李杰+王康

摘 要：為查明回采工作面底板水文地質(zhì)條件及富水情況，保證安全回采，采用PROTEM瞬變電磁儀對(duì)郁山23091工作面開(kāi)展井下瞬變電磁全方位探測(cè)。數(shù)據(jù)提取并整理完善后，在BETEM中按順序經(jīng)過(guò)多種校正、轉(zhuǎn)換和正、反演計(jì)算等，從而得到全空間視電阻率，取得良好的探測(cè)效果。實(shí)踐證明：瞬變電磁法是一種高效的水情水害探測(cè)手段，對(duì)低阻體探測(cè)反應(yīng)靈敏、分辨率高，在實(shí)際應(yīng)用中與水文地質(zhì)資料充分結(jié)合，可以正確指導(dǎo)煤礦防治水工作。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁；視電阻率；富水區(qū)段；低阻

瞬變電磁法是井下物探最常用的方法，其應(yīng)用領(lǐng)域可用于解決煤礦各類(lèi)水文地質(zhì)問(wèn)題，是煤礦水害隱患災(zāi)害探測(cè)中的重要手段。具有無(wú)損、簡(jiǎn)潔、分辨率高[1]，并且可以全空間探測(cè)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)[2]。近10年得到迅速發(fā)展。

瞬變電磁勘探法的控制范圍包括：俯探、內(nèi)俯、外俯、斜上、斜下等，屬于三維立體探測(cè)，測(cè)距一般取20～100m（前20m一般為物探盲區(qū)）。探測(cè)范圍廣，含水異常定性準(zhǔn)確，通過(guò)對(duì)巷道的內(nèi)幫及外幫多角度空間探測(cè)，可查明工作面底板富水區(qū)域及外圍老窯水、含水構(gòu)造等各類(lèi)異常分布情況[3]。為確定水文孔位置，注漿改造劃分重點(diǎn)區(qū)域提供依據(jù)，并為檢驗(yàn)注漿改造效果提供參考，服務(wù)于煤礦安全生產(chǎn)[4-5]。

1 瞬變電磁技術(shù)理論

瞬變電磁法的工作原理是利用發(fā)射回線(xiàn)向地下發(fā)射不同頻率的電磁脈沖，即穩(wěn)定電流，該電流的下降沿產(chǎn)生變化的一次場(chǎng)并向周?chē)臻g擴(kuò)散。當(dāng)穩(wěn)定電流被突然切斷時(shí)，磁場(chǎng)迅速衰減。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，為阻止衰減，在地下介質(zhì)中將產(chǎn)生二次場(chǎng)，即瞬變電磁場(chǎng)。該場(chǎng)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，向下傳播并向周?chē)鷶U(kuò)散。其傳播速度、擴(kuò)散方式和強(qiáng)度依賴(lài)地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)特征[6]。

瞬變電磁場(chǎng)在地層介質(zhì)中的擴(kuò)散可以用“煙圈”概念加以形象化（見(jiàn)圖1）。在早期，感應(yīng)電流主要分布在發(fā)射偶極子附近，隨著時(shí)間的增加，感應(yīng)電流向下及向外擴(kuò)散，感應(yīng)電流的這種移動(dòng)方式，叫做二次渦流場(chǎng)，有時(shí)稱(chēng)為“煙圈”。渦流場(chǎng)表現(xiàn)與地下介質(zhì)的電性有關(guān)。同類(lèi)巖層相比，巖層較為完整時(shí)視電阻率值一般相對(duì)較高，引起的渦流場(chǎng)較弱；而巖層富水時(shí)視電阻率值相對(duì)較低，引起的渦流場(chǎng)較強(qiáng)，所以，通過(guò)觀測(cè)二次渦流場(chǎng)就可以掌握地下介質(zhì)的視電阻率值分布情況。

在井下某測(cè)點(diǎn)觀測(cè)瞬變電磁場(chǎng)的傳播過(guò)程，就可以采集到一條瞬變電磁場(chǎng)曲線(xiàn)，經(jīng)過(guò)后期數(shù)據(jù)處理和反演，便可獲取此測(cè)點(diǎn)地下的電阻率值等。見(jiàn)圖2

2 數(shù)據(jù)解譯

BETEM是為瞬變電磁法的數(shù)據(jù)處理和解釋開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用軟件。該軟件采用相對(duì)成熟的技術(shù)和方法，具有高精度和高分辨率的特點(diǎn)。該軟件包采用模塊式結(jié)構(gòu)，每個(gè)模塊可以獨(dú)立執(zhí)行不同的功能。主要步驟如下包括

（1）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：包括數(shù)據(jù)歸一化處理、重新采樣、極性校正、測(cè)點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)編輯等。

（2）數(shù)據(jù)處理：主要是計(jì)算全程視電阻率。包括噪音剔除、畸變校正、一次場(chǎng)消除、關(guān)斷時(shí)間校正等。

（3）數(shù)據(jù)解釋?zhuān)阂曤娮杪实囊痪S正反演，電阻率成像變換、擬二維電性剖面和擬三維切片等。

數(shù)據(jù)解譯完畢后可導(dǎo)入Suerfer專(zhuān)業(yè)成圖軟件，繪制出電視阻率等高線(xiàn)剖面圖。充分結(jié)合地質(zhì)資料或其他物探或鉆探成果進(jìn)行對(duì)比。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 測(cè)區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

郁山煤業(yè)23091工作面煤層賦存較為穩(wěn)定，平均煤厚約2.79m，煤層平均傾角19°，煤層含有1層夾矸，厚度0.15～0.35m。煤層直接頂板為細(xì)中粒砂巖，平均厚度11.44 m，底板為炭質(zhì)泥巖，平均厚度3.11m。工作面北鄰郁山斷層，該斷層傾角約70度，落差30～60m，與工作面間留有斷層煤柱。工作面掘進(jìn)過(guò)程中未揭露斷層。

二1煤層底板對(duì)采掘有影響的含水層主要有太原組灰砂巖含水層和寒武系灰?guī)r含水層。其中寒武系灰?guī)r含水層溶裂隙發(fā)育和富水性極不均勻，該含水層距二1煤層平均48m，水位標(biāo)高約+110m，測(cè)區(qū)范圍內(nèi)二1煤層底板隔水層承受的寒灰水壓最大約1.6MPa，突水系數(shù)0.04 MPa/m，正常情況下，寒灰水對(duì)開(kāi)采影響較小。

3.2 施工方法

本次23091工作面瞬變電磁勘探采用偶極布置方式（見(jiàn)圖3）在巷道內(nèi)進(jìn)行施工。

分別在23091工作面上巷、切眼和下巷分別布置工程測(cè)線(xiàn)2條，即底板垂直勘探線(xiàn)和底板內(nèi)俯30°勘探線(xiàn)。共完成測(cè)線(xiàn)6條，總長(zhǎng)1940m，實(shí)測(cè)物理點(diǎn)194個(gè)。點(diǎn)距10m，1m×1m發(fā)射框，電流1A，發(fā)射頻率25Hz。探測(cè)路線(xiàn)如圖4所示。

3.3 成果分析

圖5和圖6即為選取23091工作面下巷底板垂探和內(nèi)俯30゜瞬變電磁電阻率剖面圖，橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)位置，縱坐標(biāo)為探測(cè)深度，

圖中曲線(xiàn)為富水性分析指標(biāo)等值線(xiàn)，不同色標(biāo)代表視電阻率的大小，數(shù)值約小，視電阻率越低，富水性也越強(qiáng)，即所謂低阻異常區(qū)。

圖5可以看出，巷道切眼口向外310-380 m范圍內(nèi)低阻異常區(qū)視電阻率較低，處于底板45 m以深區(qū)域，阻值較低，分析此異?？赡苁艿装搴畬恿严冻渌绊懰?，需做進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖6可以看出，巷道內(nèi)爭(zhēng)取視電阻率較高，并無(wú)明顯異常。

4 結(jié)論

郁山煤礦23091工作面底板瞬變電磁勘探基本達(dá)到了預(yù)期目的和探測(cè)效果。通過(guò)實(shí)地工作和現(xiàn)場(chǎng)總結(jié)，認(rèn)為該方法有以下特點(diǎn)：

（1）不受高阻屏蔽，探測(cè)深度可達(dá)100m以上。二1煤層底板隔水層厚度普遍在50m左右，滿(mǎn)足礦方探測(cè)需求；

（2）探測(cè)靈敏度高。由于是在切斷原始激發(fā)場(chǎng)的情況下觀測(cè)二次感應(yīng)場(chǎng)，富水低阻異常區(qū)段內(nèi)能引起較強(qiáng)的二次渦流場(chǎng)，因此對(duì)低阻含水地質(zhì)異常體的電性結(jié)構(gòu)變化具有很好的分辨能力；

（3）井下瞬變電磁勘探法是一種高效的物探手段，近200個(gè)實(shí)際測(cè)點(diǎn)可在四個(gè)小時(shí)內(nèi)完成，與直流電法相比，無(wú)需布極，且具有全空間探測(cè)優(yōu)勢(shì)，方法靈活，對(duì)于復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，瞬變場(chǎng)可顯示出明顯的異常特征。

參考文獻(xiàn)

[1]李玉寶.煤礦井下物探技術(shù)發(fā)展回顧與展望[J].中國(guó)礦業(yè)，2012，21（8）：449-451.

[2]姚小帥，申青春，楊培，郝會(huì)安，伊?xí)宰?瞬變電磁技術(shù)在井下水文孔選址中的應(yīng)用[J].中州煤炭，2012，06：83-84.

[3]張春光，姚小帥，申青春，郭振橋，廉潔.瞬變電磁技術(shù)在煤層底板巖溶水探測(cè)中的應(yīng)用[J].煤炭工程，2014，01：76-79.

[4]廉潔，姚小帥，申青春，王啟軍.基于扇形成像方法的井下瞬變電磁超前探測(cè)技術(shù)應(yīng)用[J].中州煤炭，2011，08：53-54.

[5]李松營(yíng)，楊培，姚小帥.利用瞬變電磁法測(cè)定井下水源井位置[J].中國(guó)煤炭地質(zhì)，2013，25（6）：58-60.

[6]劉國(guó)棟.電磁方法研究與勘探[M].北京：地震出版社，1993，1-21.

作者簡(jiǎn)介

李杰（1987-），男，助理工程師，畢業(yè)于河南省理工大學(xué)，現(xiàn)從事地質(zhì)、水文地質(zhì)工作。