宋林君　翟培合

摘 要：介紹了礦井瞬變電磁法的基本原理和該方法在探測(cè)煤礦巷道頂板富水性中的原理、技術(shù)、方法和應(yīng)用，并通過(guò)實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證了礦井瞬變電磁法在煤礦頂板富水性探查中的有效性，為井下瞬變電磁法勘探工作提供了實(shí)例參考。

關(guān)鍵詞：礦井瞬變電磁法；頂板；富水性

前言

煤炭是我國(guó)的主體能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著重要戰(zhàn)略地位。煤礦水害是礦山生產(chǎn)建設(shè)中的主要災(zāi)害之一，礦井水害時(shí)有發(fā)生，造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡極為慘重。礦井瞬變電磁法勘探和其他物探方法比較有著成本較低、工作效率高、橫縱向分辨率高、能穿透高阻覆蓋層和對(duì)低阻反應(yīng)靈敏的優(yōu)勢(shì)。

1 瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)原理

1.1 地面瞬變電磁法

瞬變電磁法（Time domain Electromagnetic Method，簡(jiǎn)稱TEM）是利用電磁感應(yīng)進(jìn)行探測(cè)的時(shí)間域電磁法，遵循電磁感應(yīng)原理。導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的電磁場(chǎng)激發(fā)下而產(chǎn)生渦流場(chǎng)效應(yīng)，即利用一個(gè)不接地的回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)（習(xí)慣上成為“一次場(chǎng)”），大地或探測(cè)目標(biāo)體在激發(fā)場(chǎng)的作用下，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感生渦流，利用專門儀器觀測(cè)這種渦流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)（稱為“二次場(chǎng)”）的強(qiáng)弱、空間分布特性和時(shí)間特性，根據(jù)二次場(chǎng)的信息分析得到相關(guān)的水文地質(zhì)信息[1]。

1.2 礦井瞬變電磁法

礦井瞬變電磁法是由地面瞬變電磁法發(fā)展演變而來(lái)，屬于全空間效應(yīng)的勘探方法，其理論依據(jù)、井下施工技術(shù)以及資料處理與解釋方法與地面有著本質(zhì)區(qū)別[2]。礦井瞬變電磁法是在井下巷道內(nèi)進(jìn)行，瞬變電磁場(chǎng)呈全空間分布，瞬變響應(yīng)來(lái)自于回線上下兩個(gè)半空間，視電阻率為全空間巖層電性特征的綜合響應(yīng)，全空間效應(yīng)是礦井瞬變電磁法固有的問(wèn)題[3]。

煤層一般為電磁波易于通過(guò)的高阻介質(zhì)，所以TEM所接收到的煤層電磁信號(hào)不會(huì)受到像對(duì)直流電場(chǎng)那樣的屏蔽限制，接收線圈接收到的電磁信號(hào)是周圍全空間巖石電性的綜合反映。在判定異常體空間位置時(shí)，根據(jù)線圈平面的法線方向結(jié)合地質(zhì)資料來(lái)綜合分析確定。

1.3 礦井瞬變電磁法頂板探測(cè)技術(shù)

利用礦井瞬變電磁法來(lái)探測(cè)井下煤層頂板的含水情況，與其它一些礦井物探方法比較，具有指向性強(qiáng)、施工空間小、速度快、橫向分辨率高、基本不耽誤工作面其他施工等優(yōu)點(diǎn)。礦井瞬變電磁法在井下巷道內(nèi)施工，測(cè)點(diǎn)間距選取在兩米到二十米之間。根據(jù)多匝小線框發(fā)射電磁場(chǎng)的方向性，可認(rèn)為線框平面法線方向即為瞬變電磁法的探測(cè)方向。因而，將發(fā)射接收線框平面對(duì)準(zhǔn)煤層頂板方向進(jìn)行探測(cè)，就可反映煤層頂板巖層內(nèi)部的地質(zhì)異常。

2 礦井瞬變電磁工作方法

探測(cè)儀器采用澳大利亞Monash GeoScope公司專業(yè)瞬變電磁探測(cè)儀terraTEM。軌道順槽、運(yùn)輸順槽各布置物理測(cè)點(diǎn)92個(gè)，點(diǎn)距10m，數(shù)據(jù)點(diǎn)920個(gè)，測(cè)線長(zhǎng)度1820m。根據(jù)井下實(shí)際情況，結(jié)合其他礦井探測(cè)經(jīng)驗(yàn)，確定本次探測(cè)裝置及參數(shù)具體設(shè)置如下：工作裝置選擇：重疊回線；收、發(fā)射裝置回線尺寸：2×2m；發(fā)射裝置回線匝數(shù)：40；接收裝置匝數(shù)：60；采樣時(shí)窗：1～34；疊加次數(shù)：32；時(shí)間序列：標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間序列；采樣延遲：0？滋s；增益：自動(dòng)增益。

3 礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)處理與解釋

礦井瞬變電磁法接收回線測(cè)量的是二次感應(yīng)場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，通過(guò)換算得到的是巷道附近導(dǎo)電介質(zhì)的視電阻率隨時(shí)間變化曲線，很難與導(dǎo)電介質(zhì)的具體分布范圍和深度直接對(duì)比，必須進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換。礦井瞬變電磁資料解釋堅(jiān)持“水文地質(zhì)研究與物探資料解釋相結(jié)合，定性解釋與定量解釋相結(jié)合”的基本原則，采用綜合處理與解譯技術(shù)，減少多解性，提高解釋可靠性。

綜合分析兩條巷道頂板三個(gè)方向視電阻率等值線斷面圖，選取每個(gè)探測(cè)方向的低阻異常劃分閾值。由于巷道內(nèi)支護(hù)情況不同，頂板30°、60°、90°三個(gè)探測(cè)方向距離巷道內(nèi)鐵軌、皮帶架等背景干擾體的距離不同，所選取閾值并不統(tǒng)一。根據(jù)低阻選取閾值，對(duì)兩條巷道內(nèi)三個(gè)探測(cè)方向所得視電阻率等值線斷面圖進(jìn)行分析，劃分相對(duì)低阻異常區(qū)。

劃分結(jié)果如下：

根據(jù)頂板30°、60°、90°三個(gè)探測(cè)方向的等值線斷面圖得出，頂板共劃分相對(duì)富水異常區(qū)五處：

（1）I號(hào)相對(duì)富水異常區(qū)位于距切眼0～100m范圍內(nèi)（以切眼為0點(diǎn)，下同），偏軌道順槽一側(cè)，包括G1-1、G2-1、G3-1、Y1-1、Y2-1、Y3-1六處相對(duì)低阻異常區(qū)。該區(qū)域范圍中等，低阻強(qiáng)度相對(duì)中等，在兩條巷道內(nèi)三個(gè)探測(cè)方向上均有低阻反應(yīng)。該區(qū)域內(nèi)有單體影響，但不排除富水的可能性，富水性評(píng)價(jià)為中等。

（2）II號(hào)相對(duì)富水異常區(qū)位于距切眼170～300m范圍內(nèi)，包括G2-2、Y1-2、Y1-3、Y2-2、Y2-3、Y3-3六處相對(duì)低阻異常區(qū)。該區(qū)域范圍較小，低阻強(qiáng)度相對(duì)較弱，在軌道順槽內(nèi)頂板60°探測(cè)方向上有低阻反應(yīng)，在運(yùn)輸順槽內(nèi)3個(gè)探測(cè)方向上均有低阻反應(yīng)，富水性評(píng)價(jià)為弱。

（3）III號(hào)相對(duì)富水異常區(qū)位于距切眼360～530m范圍內(nèi)，偏運(yùn)輸順槽一側(cè)，包括G1-2、G1-3、Y1-4、Y2-4、Y2-5、Y3-4六處相對(duì)低阻異常區(qū)。該區(qū)域范圍中等，低阻強(qiáng)度相對(duì)中等，在軌道順槽內(nèi)頂板30°探測(cè)方向上有低阻反應(yīng)，在運(yùn)輸順槽內(nèi)三個(gè)探測(cè)方向上均有低阻反應(yīng)。另外該區(qū)域內(nèi)有金屬體影響，外幫有巷道，但不排除富水的可能性，富水性評(píng)價(jià)為中等。

（4）IV號(hào)相對(duì)富水異常區(qū)位于距切眼600～760m范圍內(nèi)，位于運(yùn)輸順槽一側(cè)，包括Y1-5、Y1-6、Y2-6、Y2-4四處相對(duì)低阻異常區(qū)。該區(qū)域范圍中等，低阻強(qiáng)度相對(duì)較弱，在運(yùn)輸順槽內(nèi)頂板30°、60°探測(cè)方向上有低阻反應(yīng)，富水性評(píng)價(jià)為弱。

（5）V號(hào)相對(duì)富水異常區(qū)位于距切眼800～910m范圍內(nèi)，位于軌道順槽一側(cè)，包括G1-5、G2-3、G3-3三處相對(duì)低阻異常區(qū)。該區(qū)域范圍中等，低阻強(qiáng)度相對(duì)中等，在軌道順槽內(nèi)三個(gè)探測(cè)方向上均有低阻反應(yīng)，富水性評(píng)價(jià)為中等。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐表明，礦井瞬變電磁法勘探對(duì)低阻反映靈敏，在探測(cè)煤層頂板富水性中有其優(yōu)越性，且數(shù)據(jù)較為精確可信度高，是其他物探方法所無(wú)法比擬的。近年來(lái)在井下水害防治工作中得到了較好的應(yīng)用。井下環(huán)境的復(fù)雜性、特殊性使得礦井物探多解性更加明顯，在應(yīng)用瞬變電磁資料的過(guò)程中，需要結(jié)合相關(guān)的地質(zhì)水文資料綜合運(yùn)用；井下物探所獲取的資料是地層、構(gòu)造及賦存水體在靜態(tài)下的反映，在井下采掘施工的影響下，地層應(yīng)力會(huì)發(fā)生改變，會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)水文情況會(huì)產(chǎn)生不同程度的變化，使得富水區(qū)在不同時(shí)期存在不同的階段特性，應(yīng)該辯證地看待。

參考文獻(xiàn)

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[2]于景 .礦井瞬變電磁法勘探[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[3]李富.礦井瞬變電磁法在煤礦陷落區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2013（4）：155-157.

作者簡(jiǎn)介：宋林君（1989-），男，山東威海人，山東科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榫C合地球物理勘探。