談瞬變電磁法在礦井勘查工程中的應(yīng)用

牛 中 元

(山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

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談瞬變電磁法在礦井勘查工程中的應(yīng)用

牛 中 元

(山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

介紹了瞬變電磁法的工作原理，并采用該方法，探測(cè)了某礦井巷道前方采空區(qū)的位置和范圍，分析了該礦井的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，為礦井的安全建設(shè)提供了依據(jù)。

礦井，瞬變電磁法，采空區(qū)，水文地質(zhì)

0 引言

山西長(zhǎng)期高強(qiáng)度的煤炭開采致使地下采空區(qū)面積相當(dāng)于國(guó)土面積的1/8，尤其是私營(yíng)小煤窯私挖無(wú)序亂采，導(dǎo)致礦難和地質(zhì)災(zāi)害頻頻發(fā)生。近幾年，我國(guó)煤礦普遍采用各種物探方法探測(cè)小煤窯采空區(qū)位置，以便及時(shí)采取防治措施，其中利用三維地震勘探和瞬變電磁法較多。

瞬變電磁法是通過向地下發(fā)射電磁波激勵(lì)地下目標(biāo)，接收其產(chǎn)生的二次場(chǎng)，確定被測(cè)目標(biāo)的物理參數(shù)。瞬變電磁法測(cè)量裝置由發(fā)射回線和接收回線兩部分組成，工作過程分為發(fā)射、電磁感應(yīng)和接收三部分。當(dāng)發(fā)射回線中通以階躍電流，發(fā)射電流突然下降到零，根據(jù)電磁感應(yīng)理論，發(fā)射回線中電流突然變化必將在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)稱為一次磁場(chǎng)，一次磁場(chǎng)在周圍傳播過程中，如遇到地下良導(dǎo)電的地質(zhì)體，將在其內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流，又稱渦流或二次電流，由于二次電流隨時(shí)間變化，因而在其周圍又產(chǎn)生新的磁場(chǎng)，稱為二次磁場(chǎng)。由于良導(dǎo)電地質(zhì)體內(nèi)感應(yīng)電流的熱損耗，二次磁場(chǎng)大致按指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間衰減，形成瞬變磁場(chǎng)，二次磁場(chǎng)主要來(lái)源于良導(dǎo)電地質(zhì)體的感應(yīng)電流，因此它包含著與地質(zhì)體有關(guān)的地質(zhì)信息，二次磁場(chǎng)通過接收回線觀測(cè)，并對(duì)觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，對(duì)地下地質(zhì)體的相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行解釋。

1 工程概況

該礦井為山西煤礦兼并重組整合礦井，井田位于晉城市陽(yáng)城縣境內(nèi)，太行山復(fù)式背斜西翼，沁水盆地東翼南段。井田內(nèi)地層產(chǎn)狀與區(qū)域構(gòu)造線基本一致，井田地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，地層整體呈一走向近EW、傾向近正N的單斜構(gòu)造，傾角2°～3°。井田內(nèi)主要可采煤層為3號(hào)、15號(hào)煤層，9號(hào)煤層井田內(nèi)大部分可采。井田內(nèi)煤層與各含水層之間的巖層較穩(wěn)定，隔水性較好。區(qū)內(nèi)斷裂不發(fā)育，構(gòu)造簡(jiǎn)單。該礦井所采3號(hào)、9號(hào)、15號(hào)煤層位于沁河侵蝕基準(zhǔn)面以下，沁河對(duì)礦井的安全生產(chǎn)存在一定的隱患。井田內(nèi)奧灰水位(485.60 m)低于3號(hào)、9號(hào)、15號(hào)煤層底板最低處，對(duì)井田內(nèi)各煤層的開采沒有威脅，在3號(hào)煤層前期的采掘過程中沒有發(fā)生過奧灰突水現(xiàn)象。由于20世紀(jì)末當(dāng)?shù)厮綘I(yíng)小煤窯私挖亂采，導(dǎo)致井田內(nèi)存在局部采空區(qū)，采空區(qū)積水將成為礦井安全建設(shè)的主要隱患。

該礦井整合后需新建主斜井、副斜井，本次物探目的就是探明主、副斜井巷道前方是否存在采空區(qū)，給巷道建設(shè)提供資料依據(jù)。

2 探測(cè)方案

2.1 探測(cè)儀器設(shè)備

本次采用PROTEM EM-47瞬變電磁儀，該儀器是一款性能強(qiáng)大的測(cè)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高分辨率電導(dǎo)率成像，其抗干擾能力強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)異常能力強(qiáng)，裝置靈活多樣，對(duì)低阻覆蓋層的穿透能力強(qiáng)等，適用于煤礦井下工作環(huán)境較窄的巷道施工。

2.2 探測(cè)工作布置及工作量

根據(jù)工作目的和現(xiàn)場(chǎng)工作條件，探測(cè)工作布置如下：

本次在礦井主、副斜井平面左右30°范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，中間向兩側(cè)每隔10°布線探測(cè)。主斜井平面每個(gè)角度在垂向-15°，-25°，-35°，-45°，-55°進(jìn)行探測(cè)(見圖1)。副斜井平面每個(gè)角度在垂向-12°，-22°，-32°，-42°，-52°進(jìn)行探測(cè)。發(fā)射回線邊長(zhǎng)25 m，疊加次數(shù)10次，供電脈寬10 ms，采樣率4 μs，供電電流檔200 A。共完成2個(gè)巷道迎頭超前探測(cè)，物理測(cè)點(diǎn)80個(gè)。

3 資料整理及解釋分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)室內(nèi)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行歸一化處理后，運(yùn)用專用瞬變電磁解析軟件TEMINT進(jìn)行解析，通過正、反演計(jì)算進(jìn)行視電阻率成像，繪制測(cè)線解析曲線分析圖，最后結(jié)合地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，進(jìn)行地質(zhì)、水文地質(zhì)解析。

本次瞬變電磁超前沿探測(cè)方向主斜井解釋距離為160 m，副斜井解釋距離為120 m。

從圖2中可以看出，主斜井探測(cè)前方60 m～110 m處顯示存在1處低阻異常區(qū)(見圖3 A異常區(qū))，異常區(qū)垂向范圍為頂部位于3號(hào)煤層附近向下延伸至9號(hào)、15號(hào)煤層，15號(hào)煤層異常反應(yīng)較為明顯，表現(xiàn)出一定的低阻特征，因此分析采空區(qū)內(nèi)積水向下有一定的滲透擴(kuò)散。

從圖4中可以看出，副斜井探測(cè)前方顯示存在2處低阻異常(見圖3 B1，B2異常區(qū))，其中B1異常區(qū)位于巷道前方40 m～70 m，分析該異常區(qū)應(yīng)為3號(hào)、9號(hào)煤層采空；B2異常區(qū)位于探測(cè)前方100 m后，分析異常區(qū)范圍應(yīng)在15號(hào)煤層內(nèi)且可能存在積水，水平范圍還需今后進(jìn)一步探測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

本次勘探結(jié)果共圈定3個(gè)低阻異常區(qū)，綜合分析3處異常均為采空異常反應(yīng)可能性大。說明在合適的勘探深度下，通過選擇合理的參數(shù)和儀器，在礦井周圍存在小煤窯采空區(qū)方面的探測(cè)可以取得很好的效果，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)城市建設(shè)、道路施工、煤礦采掘等地下采空區(qū)的探測(cè)具有很好的指導(dǎo)意義。

[1] 王 剛.淺談瞬變電磁法在物理勘探中的應(yīng)用[J].能源地礦,2014(20):160.

[2] 李成友,劉洪福.多層采空區(qū)調(diào)查中瞬變電磁法的應(yīng)用[J].物探與化探，2007,10(31):108-110.

Discussion on the application of Transient Electromagnetic Method in mine exploration engineering

Niu Zhongyuan

(ShanxiJinchengAnthraciteMiningGroupCo.,Ltd,Jincheng048006,China)

The paper introduces the working principles of TEM, explores the mined-out area location and scope of the mine roadway by applying TEM, analyzes the mine engineering geology and hydrology conditions, which has provided some guidance for mine safety construction.

mine, Transient Electromagnetic Method(TEM), mined-out area, hydrogeology

1009-6825(2016)31-0095-02

2016-08-24

牛中元(1984- )，男，碩士，工程師

P631.325

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