礦井瞬變電磁法在含水構(gòu)造探測中的應(yīng)用

楊開珍

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司地震勘探研究所，陜西，西安 710077)

?

礦井瞬變電磁法在含水構(gòu)造探測中的應(yīng)用

楊開珍

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司地震勘探研究所，陜西，西安 710077)

[摘要]闡述礦井瞬變電磁法的物性前提、方法理論及基本原理。簡單講述了引發(fā)礦井水害的直接因素。為排除此類安全隱患，利用礦井瞬變電磁法對掘進(jìn)巷道進(jìn)行超前探測。通過實(shí)例研究論證礦井瞬變電磁法對于地質(zhì)異常預(yù)報(bào)工作具有較好的應(yīng)用效果，可查明礦區(qū)隱伏地質(zhì)災(zāi)害，在煤礦生產(chǎn)過程中起到了關(guān)鍵性的安全指導(dǎo)作用。

[關(guān)鍵詞]礦井瞬變電磁法；超前探測；富水性；電性差異；裂隙發(fā)育帶

隨著礦井建設(shè)力度的不斷增大，在看到日益增長的經(jīng)濟(jì)效益時(shí)，煤礦開采過程中會伴隨出現(xiàn)各種各樣的地質(zhì)災(zāi)害。例如：裂隙發(fā)育帶、斷層、陷落柱、地下暗河、采空區(qū)以及小窯巷道等極易富水的地質(zhì)構(gòu)造，這類地質(zhì)構(gòu)造是造成礦井突發(fā)水害的直接因素。因此，要保證礦井的安全生產(chǎn)，采用何種有效手段來查明礦區(qū)內(nèi)隱伏的地質(zhì)災(zāi)害，是煤礦工作者亟待解決的問題。

礦井瞬變電磁法超前探測可以解決煤礦掘進(jìn)巷道前方富水性構(gòu)造問題，其克服了井下其它超前探測方法受空間場地限制，需埋設(shè)電極等缺陷，具有探測距離遠(yuǎn)，方向性強(qiáng)，精度高，施工效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。

筆者通過大量的工程實(shí)踐和地質(zhì)驗(yàn)證情況認(rèn)為：井下瞬變電磁超前探測是解決礦井地質(zhì)水害的有效方法之一?，F(xiàn)就結(jié)合山西某煤礦利用瞬變電磁法在巷道掘進(jìn)過程中進(jìn)行超前探測應(yīng)用效果進(jìn)行探討論證。

1瞬變電磁物性前提和方法理論

由于煤系地層沉積序列清晰，地層相對穩(wěn)定，在正常地層組合條件下，橫向與縱向上都有固定的變化規(guī)律[4]，而巖層中富水或出現(xiàn)其它地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，都會打破原有的電阻率變化規(guī)律，與正常區(qū)段存在差異，因此，瞬變電磁技術(shù)能根據(jù)巖層電性差異的特點(diǎn)查明工作面頂、底板及巷道掘進(jìn)工作面前方水平和垂直方向上的的低阻含(導(dǎo))水構(gòu)造。

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic-ods，簡稱 TEM)[2～4]是一種建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的時(shí)間域人工源電磁探測方法，利用不接地回線(磁源)或接地線源(電偶源)向地下發(fā)送一次脈沖磁場(一次場)，在其激發(fā)下，地下地質(zhì)體中激勵(lì)起的感應(yīng)渦流將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)電磁場(二次場)，該二次場的大小及衰減速度與地下地質(zhì)體的導(dǎo)電性有關(guān)，如果巖石裂隙發(fā)育豐富，含水量較大，導(dǎo)電性好，則二次場衰減慢，反之二次場衰減較快。根據(jù)二次場衰減曲線的特征就可以判斷地下地質(zhì)體的電性差異、規(guī)模和產(chǎn)狀等[1～6]。

2礦井瞬變電磁法基本原理[3～6]

礦井瞬變電磁法的基本原理同地面瞬變電磁法的基本一致(圖1)。在導(dǎo)電率為σ、導(dǎo)磁率為σ的巷道迎頭鋪設(shè)面積為S的矩形發(fā)射回線，在回線中供以階躍脈沖電流，其中：

在t<0時(shí)，電流斷開之前，發(fā)射電流在回線周圍空間中建立一個(gè)穩(wěn)定的磁場。在t=0時(shí)刻，將電流突然斷開，由該電流產(chǎn)生的磁場也立即消失。在t>0時(shí)，一次磁場的這一劇烈變化通過介質(zhì)傳至發(fā)射線框周圍的圍巖中，并在大圍巖中激發(fā)出感應(yīng)電流以維持發(fā)射電流斷開之前存在的磁場，使空間的磁場不會即刻消失。由于介質(zhì)的歐姆損耗，這一感應(yīng)電流將迅速衰減，由它產(chǎn)生的磁場也隨之迅速衰減，這種迅速衰減的磁場又在其周圍的介質(zhì)中感應(yīng)出新的強(qiáng)度更弱的渦流場(二次場)。這一過程繼續(xù)下去，直至地層的磁場能量消耗完畢為止。

圖1　礦井瞬變電磁超前探測原理示意圖

由于礦井瞬變電磁超前探測是在井下巷道內(nèi)進(jìn)行，其測量裝置感應(yīng)巷道周圍空間有效探測范圍內(nèi)所有巖層導(dǎo)電性的綜合響應(yīng)。因此，礦井瞬變電磁視電阻率為全空間巖層導(dǎo)電性的綜合反映，視電阻率計(jì)算公式為：

式中：C為全空間響應(yīng)系數(shù)；S為接收回線線圈面積；N為線圈匝數(shù)；t為二次場衰減時(shí)間；V/I為接收的歸一化二次場電位場值。

在巷道中迎頭附近，通過接收線圈測量二次渦流場的感應(yīng)電動勢隨時(shí)間的變化特征，就可以了解巷道迎頭附近介質(zhì)的電磁性質(zhì)變化規(guī)律，進(jìn)而確定電磁性質(zhì)異常體的規(guī)模、產(chǎn)狀和到巷道迎頭的距離等。

圖2　巷道施工角度控

3礦井瞬變電磁法施工裝置與方法

由于井下瞬變電磁法超前探測環(huán)境與地面差別很大，回線組合裝置不能按照地面條件進(jìn)行選擇。根據(jù)井下探測施工條件分析：一是井下探測目標(biāo)距離施工區(qū)域較近(一般地面探測目標(biāo)區(qū)域埋深較大)；二是井下空間異于地面，不能采用地面各種大的回線組合(一般邊長在100～600之間)，在井下測量只能采用邊長較小(一般為2 m)的回線組合測量。

在探測施工時(shí)，測點(diǎn)布置在迎頭空間位置，首先使線框平面與頂、底板平面垂直，探頭所指方向?yàn)樘綔y目標(biāo)區(qū)域方向。其探測方向如圖2所示，接收探頭與發(fā)射線框法線方向從垂直右側(cè)幫方向0°開始，依次0°、15°、30°、……、165°、180°，以探測巷道周圍的圍巖變化情況，這樣可得到位于巷道迎頭前方一個(gè)錐體范圍內(nèi)地層介質(zhì)的電性變化情況(如圖3所示)，旨在多個(gè)方向進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而得到較為完整的前方空間信息。

圖3　超前探測體積示意圖

4應(yīng)用實(shí)例與分析

筆者以山西某礦2#煤層-3盤區(qū)-09工作面回風(fēng)巷超前探測為例進(jìn)行論證。

水文地質(zhì)概述：

本礦區(qū)共含煤11層，可采煤層5層，自上而下分別為2#、3#、7#、10#、12#煤層，其中2#、10#煤層為全礦區(qū)穩(wěn)定可采煤層，目前主采2#煤層。2#煤層位于山西組中下部，煤層頂、底板大部分為泥巖，粉砂巖，含水性質(zhì)主要為裂隙水。采用超前探測技術(shù)目的是探查與圈定巷道前方富水區(qū)域及隱伏導(dǎo)水通道區(qū)域范圍，為巷道安全掘進(jìn)提供參考依據(jù)。

圖4　09工作面回風(fēng)巷超前探測成果圖(順煤層方向)

探查成果與驗(yàn)證情況說明：

本次探測主要針對掘進(jìn)巷道前方順煤層方向未知區(qū)域異常位置進(jìn)行圈定，探測范圍為迎頭掌子面左、右?guī)图跋锏勒胺?00 m扇形區(qū)域。物探成果如圖4顯示，設(shè)定迎頭掌子面測量點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，橫軸為X坐標(biāo)，豎軸為Y坐標(biāo)，在探測范圍內(nèi)主要發(fā)育有1處較為明顯的瞬變電磁異常區(qū)，該異常位于X坐標(biāo)-22～10 m、Y坐標(biāo)10～40 m區(qū)域內(nèi)。根據(jù)礦區(qū)及測區(qū)水文地質(zhì)情況分析：推測該異常主要為迎頭前方瞬變異常對應(yīng)空間位置內(nèi)煤巖層裂隙較為發(fā)育且賦水所致。

為進(jìn)一步查明異常性質(zhì)，保證巷道安全掘進(jìn)，礦方對異常區(qū)進(jìn)行了井下超前鉆探作業(yè)。在迎頭鉆窩位置共施工5個(gè)鉆孔，1號鉆孔孔深16 m，掘進(jìn)至11 m

時(shí)出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，16 m時(shí)卡鉆無法鉆進(jìn)。2～5號鉆孔孔深均為130 m，2～4號孔在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)不同程度的返水，卡鉆現(xiàn)象。5號鉆終孔后未見有明顯異常現(xiàn)象出現(xiàn)。

在鉆探施工，終孔不返水后，礦方對巷道進(jìn)行安全掘進(jìn)，掘進(jìn)至迎頭前方10 m處，巷道頂板開始出現(xiàn)破碎，煤質(zhì)松軟現(xiàn)象，掘進(jìn)至50 m后異常現(xiàn)象逐漸消失，50～100 m之間未揭露有明顯的地質(zhì)異?，F(xiàn)象。

綜合分析：瞬變電磁法劃定的異常范圍與鉆探驗(yàn)證情況相互對應(yīng)，與巷道掘進(jìn)揭露情況基本吻合，說明瞬變電磁法在超前探測中具有探測異常范圍準(zhǔn)、精度高的特點(diǎn)。

5結(jié)語

通過本次應(yīng)用實(shí)例分析，礦井瞬變電磁法在探測裂隙發(fā)育帶及含水構(gòu)造區(qū)具有較好的應(yīng)用效果。該方法在井下巷道超前探測方面具有施工方便、操作簡單快捷、不受現(xiàn)場狹小空間限制、成本低、技術(shù)比較成熟、效率高、不影響巷道的正常掘進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)。為巷道安全掘進(jìn)起到了關(guān)鍵性的指導(dǎo)作用，為礦井防治水措施的提前制定提供可靠依據(jù)。

但利用單一手段在煤礦井下進(jìn)行防治水工作可能會存在較大漏洞，礦井瞬變電磁法探測技術(shù)為“非接觸式”探查手段，成果僅從物性角度對異常區(qū)進(jìn)行靶區(qū)圈定，而結(jié)合鉆探資料對物探成果進(jìn)行可靠性分析和驗(yàn)證，是保證礦井巷道安全掘進(jìn)的直接性手段。

礦井瞬變電磁法作為一種較為成熟的探測手段，至今還存在許多應(yīng)用弊端，例如：井下環(huán)境對該方法的干擾，煤壁錨網(wǎng)、皮帶架、鐵軌對于電磁場干擾有多大，迎頭積水對于探測成果有無影響，發(fā)射線框距離迎頭掌子面距離多少探測效果最好？為完善瞬變電磁技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)超前探測技術(shù)的成熟應(yīng)用，仍是我們在今后的工作中急需論證與解決的問題。

參考文獻(xiàn)

[1]趙文曙，劉軍，李永軍. 瞬變電磁法在圪堆煤礦含(導(dǎo))水構(gòu)造超前探測中的應(yīng)用[J]. 華北科技學(xué)院學(xué)報(bào).2014，11(3)：1-5.

[2]常杰. 瞬變電磁法巷道超前探測[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào).2011，8(3)：4-7.

[3]王揚(yáng)州，于景邨，劉建，等.瞬變電磁法礦井超前探測[J].工程地球物理學(xué)報(bào).2009，6(1)，28-32.

[4]劉志新，于景村，郭棟. 礦井瞬變電磁法在水文鉆孔探測中的應(yīng)用[J].物探與化探.2006，30(1)，59-61.

[5]宋忠亮，閆家法. 瞬變電磁超前探測技術(shù)在安陽煤礦巷道掘進(jìn)中的應(yīng)用[J]. 山東煤炭科技.2012，5，7-9.

[6]蘇俊輝，劉朋. 以巖石電性差異為基礎(chǔ)的瞬變電磁超前探測技術(shù)[J].中國高新技術(shù)企業(yè).2010,4(139)，44-45.

Application of Mine Transient Electromagnetic Method in the Detection of Moisture

YANG Kai-zhen

(Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Seismic Exploration Institute, Xi’an 710054, China)

Abstract:This paper states the mine transient electromagnetic method including physical premise, theory and basic principle. It simply tells the story of the direct factors leading to mine water disasters. To rule out such security hidden danger, the mine transient electromagnetic method is used in roadway advanced detecting. Having found out the concealed geological disasters in mining area, the mine transient electromagnetic method has played a key role in the process of coal mine production safety for good applications effect in abnormal geological forecast.

Key words:Mine transient electromagnetic method；advanced detection；water content；the difference of electrical；fracture belt

[中圖分類號]P631.3

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)02-0114-02

[作者簡介]楊開珍(1983-)，男，山西忻州人，工程師，主要從事地球物理勘探方面的技術(shù)研究工作。

[收稿日期]2015-12-13