張龍科，羅榮榮

(1.國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021；2.陜西省煤田物探測(cè)繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

石墨是一種良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱材料，并且化學(xué)性質(zhì)及在高溫條件下穩(wěn)定，是一種非常重要的非金屬礦物資源。在南方地區(qū)，由于地理位置的限制，機(jī)械化程度極低，原先的開(kāi)采工作以人工為主，采掘面極不規(guī)范。由于以前采掘技術(shù)的落后和采掘布置的不規(guī)范，造成了石墨資源的極大浪費(fèi)和遺漏。為了響應(yīng)國(guó)家號(hào)召整合資源，需要重新開(kāi)采該稀有資源。大多數(shù)礦井在原有的基礎(chǔ)上，重新實(shí)施科學(xué)規(guī)劃采掘工作，由淺至深對(duì)殘余的石墨資源二次挖掘。以往的挖掘工作基本沒(méi)有圖紙，沒(méi)有科學(xué)的規(guī)劃，造成了礦井中的巷道縱橫交錯(cuò)，它們的空間位置關(guān)系極為復(fù)雜，因此井下超前物探非常有必要。目前井下的超前物探方法較多，主流的直流電法超前探以及瞬變電磁法超前探等等。直流電法超前探主要應(yīng)用于地層傾角不大，導(dǎo)水性較好的構(gòu)造，施工條件較復(fù)雜。根據(jù)目前掌握的地質(zhì)概況，本次勘探地點(diǎn)的水平面較高，地層內(nèi)以往開(kāi)掘的老巷道水體已經(jīng)流入低水平，大多數(shù)不含水，而且圍巖比較堅(jiān)硬，不利于直流電法電極的導(dǎo)電性，因此本次勘探中選用了施工方法簡(jiǎn)便，效率較高的礦井瞬變電磁勘探。利用礦井瞬變電磁勘探的高效、簡(jiǎn)便為礦井后期的采掘工作提供有力的安全保障。

1 礦井瞬變電磁原理與特點(diǎn)

在各向同性大地表面敷設(shè)一個(gè)面積為S的矩形發(fā)射線框，在線框中供以階躍脈沖電流I(t)，在電流未關(guān)閉時(shí)t<0，發(fā)射電流會(huì)在線框周?chē)纬梢粋€(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)會(huì)激發(fā)周?chē)膰鷰r產(chǎn)生電磁感應(yīng)，感應(yīng)的深度和體積與該發(fā)射電流的頻率和大小有關(guān)。在t=0時(shí)刻突然將電流斷開(kāi)，該線框電流在圍巖周?chē)a(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)立即消失，這一劇烈變化會(huì)使得周?chē)膰鷰r激發(fā)出感應(yīng)電流從而維持自身之前存在的磁場(chǎng)，使得空間的磁場(chǎng)不會(huì)立即消失。由于圍巖的歐姆損耗，這一感應(yīng)電流會(huì)迅速的衰減，由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)也隨之衰減，衰減的磁場(chǎng)重新感應(yīng)出新的強(qiáng)度更弱的渦流。這一過(guò)程重復(fù)下去，直到圍巖的歐姆損耗將新的磁場(chǎng)能量消耗殆盡。這一復(fù)雜的變化便是電磁感應(yīng)的過(guò)程，由于此過(guò)程變化時(shí)間短稱(chēng)之為瞬變電磁感應(yīng)。在t=0時(shí)刻電流突然斷開(kāi)，由于地表的位置離發(fā)射回線最近，所以最初激發(fā)的感應(yīng)電流主要來(lái)自地表，在地表各處感應(yīng)電流的分布不是均勻的，但是隨著時(shí)間的推移，感應(yīng)電流會(huì)逐漸向下向外擴(kuò)散，逐漸減弱，趨于均勻。任一時(shí)刻地下感應(yīng)電流可以等效為一個(gè)水平的環(huán)狀電流的磁場(chǎng)，效果看起來(lái)像從發(fā)射回線“吹”出來(lái)的一層層“煙圈”，因此，人們將地下渦流旋電流向下、向外擴(kuò)散的過(guò)程形象地稱(chēng)為“煙圈效應(yīng)”?；凇盁熑π?yīng)”的觀點(diǎn)，早期的瞬變電磁場(chǎng)是由地表的感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，主要反映的是地層淺部的地電特征；晚期的瞬變電磁場(chǎng)是由地層中深部的感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，主要反映的是地層中深部的地電特征。因此，觀測(cè)大地瞬變電磁場(chǎng)變化，得出了大地電位的垂向變化，這就是瞬變電磁原理。將該理論運(yùn)用于地下礦井，于是就形成了礦井瞬變電磁理論。由于礦井瞬變電磁勘探在井下進(jìn)行，采用非接觸式、小回線、多匝數(shù)的裝置進(jìn)行井下勘探，與地面勘探相比具有工作裝備輕便、工作效率快、采集速度快、作業(yè)成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前礦井瞬變電磁的工作裝置主要有重疊回線和偶極-偶極裝置，重疊回線地質(zhì)響應(yīng)強(qiáng)施工方便，一次場(chǎng)影響較大；偶極-偶極收發(fā)線圈互感影響小，消除了一次場(chǎng)影響，但二次場(chǎng)比較弱，分辨率較差，因此采用重疊回線比較可靠。采用的重疊回線裝置線框大小一般在1～3 m之間，體積效應(yīng)小，勘探的分辨率高一點(diǎn)。

2 儀器方法

本次井下瞬變電磁法探測(cè)儀器為國(guó)產(chǎn)YCS512礦用本安型瞬變電磁儀。該儀器依據(jù)時(shí)間域全空間瞬變電磁場(chǎng)的基本原理，通過(guò)發(fā)射線圈向地質(zhì)體發(fā)射瞬變一次場(chǎng)，通過(guò)接收線圈測(cè)量迅速衰減的電場(chǎng)在其周?chē)慕橘|(zhì)中感應(yīng)出新的渦流場(chǎng)(二次場(chǎng))隨時(shí)間的變化特征，分析感應(yīng)場(chǎng)所覆蓋的地質(zhì)體按電性特征的空間分布規(guī)律，并進(jìn)行信號(hào)處理、干擾校正、算法反演、時(shí)深轉(zhuǎn)換及成圖處理，進(jìn)而得到地質(zhì)異常體的分布、規(guī)模、形態(tài)等信息。

2.1 YCS512礦用本安型儀器主要特點(diǎn)

探測(cè)盲區(qū)?。合到y(tǒng)關(guān)斷時(shí)間和背景場(chǎng)分離技術(shù)，配合高密度時(shí)窗序列，可大大提高淺層地質(zhì)分辨能力，減少勘探盲區(qū)。

現(xiàn)場(chǎng)解析：提供現(xiàn)場(chǎng)解析功能，用戶(hù)可以在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)快速得到較為精細(xì)的等值線成圖結(jié)果。

專(zhuān)利線圈：可在同一線圈上設(shè)置不同發(fā)射線圈匝數(shù)和調(diào)整發(fā)射傾角，提高測(cè)試的靈敏度。

抗擾力強(qiáng)：實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)干擾抑制，大幅度提高數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和有效時(shí)長(zhǎng)，在同場(chǎng)條件下提高有效的地質(zhì)測(cè)深能力。

專(zhuān)用平臺(tái)：采用自主設(shè)計(jì)的雙核處理平臺(tái)，提供多核、高效的數(shù)字信號(hào)處理能力，并可遠(yuǎn)程固件升級(jí)。

測(cè)道可調(diào)：儀器有20-512測(cè)道任意選設(shè)，可提高測(cè)點(diǎn)分辨率，減少體積效應(yīng)。

操作簡(jiǎn)單：系統(tǒng)提供一鍵采樣和一鍵恢復(fù)功能，以及在線幫助系統(tǒng)，大大方便用戶(hù)的操作使用。

2.2 勘探參數(shù)

裝置類(lèi)型為重疊回線；線框大小為1 m×1 m(其中發(fā)射20匝接收40匝)，發(fā)射電流3.0 A；頻率為6.25 Hz；疊加次數(shù)32次。礦井瞬變電磁進(jìn)行超前勘探施工前，要盡可能保證巷道的迎頭斷面整齊，巷道空間距離大于裝置的回線長(zhǎng)度，距離巷道迎頭5 m外的機(jī)械設(shè)備等金屬體要撤離以免影響施工效果。采用本次勘探施工條件，正常情況下井下一個(gè)迎頭的工作時(shí)間為30 min，2 d內(nèi)能夠提供初步的物探成果，既不影響巷道的正常施工還可以迅速指導(dǎo)井下施工。

3 應(yīng)用實(shí)例

該礦區(qū)以開(kāi)采石墨為主，地層分布情況為奧陶統(tǒng)峰峰組、上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組及下石盒子組、上二疊統(tǒng)上石盒子組及孫家溝組和第四系。根據(jù)鉆井資料該區(qū)內(nèi)的物性較為穩(wěn)定的特點(diǎn)。本次勘探位于某礦區(qū)+360水平巖石巷道，水平面位置較高，推測(cè)該區(qū)域的石墨層老巷道一般為低阻反映，巖石巷的老巷道一般為較高阻反映，以此為依據(jù)，進(jìn)行了瞬變電磁超前勘探。對(duì)巷道水平方向進(jìn)行了物探，物探成果如圖1(a)所示，由圖得知探測(cè)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)情況穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)明顯低阻區(qū)域，但在高阻成分中發(fā)現(xiàn)了異常1和2，并且該異常成橫向條帶狀分布，通過(guò)對(duì)該異常的全面分析，認(rèn)為這2個(gè)高阻異常為同一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造，結(jié)合周邊地質(zhì)資料，推測(cè)該異常巖石巷道的廢棄老巷，含水性較小。礦方拿到物探資料，及時(shí)組織鉆探驗(yàn)證，水平方法鉆進(jìn)5 m后發(fā)現(xiàn)該異常，鉆孔未見(jiàn)水。后期的掘進(jìn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)了該老巷，該老巷為一條自左向右的下山，下山有細(xì)小流水無(wú)積水，如圖1(b)所示。通過(guò)此次超前勘探，驗(yàn)證了瞬變電磁勘探在老巷探測(cè)應(yīng)用中的可行、有效。

圖1 物探成果與實(shí)際地質(zhì)模型對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

勘探深度大約60 m，采集設(shè)備輕巧，儀器操作簡(jiǎn)單，工作效率高，物探成果與地質(zhì)情況較吻合，滿(mǎn)足了礦方生產(chǎn)實(shí)際需要。瞬變電磁超前勘探在老巷中的應(yīng)用，其結(jié)果可行有效。為礦方在該水平的后期掘進(jìn)提供可靠保障。運(yùn)用該探測(cè)方法不僅可以幫助礦方解決水害問(wèn)題，還可以找到老舊巷道，減少礦方掘進(jìn)新巷道的費(fèi)用，起到事半功倍的效果。