王濤

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原030024；2.山西省地球物理化學(xué)勘查院，山西運(yùn)城044000）

礦井瞬變電磁技術(shù)在地質(zhì)探測(cè)中的應(yīng)用

王濤

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原030024；2.山西省地球物理化學(xué)勘查院，山西運(yùn)城044000）

詳細(xì)介紹礦井瞬變電磁探測(cè)的條件與特點(diǎn),闡述礦井瞬變電磁探測(cè)技術(shù)原理，論述礦井瞬變電磁法的施工方法,并進(jìn)行實(shí)例分析。

礦井；瞬變電磁；地質(zhì)探測(cè)；應(yīng)用

引言

煤礦覆巖破壞參數(shù)一直是礦井預(yù)留防水煤柱的重要依據(jù)，它對(duì)改善煤炭資源回收率、保障礦井安全發(fā)揮了重大作用。為得到礦井覆巖資料，為礦井合理化布置提供安全保障和依據(jù)，在巷道施工前最好使用礦井瞬變電磁技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)探測(cè)，最后為生產(chǎn)管理提供較好的參數(shù)。

1 礦井瞬變電磁探測(cè)的條件與特點(diǎn)

就物件巖性差異來(lái)看：通常從粉砂巖、泥巖、粗砂巖、中砂巖、礫巖再變成灰?guī)r、煤巖，電阻率逐漸增加?；?guī)r、煤巖和其他巖層相比，屬于高電阻率的阻層，如果巖層含水，含水率增加時(shí)，電阻率就會(huì)降低，所以巖層電阻率變化除了與巖性自身有關(guān)，含水性也發(fā)揮了決定性作用。在灰?guī)r等各種高阻地層中，地層含水更多的是低電阻率[1]。

受井下工作環(huán)境影響，地面瞬變電磁法、礦井瞬變電磁法與其他礦井物探法有著本質(zhì)區(qū)別，具體有以下特點(diǎn)：

受井下巷道施工區(qū)域影響，根本不可能使用地表測(cè)量中的大線圈進(jìn)行，只得使用邊長(zhǎng)低于3m的小線框。和地面瞬變電磁法進(jìn)行比較，它具有成本低廉、工作效率高、設(shè)備輕便等優(yōu)勢(shì)，可以用于其他難以進(jìn)行施工的巷道。

因?yàn)槭褂眯【€圈進(jìn)行測(cè)量，點(diǎn)距在2～20m間，橫向分辨更好，體積效應(yīng)更低，外加測(cè)量裝置和目標(biāo)相近，對(duì)異常的信號(hào)感應(yīng)更強(qiáng)，所以擁有良好的探測(cè)力[2]。

礦井瞬變電磁法依然面臨著電磁分布問(wèn)題，由于煤層一般為高阻，容易通過(guò)電磁波，在TEM中，煤層沒(méi)有隱蔽功能，所以TEM得到的信號(hào)是全空間巖石的綜合體現(xiàn)。但是可以通過(guò)電磁傳播方向、小線礦體等特點(diǎn)，在改變線框方向的同時(shí)，對(duì)空間位置與異常情況進(jìn)行判別。

2 礦井瞬變電磁探測(cè)技術(shù)原理

瞬變電磁法屬于時(shí)間區(qū)域的電磁感應(yīng)方法，探測(cè)原理是借助回線發(fā)送電流脈沖方波，沿著下降趨勢(shì)，產(chǎn)生回線磁場(chǎng)，根據(jù)磁場(chǎng)的激勵(lì)作用，產(chǎn)生一定的渦流，渦流的大小由地質(zhì)體導(dǎo)電決定，一次消失之后，渦流不會(huì)馬上消失，而是呈現(xiàn)出過(guò)渡過(guò)程。在過(guò)渡期間，又會(huì)出現(xiàn)衰減的磁場(chǎng)不斷向掌子面?zhèn)鬟f，二次磁場(chǎng)由回線接收，二次磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)變也說(shuō)明了地質(zhì)體分布狀態(tài)。如：結(jié)合不同的延遲時(shí)間，對(duì)二次感生電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行測(cè)量，得到二次磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的曲線。對(duì)于無(wú)良導(dǎo)體的情況，會(huì)立即得到衰減過(guò)渡；有良導(dǎo)體時(shí)，因?yàn)榍袛嚯娫?，?huì)產(chǎn)生難以維持的一次切斷，過(guò)渡衰減也會(huì)隨之稍緩，最后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部導(dǎo)體[3]。

在大地上，瞬變電磁場(chǎng)更多的是以擴(kuò)散的方式傳播，由于電磁能量直接作用于導(dǎo)電介質(zhì)而消耗。受趨膚效應(yīng)影響，更多幾種高頻在地表，分布范圍則是局部，和低頻區(qū)域相比，逐漸擴(kuò)充分布范圍。

3 礦井瞬變電磁法的施工方法

受巷道區(qū)域影響，裝置通常使用小回線進(jìn)行，線圈的邊長(zhǎng)在2～3m間，在增加線圈數(shù)的同時(shí)增加接受面積與磁距，進(jìn)而滿足探測(cè)深度要求。線圈法線可以看成探測(cè)的方向，井下施工中，通過(guò)調(diào)整巷道頂、線圈、底板角度，改變法線指向，最終得到不同方向的地電方向（如圖1所示）。

圖1 礦井瞬變電磁測(cè)點(diǎn)布置和探測(cè)區(qū)域

在井下探測(cè)中，結(jié)合測(cè)量要求確立測(cè)距，根據(jù)要求對(duì)異常區(qū)段進(jìn)行加密，發(fā)射線與接收線的數(shù)量不等，線框?qū)?zhǔn)探測(cè)方向，然后再結(jié)合巷道與探測(cè)任務(wù)，對(duì)線框大小進(jìn)行改變；或者結(jié)合探測(cè)深度，讓線框與瞬變電磁儀相接，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄、收集與存儲(chǔ)。

在本次探測(cè)點(diǎn)距中，間距為0.5m，為了能從巷道內(nèi)部探測(cè)工作面板富水區(qū)域，使用多匝線圈（如圖2所示）；接收線框與發(fā)射線框使用完全分離、匝數(shù)不等的獨(dú)立線框，方便和地下異常體進(jìn)行耦合。測(cè)線通常設(shè)置在巷道迎頭。

圖2 礦井瞬變電磁探測(cè)方向

4 實(shí)例分析

4.1 實(shí)例概述

在工作布置上，風(fēng)巷迎頭從A3點(diǎn)前方16m進(jìn)行掘進(jìn)，自迎頭著手瞬變電磁法探測(cè)。這種方式屬于非接觸探測(cè)，線圈方向就是探測(cè)方向，所以探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)快捷便利，通過(guò)線圈接收與發(fā)射就能得到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。每0.3m會(huì)設(shè)置測(cè)點(diǎn)，對(duì)底板、順層與頂板進(jìn)行測(cè)量，并且探查前方電性、右側(cè)迎頭情況，現(xiàn)場(chǎng)需要設(shè)置16點(diǎn)。探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，對(duì)迎頭后方的鐵器、雜物進(jìn)行清理，同時(shí)做好停電處理，以減小數(shù)據(jù)影響。從地質(zhì)調(diào)查反饋的信息來(lái)看：迎道后方2.5m的區(qū)域應(yīng)該設(shè)置少量滲水，3.5～8m處的迎頭頂板有淋水，從巷道右方到后方一直有鏈板機(jī)。

4.2 數(shù)據(jù)處理

瞬變電磁法的數(shù)據(jù)處理是把回線組合成不同時(shí)間能夠感應(yīng)的電位函數(shù)，說(shuō)明地下導(dǎo)電電性分布規(guī)律，然后再結(jié)合換算時(shí)間與電阻率曲線說(shuō)明電性介質(zhì)的位置深度，并且對(duì)不同時(shí)間內(nèi)的導(dǎo)電介質(zhì)進(jìn)行說(shuō)明，處理過(guò)程包含核心和預(yù)處理兩種情況，預(yù)處理是得到有效感應(yīng)曲線的方式，核心處理會(huì)得到恰當(dāng)?shù)碾娮杪暑A(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。礦井瞬變電磁法和地面瞬變電磁法一樣，電阻率定義和地面有很多相似的地方。礦井內(nèi)部的多匝小回線路裝置中，大多使用的是晚期、早期的電阻率換算形式，晚期電阻率依然使用半空間晚期計(jì)算方式[4]。

數(shù)據(jù)處理和分析包含：三防數(shù)據(jù)拆分、建立坐標(biāo)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、計(jì)算電阻率、整理水文資料、確立電阻率等。把現(xiàn)場(chǎng)得到的瞬變電磁探測(cè)二次場(chǎng)衰減數(shù)據(jù)利用相關(guān)軟件處理成晚期視電阻率剖面，結(jié)合電阻率成像進(jìn)行標(biāo)識(shí)。其中高電阻率值為暖色調(diào)，低電阻率值為藍(lán)綠色，從冷向暖色調(diào)過(guò)渡。

在風(fēng)巷瞬變電磁探測(cè)中，剖面分別是巷道頂板、順層與底板方向分布情況。就剖面可以得出本次探測(cè)電阻率的阻值較高，它在0-60范圍，根據(jù)測(cè)區(qū)地質(zhì)特性與探測(cè)經(jīng)驗(yàn)，小于10區(qū)域被定義成低阻異常區(qū)。從瞬變電磁探測(cè)特性來(lái)看：一直存在10m盲區(qū)。

頂板視電阻率剖面：體現(xiàn)了頂板方向往巖體電性的變化，巷道迎頭的10～50m內(nèi)明顯超過(guò)50～100m區(qū)域，并且巷道前邊有明顯的低阻異常帶。就頂板地質(zhì)狀態(tài)來(lái)看：巷道頂端有較厚的砂巖，并且縫隙有發(fā)育的可能性，所以該低阻異常區(qū)域的富水性有明顯的提高，存在淋水的情況。

底板視電阻率剖面更多反映為傾向底板巖層與剩余煤層。說(shuō)明10～70m范圍內(nèi)的高阻分布相對(duì)較廣，同時(shí)在該范圍存在低阻值，沒(méi)有特別明顯的低阻異常區(qū)域。就地質(zhì)環(huán)境來(lái)看：受煤層傾斜影響，勘探體積受煤層的影響很大，底部以砂質(zhì)泥巖為主，所以推斷該領(lǐng)域的富水性不大[5]。

順層視電阻率剖面：它說(shuō)明了前方迎頭的電性變化，說(shuō)明頂板剖面與順層剖面相似，10～50m區(qū)域明顯大于50～100m范圍，順層剖面右方阻值相對(duì)較小。通過(guò)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的分析，可以得出兩處異常是由富水性與巖性造成。

5 結(jié)語(yǔ)

瞬變電磁能探測(cè)深度較大的區(qū)域，具有地質(zhì)效果好、效率高、施工便利等特點(diǎn)，能適應(yīng)礦井水文地質(zhì)勘探工作。將瞬變電磁法應(yīng)用到巷道超前探測(cè)中能很好地發(fā)揮作用，尤其是狹小迎頭空間與數(shù)據(jù)采集，并且不對(duì)巷道掘進(jìn)構(gòu)成影響。當(dāng)然也應(yīng)該看到瞬變電磁法的成熟應(yīng)用，只有不斷探索研究，才能推進(jìn)礦井水文地質(zhì)工作發(fā)展。

[1]梁慶華.礦井全空間小線圈瞬變電磁探測(cè)技術(shù)及應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2012.

[2]高士銀.瞬變電磁技術(shù)在礦井超前地質(zhì)探測(cè)中的應(yīng)用[D].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2012.

[3]李明星,程久龍,王玉和,等.礦井瞬變電磁超前探測(cè)地質(zhì)異常三維可視化[J].煤礦安全,2011(11):61-64.

[4]劉耀寧.金屬干擾環(huán)境下礦井瞬變電磁技術(shù)應(yīng)用效果研究[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2014.

[5]黃曉容.礦井瞬變電磁法在水害超前探測(cè)中的應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2013(3):77-79;83.

（編輯：賈娟）

App lication of Transient Electromagnetic M ethod in Geological Exp loration

W ang Tao
(1.School of M ines of Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024;2.Shanxi Province Geophysical and Geochem ical Exploration Institute,Yuncheng Shanxi033000)

This paper introduces themine transientelectromagnetic detection conditions and characteristics,expounds principle ofmine transient electromagnetic detection technology,discusses the construction method,mine transient electromagnetic method and instance analysis.

coalmine;transientelectromagneticmethod;geological exploration;application

P631

A

2095-0748(2016)16-0060-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.16.26

2016-07-05

王濤（1984—），男，山西運(yùn)城人，畢業(yè)于燕山大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)就職于山西省地球物理化學(xué)勘查院綜合物探公司，主要從事地球物理勘探工作。