀礦富水性探測方面的應(yīng)用效果。

瞬變電磁法；房柱式采空積水區(qū)；水害

引言

韓咀礦水文地質(zhì)類型中等，其井田邊界內(nèi)小窯林立且多以房柱式采空方式采掘。這樣就急需一種行之有效的物探方法對韓咀礦在掘巷道迎頭前方可能存在的含水體的空間位置及大小進行準(zhǔn)確的預(yù)測預(yù)報，達到保障人員、設(shè)備安全的目的。

瞬變電磁法是利用不接地回線于井下巷道內(nèi)設(shè)置通以一定電流的發(fā)射線圈，發(fā)射電流會在回線周圍空間中建立一個穩(wěn)定的磁場。由于電磁場在空氣中傳播的速度很快，當(dāng)電流斷開時，一次磁場的劇烈變化首先傳播到發(fā)射回線周圍巷道頂、底板和側(cè)幫，因此，最初激發(fā)的感應(yīng)電流局限于巷道附近的巖層中。感應(yīng)電流的分布是不均勻的，在緊靠發(fā)射回線一次磁場最強的巷道頂、底板處感應(yīng)電流最強。隨時間的推移，巷道周圍的感應(yīng)電流逐漸向外擴散， 強度逐漸減弱，分布趨于均勻。在發(fā)射電流剛關(guān)斷時，該環(huán)狀線電流緊挨發(fā)射回線，與發(fā)射回線具有相同的形狀，該電流環(huán)隨時間推移向外擴散，并逐漸變形為圓電流環(huán)。等效電流環(huán)像是從發(fā)射線圈中吹出來的“煙圈”，將電流向外擴散的過程形象的稱之為“煙圈效應(yīng)”。

1 礦井瞬變電磁探查技術(shù)

1.1 測量裝置。發(fā)射功率和發(fā)射磁矩與礦井瞬變電磁法的探測深度有關(guān)，較大的發(fā)射功率和發(fā)射磁矩有利于增強感應(yīng)信號幅值，延緩感應(yīng)信號的衰減時間，增強信噪比，進而提高探測深度。發(fā)射功率W=U×I(U為供電電壓，I為發(fā)射電流)，發(fā)射磁矩M=S×N×I(S為發(fā)射線圈的面積，N為匝數(shù))。根據(jù)煤礦安全規(guī)程中的煤安要求，發(fā)射電流不能過大；增大供電電壓則需要增加串聯(lián)的電池數(shù)量，給施工帶來不便；增加發(fā)射線圈匝數(shù)又會導(dǎo)致關(guān)斷時間變長，無法探測到更淺部的異常構(gòu)造，又考慮到巷道迎頭附近空間有限，不能采用大尺寸的線圈組合。通過多次數(shù)值模擬與物理實驗，設(shè)計了2m×2m的多匝數(shù)方形重疊回線測量裝置，實驗結(jié)果顯示，該裝置對模擬巷道前方異常構(gòu)造特別是含水構(gòu)造效果明顯。實踐表明，采用此類裝置具有輕便快捷、與巷道迎頭前方異常構(gòu)造耦合好、信噪比高等優(yōu)點。

1.2 施工方法。井下施工時，設(shè)計如下九個測點。當(dāng)巷道迎頭前方存在較大的未知構(gòu)造時，會破壞巖層的整體性從而使巖層電性產(chǎn)生明顯差異，通過分析巷道左、右側(cè)幫與迎頭前方的視電阻率等值線圖，可以看出巖層電性變化明顯的位置，從而推斷出未知構(gòu)造的位置，對含水構(gòu)造效果尤其明顯。（見圖1）

根據(jù)礦井水文地質(zhì)資料分析，確定巷道迎頭前方可能發(fā)育的構(gòu)造特別是含水構(gòu)造距迎頭的距離，依據(jù)瞬變電磁場“煙圈效應(yīng)”理論，結(jié)合井下巷道的實際條件，將測量裝置布置在巷道迎頭附近，確保巷道迎頭前方可能發(fā)育的構(gòu)造在一次場輻射的錐體范圍內(nèi)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，有較大構(gòu)造的位置產(chǎn)生的感應(yīng)渦流場與無較大構(gòu)造處存在明顯不同，在一次場關(guān)閉后，接受回線中將感應(yīng)不同的二次場。如果構(gòu)造不在一次場輻射的錐體范圍內(nèi)，將不會產(chǎn)生異常的感應(yīng)渦流場。因此，礦井瞬變電磁探查方向設(shè)計的準(zhǔn)確性直接影響到其探測效果。

為了更準(zhǔn)確的分析巷道迎頭前方視電阻率等值線的異常位置所在，我們設(shè)計將1-3和7-9號測點數(shù)據(jù)分別繪制到與4-6號測點數(shù)據(jù)平行的迎頭斷面上，將左、右側(cè)幫和迎頭前方的視電阻率等值線整合在一張矩形圖上，這樣可以非常直觀的通過對比左右側(cè)幫與迎頭前方巖層的電性差異，推斷出較大構(gòu)造的位置。所測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過礦井瞬變電磁處理軟件采用預(yù)處理、時深轉(zhuǎn)換和深度校正等步驟，生成dat文件，然后調(diào)用surfer軟件，從而繪制出視電阻率等值線圖。

2 應(yīng)用

通過綜合利用井下及地面瞬變電磁探測成果，我們對異常區(qū)的大概范圍進行了圈定。由于瞬變電磁法縱向分辨率很低，井下瞬變電磁探測的成果是無法實現(xiàn)對含水體位置的準(zhǔn)確定位的。我們利用地面瞬變電磁較高的橫向分辨率從整體上把握采空區(qū)的水平分布范圍，利用地面瞬變電磁取得的采空邊界信息對井下瞬變電磁數(shù)據(jù)的時間-深度反演進行反向干預(yù)，達到準(zhǔn)確解釋含水體賦存范圍的目的，使得在1211輔運巷的采掘規(guī)劃重新得到合理的安排。（見圖2）

圖1 礦井瞬變電磁超前探測測點布置

圖2 1211輔運巷580m處瞬變電磁探測成果圖

結(jié)論

后期的鉆探驗證情況表明：物探異常區(qū)與鉆探出水點分布區(qū)域吻合良好，達到了物探對災(zāi)害水源預(yù)測預(yù)報的目的。

經(jīng)過多次探測，表明瞬變電磁法探測采空區(qū)、積水區(qū)是科學(xué)準(zhǔn)確的。利用瞬變電磁法能強化煤礦防治水能力，豐富了防治水的技術(shù)手段，為采掘工作面的安全生產(chǎn)提供可靠的地質(zhì)保證。但沒有任何一種技術(shù)手段是絕對正確的，在實際工作中，應(yīng)采取多種物探鉆探手段進行多方位的驗證，從而保證工作面的生產(chǎn)安全。

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