張龍科，王 磊

(1.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021；2.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

在資源開采過程中經(jīng)常會碰到一些較大的地質(zhì)災(zāi)害，這些地質(zhì)災(zāi)害不僅打破了資源空間的連續(xù)性，而且很有可能導(dǎo)致礦井事故，給煤礦安全生產(chǎn)造成了很大的威脅。因此礦井超前物探具有非常重要的意義。礦井瞬變電磁法是近些年在礦井巷道內(nèi)探查其周圍空間物質(zhì)以及含水構(gòu)造的一種礦井物探方法，此方法的體積效應(yīng)小、分辨率高、對低阻區(qū)敏感，是目前礦井水害探測的最佳方法之一[1-4]。

該鉆探方法雖然準確，但其效率低、成本高，對巷道的正常掘進生產(chǎn)影響大，另外鉆孔探測為一孔之見，不能對前方大區(qū)域的范圍給予評價，盲目性極強。因此，開展了礦井瞬變電磁超前探測的應(yīng)用實踐，以期高效、準確地解釋巷道迎頭的前方地質(zhì)狀態(tài)，進而提高礦井的生產(chǎn)效率。

1 礦井瞬變電磁法理論基礎(chǔ)

1.1 礦井瞬變電磁法原理

磁場方面：礦井瞬變電磁法(MTEM)是利用不接地回線，在井下巷道內(nèi)擺設(shè)通額定電流的發(fā)射線圈，使其周圍的空間發(fā)生電磁感應(yīng)產(chǎn)生了一次電磁場，在巷道周圍的導(dǎo)電良好的巖礦體中也產(chǎn)生了一次電磁場，并使巷道周圍導(dǎo)電圍巖中產(chǎn)生了感應(yīng)電流[5-8]。在電流關(guān)斷之前，電流在回線的周圍建立起一個穩(wěn)定的空間磁場。在t=0時，突然將電流斷開，由該電流周圍產(chǎn)生的磁場也會立即消失。空間磁場的劇烈變化通過空氣和周圍導(dǎo)電介質(zhì)傳送到回線周圍巖層中，為了不使空間原先的磁場立即消失從而在巖層里激發(fā)出二次感應(yīng)電流以平衡周圍介質(zhì)原先存在的磁場。這種磁場的能量會隨著周圍介質(zhì)的熱損耗而消耗掉。

電流方面：由于電磁場傳播的速度在空氣中比在導(dǎo)電介質(zhì)中快，當斷開一次電流時，一次磁場劇烈的變化首先會傳播到周圍巷道的側(cè)幫和頂?shù)装?。由此剛開始激發(fā)的感應(yīng)電流僅僅局限于巷道附近的巖層之中，且在巷道附近各處的分布是不均勻的，在巷道的頂?shù)装逄幾顝姟ｋS著時間推移，感應(yīng)電流會向外逐漸擴散，其強度也會逐漸減弱，電流的分布趨于均勻。通過研究得到：在任一時刻，巷道的頂?shù)装鍖?dǎo)電巖層中的渦旋電流在巷道空間內(nèi)產(chǎn)生的磁場，可以等效認為是一個環(huán)狀線電流產(chǎn)生的磁場。在電流剛關(guān)斷時刻，環(huán)狀電流靠近發(fā)射回線，與發(fā)射回線有著相同的形狀。隨著時間的后移，電流環(huán)會向外擴散，并逐漸變形為圓電流環(huán)。該等效電流環(huán)類似從發(fā)射回線“吹”出來了一系列“線圈”，由此，將巷道頂?shù)装逯袑?dǎo)電巖層的渦旋電流向外擴散稱為“煙圈”效應(yīng)。

1.2 瞬變電磁法應(yīng)用特點

地面瞬變電磁法特點：地面瞬變電磁法勘探與其他物探方法相比具有體積效應(yīng)小、工作效率高、縱橫向分辨率高、低阻反應(yīng)靈敏的特點[9-11]。根據(jù)近年來礦井直流電法的發(fā)展思路和應(yīng)用經(jīng)驗，將地面瞬變電磁方法勘探同理應(yīng)用于礦井下。采用多匝數(shù)以及小回線工作裝置探查不同礦井不同深度的含水構(gòu)造，該方法與地面瞬變電磁法勘探相比，具有分辨率較高，體積效應(yīng)較小、旁側(cè)影響較小、測量速度較快以及輕便等優(yōu)點。受巷道周圍勘探環(huán)境的影響，回線線圈大小有限，且勘探深度不如地面深，其深度一般會在100 m左右。地面瞬變電磁勘探為半空間響應(yīng)，這種響應(yīng)主要來自于地表下半空間的地層，給明確異常體位置帶來了困難，在實際資料解釋中，必須結(jié)合地質(zhì)以及水文地質(zhì)情況進行綜合分析。

井下瞬變電磁法特點：總體來說，井下瞬變電磁法與地面瞬變電磁法相比具有以下的特點。①由于井下勘探條件的影響，礦井瞬變電磁勘探的工作裝置，采用了邊長不大于3 m的多匝線框，測量設(shè)備較輕便、數(shù)據(jù)采集工作量較小、工作效率極高、成本較低等優(yōu)點；②井下勘探點距(一般為2～10 m)，可以降低體積效應(yīng)，提高電磁法勘探在橫向上的分辨率；③井下勘探距離異常體近，提高了采集信號的信噪比，試驗表明，相同有效面積的工作裝置，井下采集數(shù)據(jù)信號的強度比地面的信號強10～100倍；④由于關(guān)斷時間的影響，井下瞬變電磁勘探往往在淺部形成15 m左右的盲區(qū)；⑤對于井下干擾比較大的地方需要在后期資料處理中進行合理的校正或剔除；⑥與井下直流電法、地震等物探方法相比，井下瞬變電磁法不受巷道的耦合條件影響，適應(yīng)性較廣，施工效率較高。

瞬變電磁法應(yīng)用方向：根據(jù)瞬變電磁法對于低阻區(qū)域比較敏感的屬性，其應(yīng)用方向主要有3種：①巷道掘進前方的富水性超前探測以及評價；②巷道工作面頂板和底板的富水性探查以及評價；③回采工作面的老空水區(qū)域探測，廢棄老巷道探查。

2 應(yīng)用實例

2.1 工程背景

礦區(qū)內(nèi)出露地層有石炭系中上統(tǒng)壺天群組(C2+3ht)，二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)、當沖組(P1d)，上統(tǒng)樂平組(P2l)和長興階(P2ch)等地層。井田位于礦區(qū)中部，物性比較穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，測井段所見主要巖性有硅質(zhì)巖、泥巖、頁巖、粉砂巖、石英砂巖、煤(石墨礦)層等。在有些鉆孔中還見到了花崗巖。井田地質(zhì)特點比較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較簡單，大多在可采厚度以上，煤質(zhì)好，頂?shù)装鍘r性較穩(wěn)定，與煤層有一定的物性差異(見表1)。煤層在測井參數(shù)曲線上反映的異常組合規(guī)律和對比規(guī)律較好，界面特征點較明顯，絕大部分煤層可利用測井曲線進行定性與定厚解釋，經(jīng)井壁取芯驗證，誤差在規(guī)定范圍之內(nèi)。綜上，井田內(nèi)煤(石墨)層電阻率值具有明顯的低阻特征，具備井下瞬變電磁超前探測的地球物理前提。

表1 魯塘井田巖煤層物性參數(shù)表

2.2 實例分析

在運輸巷道掘進過程中，發(fā)現(xiàn)上方有老巷道出露，并有少量積水流出，為了保證安全生產(chǎn)，在石門開采資源同時進行了迎頭超前勘探。本次探測采用的儀器為華虹YCS 512礦用本安型，具有自動存儲功能、自動化程度高、穩(wěn)定性好，高分辨率、高靈敏度等特點，本次探測采用大小為1 m的重疊回線裝置，發(fā)射線圈20匝，接收線圈40匝，發(fā)射電流4 A左右。線框擺放的位置與底板30°的夾角進行采集數(shù)據(jù)，隨后對采集的數(shù)據(jù)進行了處理，得到的物探結(jié)果如圖1所示。

圖1 掘進迎頭前方超前探資料解釋

由圖1看出巷道迎頭左幫0°～15°方向，縱坐標15～40 m位置視電阻曲線呈低阻凹陷，條帶狀分布，通過了解周圍的地質(zhì)情況，推斷此處含水性較大，因此進行了鉆孔驗證，驗證結(jié)果與物探結(jié)果相符，從而達到了此次物探的目的。

3 結(jié)語

通過實例演示，可以看出瞬變電磁法探測深度大約60 m左右，采集的設(shè)備輕巧，操作簡單，井下施工較為方便、工作效率高及反映地質(zhì)效果好，能夠較好地適應(yīng)目前礦井水文地質(zhì)勘探工作要求。該方法可有效預(yù)測巷道掘進迎頭前方的含水異常，以及前方采空區(qū)的積水情況和裂隙發(fā)育區(qū)的含水情況。為了更好地服務(wù)于礦井掘進，在分析物探資料時，盡可能多的結(jié)合井下已知的勘探條件，從而做出更全面的分析解釋。