礦井瞬變電磁法在超前探測中的應(yīng)用探究

■張定勝 何獻偉 龐永梅

（青海省核工業(yè)地質(zhì)局青海西寧810000）

礦井瞬變電磁法在超前探測中的應(yīng)用探究

■張定勝 何獻偉 龐永梅

（青海省核工業(yè)地質(zhì)局青海西寧810000）

瞬變電磁法與傳統(tǒng)的探測方式相比操作更為簡便，而且探測的效果也比較好，因而其應(yīng)用的范圍也越來越廣。應(yīng)用瞬變電磁法需要在其掘進工作面以及回采工作面上進行扇形測線的設(shè)置，掘進工作面水平橫向的測線設(shè)置方向要比豎直方向更多，從而保證頂板、地板以及順層等的全面朝前探測。目前一些礦井已經(jīng)采取了該方式進行超前探測并且取得了良好的成效。本文著重介紹了礦井瞬變電磁法的原理以及操作的方法，對其在超前探測中的應(yīng)用進行了一些探究。

瞬變電磁法超前探測礦井水害探測

我國的煤礦資源豐富，但是資源開采技術(shù)卻相對比較落后，尤其對于一些礦井災(zāi)害處理能力更是不足，礦井水害、瓦斯泄漏等嚴(yán)重威脅著礦井工作人員的生命健康安全。通過超前探測可以及時預(yù)測災(zāi)害，保證礦井的安全生產(chǎn)。瞬變電磁法對環(huán)境的適應(yīng)性強探測的準(zhǔn)確率高，而且較傳統(tǒng)鉆探而言成本更低因而在礦井水害探測方面發(fā)揮著越來越重要。

1 礦井瞬變電磁法原理

礦井瞬變電磁法最重要的還是利用的線圈的電磁反應(yīng)的原理。一般來說技術(shù)人員會在礦井的巷道內(nèi)提前布置好可以通電的線圈，這里稱之為發(fā)射線圈，當(dāng)線圈通電后就會在再其周圍形成一個小型的穩(wěn)定磁場，此時如果斷開電流，為了穩(wěn)定周圍的磁場線圈周圍會產(chǎn)生一個感應(yīng)渦流場，斷電時電流本身集中在線圈的周圍但隨著時間的推移隨著渦流形似煙圈般的擴散到巷道的其他空間中。這種斷電瞬間產(chǎn)生的磁場波動也就是瞬變電磁法應(yīng)用的基礎(chǔ)。

而且礦井的瞬變電磁反應(yīng)尤其特殊的地方，接收線圈接受的電流信號是來自上下兩個方向的因而斷電的瞬間，線圈的上下兩側(cè)都會有渦流場的形成，電流的煙圈效應(yīng)也是兩側(cè)同時產(chǎn)生，圖1就是礦井內(nèi)的電磁反應(yīng)。礦井的巷道由于其特殊的巖層使得瞬變電磁視電阻對其進行了與其他環(huán)境不同的響應(yīng)。

圖1 礦井瞬變電磁傳播

該式中，C表示全空間響應(yīng)系數(shù)；S表示接受回線面積；N表示線圈匝數(shù);t為時間；V/I為接收的歸一化二次場電位場值。

2 礦井瞬變電磁超前探測方法

2.1 掘進工作面超前探測

瞬變電磁法的反應(yīng)較為靈敏，因而對于礦井環(huán)境以及巖層表面平整度的要求比較高，所以在進行掘進工作面的朝前探測之前必須保證礦井巷道作業(yè)面的平整。技術(shù)人員需要按照既定的標(biāo)準(zhǔn)在礦井巷道內(nèi)設(shè)置線框，此外為了避免一些金屬設(shè)備對接受線圈周圍的磁場進行干擾影響結(jié)果的準(zhǔn)確性一般會在探測前移開設(shè)備，距離保持在十米以上為宜。探測正掘進方向時，探測距離一般保持在100米以下，確保探測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)和有效性，切實確保礦井的安全施工。

在進行測點的設(shè)置時必須要進行反復(fù)的測量校準(zhǔn)，確保其位于掘進工作面的正前方。測點布置好之后要進行測線的設(shè)置，一般來說測線呈現(xiàn)為一個與上橫面平行的鈍角扇形為宜，發(fā)射線圈、接受線圈要處于同一高度，并且可以進行適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)從而使數(shù)據(jù)更加全面，但是擺動的角度要嚴(yán)格控制，保證在10°左右。頂板和底板的朝前探測與掘進面相似，就是使測線的面垂直于巷道的頂板，并可以進行適當(dāng)?shù)慕嵌日{(diào)整，測量底面一定深度是否有異常的情況。

2.2 回采工作面探測

回采面的探測與掘進面同樣重要，很多的礦井事故就是由于對已采區(qū)域不重視而導(dǎo)致的。對回采面進行探測時首先也是要確定測點的位置和測線的角度以及范圍，根據(jù)回測的范圍確定測點的數(shù)量，測點之間的距離控制在10米左右，測線設(shè)置在回風(fēng)或者是運輸巷道內(nèi)，而且也可以通過角度的調(diào)整測量頂板和底板不同位置的電阻率，如果有異常的訊號返回要及時對其進行排查。具體的探測線方向示意可見圖二。所用的瞬變電磁探測裝置不同探測的距離也會存在差別，如果探測的距離較短可以適當(dāng)增加探測的次數(shù)。

圖2 回采工作物探測線方向示意

3 應(yīng)用實例

3.1 掘進工作面超前探測目前已經(jīng)很多礦井使用瞬變電磁法對掘進工作面進行超前探測，筆者以圖三為例具體分析該方法在該礦井的應(yīng)用。該礦井分布的地區(qū)地下水資源豐富而且區(qū)域內(nèi)很多地區(qū)已經(jīng)被采空，呈現(xiàn)一種真空的狀態(tài)，極易出現(xiàn)礦井水災(zāi)害，給地下工作人員帶來巨大的威脅。在對該礦的掘進面進行探測時他們的技術(shù)人員在與掘進面垂直的方向共設(shè)置了14條不同方向的測線，其擺動的角度為水平方向為15°，垂直方向為45°，從而保證對巷道的全面探測。得到相關(guān)數(shù)據(jù)后對巷道內(nèi)1220m處的數(shù)據(jù)進行了分析發(fā)現(xiàn)底板下層100m左右處出現(xiàn)了電阻異常的情況，相關(guān)技術(shù)人員認為掘進面正前方存在積水。此后進行相關(guān)的驗證發(fā)現(xiàn)前方約50m左右的地下可探測深度內(nèi)確實有大量采空區(qū)積水的出現(xiàn)，該技術(shù)的應(yīng)用成功地預(yù)測了相關(guān)災(zāi)害，保障了工作人員生命健康安全。

3.2 回采工作面頂?shù)装逄綔y

此礦井為了確定采空區(qū)的具體積水狀況，為后續(xù)的回采工作提供保障，在該工作面又進行了頂板和底板的探測。測點設(shè)置在工作巷道內(nèi)，而且使點距保證在10米，并按照既定的角度對頂板和底板的不同方向進行探測，并將數(shù)據(jù)進行詳細的記錄，此后技術(shù)人員將這些不同剖面的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的整理計算和分析發(fā)現(xiàn)兩處異常，分別位于開口方向的300m左右處和450m左右處，又結(jié)合巷道的具體情況對這兩處進行進一步的分析最終得出300m處為積水區(qū)，另一處則是柱體的異常進水。為了驗證探測的準(zhǔn)確性，技術(shù)人員在兩處分別鉆探了無處驗證空，結(jié)果第一處異常有驗證孔出水，第二處并無出水現(xiàn)象，證明瞬變電磁法的探測結(jié)果正確。

圖3 巷道1220m處順層超前探測視電阻率擬斷面示意

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的鉆探探測相比，瞬變電磁法探測的范圍更大，而且相對操作更為簡便，探測的效率也得到了極大的提高，因而更能適應(yīng)當(dāng)前礦井超前探測和災(zāi)害預(yù)防的要求。與此同時我國目前的瞬變電磁法超前探測技術(shù)還不夠成熟，在應(yīng)用中也存在較多的問題，需要相關(guān)技術(shù)人員加強對此的研究，促進我國的勘探技術(shù)的進步。

[1]王曉光礦井瞬變電磁探測中空芯線圈傳感器的研制 [J]-地球物理學(xué)報 2016（02）.

[2]甘露礦井瞬變電磁法在超前探測中的應(yīng)用 [J]-中州煤炭2014（07）.

P62[文獻碼]B

1000-405X（2016）-6-324-1