瞬變電磁技術(shù)在礦井小窯破壞區(qū)內(nèi)尋找煤炭資源中的應(yīng)用

曹東升 白玉峰 徐偉

(山西大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司云岡礦,山西大同 037001)

瞬變電磁技術(shù)在礦井小窯破壞區(qū)內(nèi)尋找煤炭資源中的應(yīng)用

曹東升 白玉峰 徐偉

(山西大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司云岡礦,山西大同 037001)

瞬變電磁法是目前應(yīng)用較廣的礦井物探工作方法之一,該方法觀測純二次場,故分辨率高,可分辨出地下規(guī)模較小的不均勻體,尤其對低阻地質(zhì)體反應(yīng)靈敏。本文將瞬變電磁法用于云岡礦小窯破壞區(qū)的探測及范圍圈定,取得良好的效果,為煤礦在小窯破壞區(qū)內(nèi)尋找可采資源,延續(xù)礦井壽命提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

小窯破壞區(qū) 瞬變電磁 多測道剖面 視電阻率

1 引言

隨著煤礦開采深度的不斷加大，可采資源的不斷枯竭，開采條件更加復(fù)雜，現(xiàn)在一些煤礦不得不在小窯破壞區(qū)內(nèi)尋找資源，在此之中礦井水害是煤礦生產(chǎn)中地質(zhì)災(zāi)害和制約煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一。近年來礦井突水、淹井等水害事故越來越頻繁，如何防治并消除水患對煤礦生產(chǎn)安全的威脅已經(jīng)成為地質(zhì)工作者的重要任務(wù)。目前用于進(jìn)行巷道超前探測導(dǎo)水構(gòu)造及采空破壞區(qū)的礦井電法主要有礦井直流電測探法、音頻電透視法和礦井瞬變電磁法，前兩種方法受井下已有巷道長度大小限制，當(dāng)井下巷道長度有限或工作面未完全貫通時，這兩種方法將無法進(jìn)行測量，而且施工工作量很大，浪費(fèi)人力物力；而礦井瞬變電磁法測量不受井下巷道長度等因素的影響，并且施工方法簡單，速度快，效率高，以其本身固有的優(yōu)點而突出，為井下超前探測提供了良好的方法[1-3]。

2 礦用瞬變電磁法

瞬變電磁法(Time domain electromagnetic methods)，簡稱TEM，是一類非接觸式的物探超前探測技術(shù)，是時間域電磁法的一種，它是利用不接地回線向地下或者井下采掘空間中的煤巖體發(fā)射一次脈沖電磁場，在一次脈沖電磁場間歇期間，利用不接地線圈觀測二次渦流場的方法[4-5]。在探測富水區(qū)的位置及其分布范圍等方面，瞬變電磁法是目前最有效的方法之一，其物理基礎(chǔ)是富水區(qū)相對于周圍地層有明顯的電性差異。正常情況下，各層位電性在橫向上是相對均一的。當(dāng)存在局部低阻異常體（裂隙帶、富水區(qū)及小窯積水區(qū)等）時，在斷面上就會出現(xiàn)局部低電阻率異常區(qū)[6]。

3 施工技術(shù)

本次礦井瞬變電磁物探工作使用的儀器為中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）高科資源探測儀器研究所生產(chǎn)的TEMHZ75礦用本安型瞬變電磁儀和TEMJF50礦用隔爆兼本安型瞬變電磁儀組合實現(xiàn)，采用重疊回線組合裝置，邊長1.5m的激發(fā)和接收正方形線圈，激發(fā)線圈匝數(shù)16匝，接收線圈匝數(shù)40匝。供電電流為50A，供電脈寬10ms，采樣率4μS。每個測點至少采用30次疊加方式提高信噪比，確保了原始數(shù)據(jù)的可靠性。

圖1 工作面超前等視電阻率探測剖面圖

4 應(yīng)用實例及分析

圖2 遇小窯巷道后修改設(shè)計平面圖

同煤集團(tuán)云岡礦是開采近40年的老礦，隨著開采規(guī)模擴(kuò)大，資源接近枯竭，為了緩解銜接緊張局面，加大資源回收利用，延續(xù)礦井服務(wù)年限，礦決定在小窯破壞區(qū)內(nèi)尋找資源。其12#層410盤區(qū)據(jù)2011年中國礦業(yè)大學(xué)地表物探報告結(jié)果和小窯訪查資料表明周邊存在多個小窯采空破壞區(qū)，同層在開拓的過程中受老空水及小窯積水威脅十分嚴(yán)重，急須查明采空狀況和賦水情況，以便于提前預(yù)報、準(zhǔn)確疏放，合理部署，確保安全生產(chǎn)。

由于井下施工現(xiàn)場環(huán)境特殊，空間等條件有限，所以利用礦用瞬變電磁儀對云岡礦井下12#層410盤區(qū)51017巷掘進(jìn)至距510-1回27米時在工作面進(jìn)行了全方位的超前探測，根據(jù)多匝小回線發(fā)射電磁場的方向性，可認(rèn)為線框平面的法線方向即為瞬變電磁探測方向。因此，將發(fā)射、接收線框平面對準(zhǔn)工作面方向進(jìn)行探測，便可反映采空區(qū)內(nèi)部的地質(zhì)異常。根據(jù)這個原理結(jié)合本次的探測目的，決定布置一條測線11個測點。通過在巷道掘進(jìn)頭移動發(fā)射接收線圈，形成一條掘進(jìn)頭超前探測的實測剖面。

從這個多測道剖面圖上可以簡單的分析出電性大致分布趨勢，峰值越大表示該區(qū)域地下的導(dǎo)電性較好，視電阻率就越趨于小，相對顯示低阻異常[7]。這是在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理及異常區(qū)判斷一個根據(jù)。

經(jīng)過后期軟件的相關(guān)計算可以得出每個測點的視電阻率值，然后用成圖可以結(jié)合地質(zhì)及水文地質(zhì)情況直觀地判斷測區(qū)巖層的電性分布特點，形成一個工作面超前等視電阻率探測剖面圖（具體見圖1）。

圖中不同的顏色表示不同的視電阻值，電阻率由低到高按照從冷色調(diào)到暖色調(diào)升高的規(guī)律分布。因此填充了不同顏色的該斷面圖可以更直觀的判斷探測區(qū)域頂板電阻率的分布情況。一般情況下，在同一條件下巖石的電阻率不會發(fā)生大的變化。但如果巖石（煤）出現(xiàn)空區(qū)或者充水那么巖石的電阻率就會發(fā)生大的變化[7-8]。在圖1中可以發(fā)現(xiàn)，在30米開外視電阻率分布較低，賦水性反應(yīng)比較大，結(jié)合地質(zhì)資料分析，表明可能有小窯采空區(qū)積水的存在。

于是我們根據(jù)物探結(jié)論給出的具體位置，采用不同方位長短探相結(jié)合的措施，進(jìn)行加密探鉆，結(jié)果有四個孔鉆進(jìn)到36-39米見空，再向前鉆進(jìn)3米后又見實體煤，且兩孔有水和瓦斯，涌水量2-33/h，初步確定是小窯巷道，后礦制定專項貫通措施，排水300m3，進(jìn)行貫通后，經(jīng)實測為小窯巷道（具體位置見圖2），巷道規(guī)格2.0*3米，西部還存在一條，該巷道一直延續(xù)1200多米，通往原408盤區(qū)東部，皮帶巷保留皮帶，充分證實了瞬變電磁法探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

同時云岡礦也根據(jù)該小窯巷道的分布方式，對生產(chǎn)銜接進(jìn)行了及時的更改，重新優(yōu)化設(shè)計，南北布置工作面，緩解銜接緊張、產(chǎn)量吃緊的局面；通過該技術(shù)診斷指導(dǎo)，在小窯區(qū)可圈兩個工作面，解放煤炭儲量80萬噸，可創(chuàng)造價值4.5億元，經(jīng)濟(jì)利益特別顯著。

5 結(jié)語

瞬變電磁儀數(shù)據(jù)采集勞動強(qiáng)度小，不受巷道長度限制，測量設(shè)備輕便，工作效率高，成本低，保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量、降低體積效應(yīng)的影響、提高勘探分辨率。同時井下瞬變電磁法可以將線圈放置于巷道頂、底板測量，探測頂、底板一定深度內(nèi)含水性異常體垂向和橫向發(fā)育規(guī)律，也可以將線圈直立于巷道內(nèi)，當(dāng)線框面平行巷道掘進(jìn)前方，可進(jìn)行超前探測；當(dāng)線圈平行于巷道側(cè)面煤層，可探測工作面內(nèi)和頂?shù)装逡欢ǚ秶鷥?nèi)含水低阻異常體的發(fā)育規(guī)律；實際效果證明礦井瞬變電磁法為指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)、防止水害事故的發(fā)生提供了可靠的技術(shù)保障，在開采邊角煤和小窯破壞區(qū)圈工作面，延續(xù)礦井壽命奠定的基礎(chǔ)和開辟了先例，在煤礦防治水工作中具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]王齊仁.地下地質(zhì)災(zāi)害地球物理探測研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2004,19(3):497～5031.

[2]熊翥.我國物探技術(shù)的進(jìn)步及展望[J].石油地球物理勘探,2004,39(2):237～2431.

[3]李金銘.電法勘探方法發(fā)展概況[J].物探與探,1996,4.

[4]蔣邦遠(yuǎn).瞬變電磁法勘探[M].地質(zhì)出版社,1998.

[5]牛之璉.時間域電磁法原理[M].中南工業(yè)大學(xué)出版社,1992,12.

[6]方文藻.瞬變電磁測深法原理[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,19931.

[7]李實,李創(chuàng)社,等.高性能瞬變電磁儀的研制及應(yīng)用[J].物探與化探,2000,1.

[8]韓玉雪.瞬變電磁激發(fā)激化效應(yīng)的利用[J].工程地球物理學(xué)報,2006(5)1.

曹東升,1970年2月生,山西應(yīng)縣人,中共黨員,碩士研究生畢業(yè),高級工程師,采礦工程專業(yè),工作單位山西大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司云岡礦。白玉峰,1974年8月生,山西壞仁人,本科在讀,工程師,采礦工程專業(yè),工作單位山西大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司云岡礦。徐偉,1988年1月生,黑龍江大慶人,本科畢業(yè),助理工程師,勘查技術(shù)與工程專業(yè),工作單位山西大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司云岡礦。