崔江宏

(長治市高原綜合勘探工程有限公司，山西長治046000）

1 瞬變電磁法概述

瞬變電磁法是一種時間域電磁感應(yīng)方法，是基于導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的激勵磁場激發(fā)下引起渦流場的問題。如圖1、圖2所示，它的工作原理是利用不接地回線或接地線源作為發(fā)射回線，供給發(fā)射線圈一個電流脈沖波形，脈沖后沿下降的瞬間，會形成向地面下傳播的瞬變一次磁場。地下埋藏的導(dǎo)電體在這個一次磁場的激勵下將會產(chǎn)生渦流，一次場消失過后，導(dǎo)電體中產(chǎn)生的渦流不會隨著一次磁場的消失而馬上消失，而是有一個過渡過程。隨之將產(chǎn)生一個向地面下傳播的衰變的感應(yīng)電磁場(二次場)，通過在接收線圈或者接地電極上觀測到的二次場隨時間變化和剖面曲線特征，就可以體現(xiàn)地下導(dǎo)電體的電性分布情況，進(jìn)而判斷地面下不均勻體賦存的所在位置、形態(tài)及其電性特征。中國礦業(yè)大學(xué)最早將瞬變電磁方法引進(jìn)到井下探測工作中，研究內(nèi)容涉及全空間瞬變電磁場的分布規(guī)律、數(shù)值模擬和時深轉(zhuǎn)換等方面，另外在技術(shù)上對關(guān)斷時間、發(fā)射功率、發(fā)射線圈匝數(shù)和干擾因素等方面也進(jìn)行了研究試驗(yàn)[1-4]。

瞬變電磁探測技術(shù)根據(jù)延遲時間的不同測量二次感生電動勢V(t)，獲得二次感應(yīng)電磁場隨時間衰減的特性曲線，該感應(yīng)衰減曲線變化快慢的情況就反映出探測目標(biāo)體的相對電阻率的高低變化情況（如圖3所示）。

與地面裝置相比，井下空間范圍比較小，礦井中瞬變電磁探測工作選擇邊長較小的回線裝置，其邊長小于3m，一般是采用多匝發(fā)射、多匝接收的重疊裝置[5-6]。見圖4。

重疊回線裝置與其他裝置相比有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）對于任何形態(tài)的導(dǎo)體均能達(dá)到最佳耦合狀況；（2）響應(yīng)曲線形態(tài)比較簡單，易于分析，因?yàn)椴还苁谴嬖诹紝?dǎo)電覆蓋層或者是在圍巖導(dǎo)電的情況下，該裝置始終處在等效電流環(huán)的中心部位；（3）接收電平較高、穿透深度較大，測量結(jié)果分析解釋比較簡便[7-8]。

圖1 瞬變電磁法測量原理示意圖

圖2 瞬變電磁法衰減曲線示意圖

由于巷道迎頭左右兩幫和頂板多為錨聯(lián)網(wǎng)支護(hù)，或者存在大量鐵器和積水，對礦井瞬變電磁探測結(jié)果產(chǎn)生影響，導(dǎo)致結(jié)果中經(jīng)常出現(xiàn)視兩側(cè)呈現(xiàn)相對低阻而中間成像高阻特征的現(xiàn)象，帶來虛假低阻異常，而掩蓋了迎頭前方真正的低阻異常富水區(qū)域。為此在處理該類型數(shù)據(jù)時需排除兩側(cè)異常干擾，從而突出迎頭前方異常富水區(qū)域。

圖3 不同電阻率值目標(biāo)體的二次場衰減電位曲線變化圖

圖4 礦井瞬變電磁法中重疊回線裝置圖

2 觀測系統(tǒng)布置

為了有效、全面地探測巷道迎頭前方一定空間范圍內(nèi)電阻率分布特征，現(xiàn)場探測在巷道迎頭按扇形布置測點(diǎn)，形成扇形觀測系統(tǒng)[8]，具體測點(diǎn)布置如圖5所示，巷道迎頭共布置11組探測點(diǎn)，使發(fā)射天線和接收天線的法線方向與巷道迎頭方向夾角為45°（即天線法線方向與左幫夾角）采集第1組數(shù)據(jù)，然后按9°順時針方向旋轉(zhuǎn)天線，直至天線法線方向與巷道右?guī)蛫A角45°。每組探測點(diǎn)依次探測頂板30°、水平和底板30°三個方向，即11個方向，每個方向采集3個數(shù)據(jù)，共計33個數(shù)據(jù)。通過在多個角度和方向系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，可以盡可能探明前方空間電阻率分布情況，獲得更加完整的信息。

3 現(xiàn)場地質(zhì)概況

山西長治市輝坡煤礦3201準(zhǔn)備面回風(fēng)順槽掘進(jìn)時，頂板淋水比較大，達(dá)10～15m3/h，取樣化驗(yàn)分析，分析結(jié)果表明為頂板砂巖水。該面所處位置為Z2向斜的南翼部，對應(yīng)井田邊界北部襄垣煤礦1063準(zhǔn)備面回風(fēng)順槽，頂板砂巖較大范圍淋水，水量達(dá)20m3/h。襄垣煤礦處在深部位于Z2向斜軸部回采的1061綜采工作面涌（突）水量達(dá)102m3/h。以上資料表明Z2向斜附近煤層頂板砂巖裂隙較為發(fā)育、富水性較強(qiáng)，涌水量較大，實(shí)踐證明該向斜軸部為一富水帶，將對3201、3202、3203工作面生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重的影響。

3101工作面位于輝坡井田向斜軸部，為2008～2009年采空區(qū)，估計采后的老空區(qū)已積水，積水量不清。該采空區(qū)積水水位升高，老空水可沿砂巖裂隙、層面裂隙從高位向低位傳遞運(yùn)移，將成為開采3201等工作面的補(bǔ)給水源。

圖6所示為本次礦井瞬變電磁超前探測成果，結(jié)合礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)和生產(chǎn)資料等綜合分析，本次探測結(jié)果解釋如下：本次探測位置正前方40m范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯低阻異常區(qū)域，屬于弱含水區(qū)域特征，無較強(qiáng)含水體反應(yīng)。在迎頭前方60m以外左側(cè)存在低阻異常區(qū)域（小于10Ω·m）。在迎頭前方30m以外右側(cè)存在低阻異常區(qū)域（小于10Ω·m）。

圖5 現(xiàn)場布置示意圖

4 總結(jié)與分析

后期經(jīng)過鉆探驗(yàn)證表明，探測出的相對低阻異常區(qū)域?yàn)槔峡辗e水區(qū)域，該區(qū)域存在相對富水異常。為礦井安全掘進(jìn)提供了指導(dǎo)。結(jié)合礦井地質(zhì)資料和本次探測驗(yàn)證成果，礦井瞬變電磁超前探測中以視電阻率值在4～12Ω·m之間圈定相對富水低阻異常區(qū)比較可靠。

在現(xiàn)場探測中瞬變電磁探測技術(shù)主要受到以下幾個因素的影響：

（1）巷道迎頭鐵器及兩側(cè)支護(hù)影響：在每次的瞬變電磁探測結(jié)果中都在兩側(cè)出現(xiàn)相對低阻異常影響區(qū)域，這主要是由于瞬變電磁儀器主要接收相對低阻異常體感應(yīng)的二次場信號，而巷道迎頭及兩側(cè)支護(hù)中的錨網(wǎng)、錨桿和工字鋼等相對低阻體也能感應(yīng)產(chǎn)生二次場信號，在探測結(jié)果中就會出現(xiàn)兩側(cè)相對低阻異常影響區(qū)域。由于巷道中的鐵器和支護(hù)離接收線圈很近，因此造成的這種假異常低阻影響區(qū)域和范圍很大。因此采取應(yīng)對解決方法有3個：①在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集中盡可能避免和排除探測前方有較大鐵器干擾；②在數(shù)據(jù)處理中剔除和校正這部分干擾數(shù)據(jù)；③在數(shù)據(jù)解釋中將該兩處相對低阻異定性為虛假異常影響區(qū)域。

圖6 3201工作面回風(fēng)順槽超前探測成果圖

（2）迎頭前方巖體巖性變化和迎頭頂板淋水的影響：掘進(jìn)迎頭前方的小構(gòu)造產(chǎn)生的巖性變化對瞬變電磁的探測結(jié)果也有一定的影響，主要表現(xiàn)在相對高阻煤層中構(gòu)造影響面附近出現(xiàn)大量相對低阻區(qū)域，這是由于煤層是相對高阻，而其中伴隨斷層構(gòu)造出現(xiàn)的構(gòu)造影響面是相對低阻區(qū)域，因此在探測結(jié)果中電阻率分布與巖體中的相對富水區(qū)域表現(xiàn)形態(tài)類似。因此在探測成果解釋分析中需要加強(qiáng)對這類異常低阻的識別和地質(zhì)資料的結(jié)合。

（3）雜散隨機(jī)環(huán)境電磁噪聲影響：瞬變電磁探測技術(shù)是以巖體中的電磁波的發(fā)射和接收為基礎(chǔ)的應(yīng)用技術(shù)，井下施工中需求大量工業(yè)用電，各種電器的開關(guān)和運(yùn)行會產(chǎn)生大量隨機(jī)雜散電磁波，在現(xiàn)場探測中若是遇到這種電磁波干擾給探測結(jié)果也會帶來一定隨機(jī)干擾影響。