竇文武，楊新亮，安晉松，甘露

（山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006）

礦井瞬變電磁法勘探干擾及異常分析研究
——長平礦井下超前探測技術(shù)研究

竇文武，楊新亮，安晉松，甘露

（山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006）

以長平煤礦為試驗地點，采用瞬變電磁法對掘進(jìn)巷道進(jìn)行超前探測，研究分析煤巖體天然場、干擾背景場以及數(shù)據(jù)處理對探測結(jié)果的影響；確定探測有效距離，并根據(jù)探測距離對數(shù)據(jù)進(jìn)行反演；總結(jié)出瞬變電磁法視電阻率變化特征，為后期探測工作提供了參考。

瞬變電磁；超前探測；干擾因素；異常體

1 礦井概況

長平煤礦井田內(nèi)主要出露地層為二疊系上統(tǒng)上石盒子組，二疊系上統(tǒng)石千峰組及三疊系下統(tǒng)劉家溝組，第四系分布于山梁和溝谷，井田面積為43.509 9 km2，生產(chǎn)規(guī)模400萬t/a，批準(zhǔn)開采3號煤層，開采深度680 m至300 m標(biāo)高。3號煤層位于山西組下部，上距K8砂巖30.30 m～46.07 m，平均38.86 m；下距K7砂巖5.63 m～11.81 m，平均8.97 m；煤層厚度4.56 m～6.83 m，平均厚5.70 m，屬全區(qū)穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層。該煤層含泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸0-3層，結(jié)構(gòu)簡單-較簡單。頂板主要是泥巖、砂質(zhì)泥巖、次為粉砂巖，局部為中、細(xì)粒砂巖或粉砂巖。底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖，深灰色粉砂巖。

井下超前探測研究以長平礦3號煤層為主，詳細(xì)分析長平礦的地質(zhì)資料，制定了掘進(jìn)巷道超前探測方案。應(yīng)用瞬變電磁法對長平礦進(jìn)行無縫隙全覆蓋跟蹤探測3 a，研究長平礦區(qū)煤巖層的地球物理響應(yīng)特征，摸索出長平礦煤巖層之間的視電阻率反應(yīng)特征，總結(jié)出瞬變電磁法視電阻率變化特征，為后期探測工作提供了參考。

2 數(shù)據(jù)反演經(jīng)驗值確定分析

儀器的性能和數(shù)據(jù)處理的方法直接影響探測結(jié)果的準(zhǔn)確度，不同儀器、不同電流、不同發(fā)射線圈的最小分辨時間各不同，不同巖體的電阻率也不同，因此每次采集的數(shù)據(jù)要結(jié)合設(shè)備、現(xiàn)場確定反演系數(shù)[1-2]。

2.1 盲區(qū)的大小經(jīng)驗值確定

最小探測距離為最早可識別有用信號的穿透距離。線框邊長越大，煤層電阻率越高，瞬變電磁可探測的最小距離越大，即瞬變電磁法的“盲區(qū)”越大；線框邊長越小，煤層電阻率越小，瞬變電磁法的“盲區(qū)”越小。根據(jù)地面最小探測深度hmin計算公式：

改進(jìn)礦井盲區(qū)計算公式為

式中：c為經(jīng)驗量，m/（Ω·s）；tmin為最小可分辨時間，s；p為表層視電阻率，Ω·m[3]。

以某型號儀器為例，發(fā)射電流2.7 A，電壓8.4 V，發(fā)射線圈2 m×2 m×32匝，接受線圈2 m×2 m×60匝，圖1為一組不同測點的電位曲線圖，曲線的拐點處對應(yīng)的坐標(biāo)為最小分辨點，最小分辨時間大約為2 ms,長平礦區(qū)的3號煤層電阻率在0.1 Ω·m～200 Ω·m之間；按煤層電阻率200 Ω·m，盲區(qū)30 m計算，c的值為2.25×103m/Ω·s；同時根據(jù)該經(jīng)驗值可以計算不同參數(shù)的盲區(qū)大小。

圖1 電位曲線

2.2 最遠(yuǎn)探測距離經(jīng)驗值確定

探測的距離與發(fā)射電流、磁矩、煤層電阻率等因素有關(guān)；地面計算最大探測深度公式為

改進(jìn)公式為

式中：M為磁矩，A·m2，a為經(jīng)驗量，m2；u為最小可分辨電壓，V；p為表層視電阻率，Ω·m。

以某型號儀器為例，發(fā)射電流2.7 A，電壓8.4 V，發(fā)射線圈2 m×2 m×32匝，接受線圈2 m×2 m×60匝，如圖1所示，最小分辨電位大約為105μV·A，長平礦區(qū)的3號煤層電阻率在0.1 Ω·m～200 Ω·m之間；按煤層電阻率200 Ω·m，探測距離為100 m計算，a的值為5.5×103m2；同時根據(jù)該經(jīng)驗值可以計算不同參數(shù)的探測距離。

3 干擾源試驗分析

試驗儀器采用國內(nèi)某型號瞬變電磁儀，2 m×2 m的多匝重疊回線裝置，發(fā)射線框為26匝，接收線框為60匝,電流、電壓、疊加參數(shù)等固定[4]。

3.1 大型鐵器干擾

掘進(jìn)機(jī)緊貼迎頭，離線框分別2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m和16 m時測的數(shù)據(jù)，反演結(jié)果見圖2。由圖可知，距大型鐵器越近視電阻率值越小，瞬變電磁場受到后方鐵器的抑制，整體電阻值降低，當(dāng)機(jī)組退后4 m時阻值基本穩(wěn)定，因此在實際工作中，要求將掘進(jìn)機(jī)退后4 m以上才能保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖2 大型鐵器干擾試驗成果

3.2 井下錨網(wǎng)干擾試驗

在一巷道兩幫掛有金屬錨網(wǎng)，巷道寬3 m，讓線框緊貼錨網(wǎng)，間隔0 m，測量正對著錨網(wǎng)的方向，然后將線框法線方向垂直向后遠(yuǎn)離錨網(wǎng)移動，分別20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm、120 cm、……。通過測量反演分析結(jié)果（見圖3），可以看出，在距錨網(wǎng)60 cm后，測量線框受到錨網(wǎng)的影響比較小，距離1.8 m時受后方錨網(wǎng)影響。所以,建議測量數(shù)據(jù)時，將線框放在距錨網(wǎng)60 cm左右的距離。

圖3 井下錨網(wǎng)干擾試驗成果

3.3 U型鋼干擾試驗

圖4為線圈法面垂直于U型鋼，距U型鋼0 m、1 m、2 m、3 m時各個測點的瞬變電磁場響應(yīng)分布結(jié)果。根據(jù)U型鋼在線圈法線平面平行方向瞬變電磁場特征分布結(jié)果分析，背景值與實測值一致時，表示干擾消失，由U型鋼干擾試驗的電壓-測道曲線結(jié)果綜合分析認(rèn)為，線圈法面垂直于U型鋼時，U型鋼離開線框側(cè)邊1.0 m時，干擾影響消失；線圈法面平行于U型鋼時，U型鋼距線圈平面2.0 m時，干擾影響消失。

4 視電阻率異常值分析

在多次試驗與探測過程中發(fā)現(xiàn)，瞬變電磁視電阻率異常值不是固定的，除受鐵器影響之外，成圖軟件和數(shù)據(jù)反演軟件的差異，也會造成視覺和判斷的錯誤，因此，排除干擾之后，判斷是否為異常體尤為重要，下面針對這種情況進(jìn)行分析[5]。

4.1 異常值不是固定的，是相對的

不同區(qū)域、不同儀器、不同背景會生成不同的結(jié)果。因此，對異常的圈定不能以某個值為判斷標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)，低阻異常一般低于最高阻值（刪去異常跳動點后）的1/5。如圖5所示：最高視電阻率為90 Ω·m，低阻異常確定為18 Ω·m以下。圖6-圖8中Y軸為掘進(jìn)頭前方距離，m，X軸負(fù)坐標(biāo)方向?qū)?yīng)掘進(jìn)頭位置左側(cè)幫，m，正坐標(biāo)方向?qū)?yīng)掘進(jìn)頭位置右側(cè)幫，m；色標(biāo)從藍(lán)色到紅色表示視電阻率不斷升高，Ω·m。

圖5 長平礦23101巷525m處順層視電阻率圖

圖6 84301主運巷380 m處順層

4.2 低阻異常并非是阻值小的部分

每個結(jié)果都有最低值，但不一定就是異常區(qū)域，可能為干擾影響，也可能為正常反應(yīng)，因此，一定要結(jié)合地質(zhì)資料、現(xiàn)場和成圖整體趨勢來確定[6]。如圖6所示：84301巷為3號煤層的底抽巷，主要作用是泄壓、抽瓦斯，最高視電阻率為40 Ω·m，按4.1性質(zhì)判定最高阻值的1/5為8 Ω·m。實際現(xiàn)場情況有架棚支護(hù)，頂板為K7砂巖，與3號煤層間距10 m，富水性較弱，整體曲線均勻分布。因此，結(jié)果受鐵器干擾使整體視電阻率降低，屬于正常衰減，經(jīng)實際揭露驗證此處并無異常。

4.3 同區(qū)域、同儀器視電阻率變化應(yīng)基本穩(wěn)定

不同儀器、不同區(qū)域，數(shù)據(jù)反演結(jié)果會大不相同，但同一儀器對固定區(qū)域的反應(yīng)是比較固定的。以某型號為例來說，通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，長平礦一盤區(qū)、二盤區(qū)正常視電阻值處于20 Ω·m～150 Ω·m之間，三盤區(qū)正常視電阻值處于20 Ω·m～120 Ω·m之間，阻值偏低。四盤區(qū)和保護(hù)層正常視電阻值處于30 Ω·m～200 Ω·m之間。在排除干擾可能性后，低于下限時，就需要判定是否為低阻異常；高于上限時就要考慮高阻異常了。

4.4 整體對比確定是否為異常

同一圖層看是否與周邊阻值、曲線有明顯不同，不同圖層看是否在同一區(qū)域有異常反應(yīng)[7]。如圖7所示：頂板方向有1個低阻異常區(qū)，順層方向有2個異常區(qū)，其中右?guī)偷妥璁惓Ｅc頂板方向的對應(yīng)，而中間異常區(qū)與頂、底板均無對應(yīng)，因此該異常是不可靠的，在實際揭露驗證中該區(qū)域無淋水現(xiàn)象。

圖784301 輔運巷527m處探測圖

5 結(jié)束語

瞬變電磁勘探受環(huán)境影響較大，因此探測前期要先收集相關(guān)地質(zhì)資料，進(jìn)行相關(guān)試驗。首先根據(jù)儀器的性能和礦區(qū)的地質(zhì)條件確定探測有效距離，再根據(jù)探測距離對數(shù)據(jù)進(jìn)行反演；其次，根據(jù)儀器的抗干擾性確定數(shù)據(jù)采集時注意事項和現(xiàn)場可采數(shù)據(jù)的條件；最后,根據(jù)積累的經(jīng)驗和相關(guān)資料判斷探測區(qū)域是否有異常，異常最可能是什么。

[1]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)境，2013,40(6):77-79.

[2] 關(guān)水純.結(jié)合瞬變電磁儀探測分析采煤工作面異常涌水[J].山東煤炭科技，2013(3):215-216.

[3]賈樹林.礦井瞬變電磁超前探測盲區(qū)的研究和應(yīng)用[J].能源技術(shù)與管理，2012(4):15-16.

[4] 譚嘉言，高敬語.強(qiáng)干擾環(huán)境下提高瞬變電磁數(shù)據(jù)采集信噪比的試驗[J].物探與化探，2013，37（4）：720-723.

[5]牟義，李文.礦井瞬變電磁法在工作面頂板富水性探測中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2011,42（1）：104-107.

[6] 楊培，呂東亮.瞬變電磁法在復(fù)雜地段巷道水害探測中應(yīng)用[J].能源技術(shù)與管理，2013，38（4）：144-146.

[7]李實，宋建平，李創(chuàng)社.瞬變電磁儀中幾種干擾的消除方法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2001，35（4）：373-376.

（編輯：樊 敏）

Disturbance and Anomaly Analysis with Transient Electromagnetic Method in Mines: Advanced Detection Technology in Changping Mine

DOU Wenwu,Yang Xinliang,AN Jinsong,GAN Lu
(Institute of Technology Co.,Ltd.,Shanxi Jincheng Anthracite Group,Jincheng 048006,China)

In Changping Mine,transient electromagnetic method was used in the advanced detection of drivingroadways tostudythe natural field ofcoal-rock,disturbance background field,and effects ofdata processing on the detection results.The effective distance of the detection was determined and then it was used in inversion calculation of the data in order to conclude the variation of apparent resistivity of the transient electromagnetic method,which could be references for the future work.

transient electromagnetic method;advanced detection;disturbance factors;anomaly

P631.6

A

1672-5050（2016）04-008-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.08.003

2016-03-06

竇文武（1982-），男，山西武鄉(xiāng)人，碩士，工程師，從事煤礦井下物探工作。