瞬變電磁在內(nèi)蒙古鄂爾多斯中稅煤礦掘進(jìn)工作面中的應(yīng)用

李強(qiáng)++董蘇蘇++王傳盈

摘 要：中稅煤礦在9煤掘進(jìn)過程中受頂、底板砂巖水影響，因此對(duì)生產(chǎn)影響極大，給礦井帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失。本文闡述了瞬變電磁技術(shù)在該礦9煤聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)工作面中的應(yīng)用與研究，對(duì)今后運(yùn)用此技術(shù)在超前探測(cè)巷道前方富水性有著重要的作用。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁；掘進(jìn)工作面；電磁

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.162

內(nèi)蒙古鄂爾多斯煤炭有限責(zé)任公司中稅煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克旗境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬于鄂托克旗阿爾巴斯蘇木。井田為一不規(guī)則的形狀，東西最長(zhǎng)5.04km，南北最寬2.66km，面積約7.1028km2。井田內(nèi)主要可采煤層為9號(hào)煤、16號(hào)煤，底板標(biāo)高+700m～+1140m，埋深250m～670m。2006年開發(fā)投資建井，2009年開始試生產(chǎn)，2010年正式投產(chǎn)。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬(wàn)t/a。開拓方式為礦井采用斜-立混合式開拓方式，主副井為斜井，風(fēng)井為立井。采煤方法為綜采傾斜長(zhǎng)壁后退式采煤方法回采，全部垮落管理頂板；掘進(jìn)方式為綜合機(jī)械化掘進(jìn)。通風(fēng)方式為中央分區(qū)式，通風(fēng)方法為抽出式。

1 9煤聯(lián)絡(luò)掘進(jìn)工作面概況

9煤聯(lián)絡(luò)巷位于井田南部2采區(qū)，煤層為二疊系下統(tǒng)山西組9#煤層，平均厚度3.16m，局部含夾矸，為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的中厚煤層。頂板為深灰色粉砂巖，節(jié)理發(fā)育，強(qiáng)度較低，特別斷層處易冒落。底板為灰黑色砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)膠結(jié)，強(qiáng)度較低。巷道前方距F8斷層40m，F(xiàn)8斷層落差0～60m，傾角60～80?，為地面三維地震及井下瞬變電磁確定。

煤層平均厚度3.16m，局部含夾矸，為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的中厚煤層。老頂為灰白色粗砂巖，分選差，次圓～次棱角狀，含少量暗色礦物黃鐵礦結(jié)核，下部裂隙較發(fā)育，具劈理，泥質(zhì)膠結(jié)，強(qiáng)度較高。直接頂深灰色粉砂巖，節(jié)理發(fā)育，強(qiáng)度較低，特別斷層處易冒落。直接底灰黑色砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)膠結(jié)，強(qiáng)度較低。老底為灰黑色砂質(zhì)泥巖，破碎，具劈理、滑面，含炭屑，泥質(zhì)膠結(jié)，強(qiáng)度較低。

2 瞬變電磁基本原理

瞬變電磁法屬時(shí)間域電磁感應(yīng)方法。其探測(cè)原理是：在發(fā)送回線上供一個(gè)電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產(chǎn)生一個(gè)向回線法線方向傳播的一次磁場(chǎng)，在一次磁場(chǎng)的激勵(lì)下，地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度，在一次場(chǎng)消失后，該渦流不會(huì)立即消失，它將有一個(gè)過渡（衰減）過程。

該過渡過程又產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次磁場(chǎng)向四周傳播，由接收回線接收二次磁場(chǎng)，該二次磁場(chǎng)的變化將反映地質(zhì)體的電性分布情況。如按不同的延遲時(shí)間測(cè)量二次感生電動(dòng)勢(shì)V（t），就得到了二次磁場(chǎng)隨時(shí)間衰減的特性曲線。如果沒有良導(dǎo)體存在時(shí)，將觀測(cè)到快速衰減的過渡過程；當(dāng)存在良導(dǎo)體時(shí)，由于電源切斷的一瞬間，在導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流以維持一次場(chǎng)的切斷，所觀測(cè)到的過渡過程衰變速度將變慢，從而發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體的存在。瞬變電磁場(chǎng)在大地中主要以“煙圈”擴(kuò)散形式傳播。

在這一過程中，電磁能量直接在導(dǎo)電 介質(zhì)中傳播而消耗，由于趨膚效應(yīng)，高頻部分主要集中在地表附近，且其分布范圍是源下面的局部，較低頻部分傳播到深處，且分布范圍逐漸擴(kuò)大。

傳播深度：（1） 傳播速度： （2）

-為傳播時(shí)間，-為介質(zhì)電導(dǎo)率 -為真空中的磁導(dǎo)率。

根據(jù)理論分析，瞬變電磁探測(cè)深度與發(fā)送磁矩覆蓋層電阻率及最小可分辨電壓有關(guān)。

由（2）式得：

（3）

時(shí)間與表層電阻率，發(fā)送磁矩之間的關(guān)系為：

（4）

其中：M-為發(fā)送磁矩，-為表層電阻率，-為最小可分辨電壓，它的大小與目標(biāo)層幾何參數(shù)和物理參數(shù)，還和觀測(cè)時(shí)間段有關(guān)。

聯(lián)立（3）（4）式，可得：

（5）

上式為實(shí)際探測(cè)時(shí)用來(lái)計(jì)算最大探測(cè)深度公式。

為采用地質(zhì)體本身物性參數(shù)—電阻率來(lái)直觀表達(dá)地質(zhì)體的導(dǎo)電性情況，本系統(tǒng)采用晚期公式計(jì)算視電阻率：

（6）

式中。

3 探測(cè)施工

9煤聯(lián)絡(luò)巷共布置觀測(cè)方向9個(gè)，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)分布沿頂?shù)装宸较虿杉?個(gè)方向數(shù)據(jù)，分別為頂板45°方向、頂板30°方向、頂板15°方向、巷道掘進(jìn)正前方向、底板15°方向、底板30°方向、底板45°方向。

4 成果解釋

瞬變電磁結(jié)果解析本次瞬變電磁探測(cè)數(shù)據(jù)其處理主要流程為：文件轉(zhuǎn)換—數(shù)據(jù)分選—濾波顯示—視電阻率計(jì)算—深度反演—深度校正—斷面圖繪制—成圖。

1號(hào)異常區(qū)：圈定視電阻率異常區(qū)位于迎頭左前方24～100m的范圍內(nèi)，視電阻率值異常，視電阻率值<20Ω·m。

5 鉆探驗(yàn)證效果

實(shí)際鉆探成果與物探結(jié)果結(jié)合如圖2所示：

從圖2可看出T1、T2鉆孔水量分別為5m3/h，5m3/h。與物探異常區(qū)一致。因此9煤聯(lián)絡(luò)巷瞬變電磁探測(cè)準(zhǔn)確率較高。

6 瞬變電磁在掘進(jìn)中的應(yīng)用價(jià)值

由于鉆探方法成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，且鉆探結(jié)果為一孔之見，探查范圍極為有限；此外，施工鉆孔易成為隱伏含水體進(jìn)入巷道的人為通道，從而引發(fā)次生事故，故僅采用鉆探手段難以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。而瞬變電磁因成本低、快速、探查范圍大、距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在井下探水中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)9煤聯(lián)絡(luò)巷瞬變電磁探測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用，可以看出其準(zhǔn)確率較高，因此在瞬變電磁在煤礦安全生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)利益提高，都具有重要的意義。

作者簡(jiǎn)介：李強(qiáng)（1980-），山東肥城人，從事礦井水害防治工作。endprint