瞬變電磁法在井田邊界附近區(qū)域探測(cè)中的應(yīng)用

劉洪青 劉翔 孫中寅

摘 要：瞬變電磁法在煤礦地質(zhì)構(gòu)造及富水性探測(cè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了令人滿意的效果。本文介紹了瞬變電磁法在王晁煤礦南邊界地質(zhì)構(gòu)造及富水性探測(cè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁;煤礦;井田邊界;地質(zhì)構(gòu)造;富水性;探測(cè)

中圖分類號(hào)：TD745.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）01-0169-02

0 引言

在煤礦采掘前查明整個(gè)采掘區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育程度及水文地質(zhì)情況（查清水源、涌水通道及富水區(qū)等），以便于采取相應(yīng)的防治措施，已成為煤礦關(guān)注的重點(diǎn)。瞬變電磁法作為一種新興的物探方法，它具有體積小、分辨率高、對(duì)低電阻反應(yīng)靈敏、與探測(cè)地質(zhì)體有最佳耦合、受旁側(cè)地質(zhì)體影響小等特點(diǎn)，近年來(lái)其在煤礦探測(cè)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造、查明水文地質(zhì)情況等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

利用礦井瞬變電磁法超前探測(cè)巷道掘進(jìn)迎頭前方的地質(zhì)構(gòu)造及其富水性，在煤礦安全生產(chǎn)中發(fā)揮了極其重要的作用。隨著開(kāi)采工藝和技術(shù)的不斷發(fā)展提高，對(duì)巷道前方煤巖層和地質(zhì)構(gòu)造的富水性探測(cè)精度要求越來(lái)越高。特別是當(dāng)前綜采綜掘開(kāi)采技術(shù)的推廣應(yīng)用，對(duì)這方面的地質(zhì)要求更高。巖層含（富）水性的一般探測(cè)方法有直流電法、電磁法等，探測(cè)方式既可以在地面探測(cè)也可以在井下探測(cè)。地面探測(cè)一般以直流電法、大地電磁法、地面瞬變電磁法為主;井下探測(cè)則以直流電法、音頻電透視法、礦井瞬變電磁法為主。近幾年來(lái)，隨著礦井物探技術(shù)的發(fā)展和提高，礦井瞬變電磁法在礦井煤巖層的含（富）水性探測(cè)方面發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。由于采用小線圈測(cè)量技術(shù)，可有效降低其體積效應(yīng)的影響，提高探查分辨率，特別是橫向分辨率，另外，由于井下探測(cè)儀器裝置距離地質(zhì)異常體更近，可大大提高測(cè)量信號(hào)的信噪比。本項(xiàng)目利用礦井瞬變電磁法對(duì)205采區(qū)軌道巷迎頭前方的地質(zhì)構(gòu)造及其富水性進(jìn)行了精細(xì)探測(cè)，力爭(zhēng)滿足高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)的要求。

1 瞬變電磁法基本原理

它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次場(chǎng)間歇期間，利用回線或電偶極觀測(cè)二次渦流電磁場(chǎng)的方法。其基本工作方法是：于地面或空中設(shè)置通以一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周?chē)臻g產(chǎn)生一次電磁場(chǎng)，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時(shí)間衰減。衰減過(guò)程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場(chǎng)相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小，而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過(guò)測(cè)量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。通過(guò)分析研究二次渦流電磁場(chǎng)的時(shí)空分布規(guī)律，來(lái)解決各種地質(zhì)問(wèn)題。

2 典型實(shí)例

本項(xiàng)目利用礦井瞬變電磁法對(duì)棗莊王晁煤礦有限責(zé)任公司南邊界205采區(qū)軌道巷迎頭前方的地質(zhì)構(gòu)造及其富水性情況進(jìn)行探測(cè)。

2.1 測(cè)區(qū)地質(zhì)概況

棗莊王晁煤礦有限責(zé)任公司205采區(qū)軌道巷沿12下煤層掘進(jìn)，當(dāng)該工作面掘至距井田南邊界約150m，煤層傾角達(dá)15°以上，比礦區(qū)內(nèi)12下煤層傾角5～10°有所增加，迎頭有少量淋水，經(jīng)取樣水質(zhì)分析，內(nèi)含少量NO3陰離子，表明附近有人類活動(dòng)，推測(cè)級(jí)索煤礦采空區(qū)積水已滲透至王晁煤礦205采區(qū)軌道巷迎頭位置，級(jí)索煤礦曾越界開(kāi)采王晁煤礦的煤炭資源，在采空區(qū)留下積水。按煤層底板標(biāo)高與南部相鄰礦井（級(jí)索煤礦）對(duì)比，推測(cè)原位于兩礦之間的井田邊界張坡斷層（原認(rèn)為張坡斷層傾角70°、落差80m）可能不存在或落差大大減小。為進(jìn)一步查清該掘進(jìn)工作面前方地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況及水文地質(zhì)條件，采用井下瞬變電磁探測(cè)技術(shù)探明迎頭前方150m，中心角50°的扇形區(qū)域范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育及其富水性情況。

2.2 數(shù)據(jù)采集及處理

本次井下瞬變電磁法探測(cè)工作采用加拿大生產(chǎn)的TEM-47型礦井專用瞬變電磁儀。根據(jù)205采區(qū)軌道巷的實(shí)際空間條件，在掘進(jìn)迎頭測(cè)量時(shí)，采用中心偶極測(cè)量裝置，發(fā)射線框從巷道中線方向偏左30°方向開(kāi)始測(cè)量，依次為左30°—左25°—左20°—左15°—左10°—左5°—正前方0°—右5°—右10°—右15°—右20°—右25°—右30°。接收線框距離發(fā)射線框12m，與發(fā)射線框同方向同步旋轉(zhuǎn)。為確保測(cè)量精度，共測(cè)量?jī)杀?。本次瞬變電磁法探測(cè)工作，共完成瞬變電磁物理點(diǎn)29個(gè)，其中測(cè)量物理點(diǎn)26個(gè)（13個(gè)×2遍），試驗(yàn)物理點(diǎn)3個(gè)。礦井瞬變電磁法在井下巷道中采用多匝數(shù)小回線測(cè)量裝置，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定裝置參數(shù)如下：回線邊長(zhǎng)：2m×2m;回線匝數(shù)：64;同步模式：線同步;重復(fù)頻率：30門(mén);發(fā)射電流：2.7A;關(guān)斷時(shí)間：230μs;測(cè)量裝置類型：迎頭探測(cè)采用中心偶極測(cè)量裝置。

經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，根據(jù)地層的電性特征，設(shè)計(jì)了多級(jí)表示視電阻率的色譜，形成了視電阻率色譜斷面圖。

2.3 成果及其驗(yàn)證情況

主要解譯圖件是二維電阻率斷面圖，該圖件用于解譯斷層位置及煤巖層的富水性情況。依據(jù)前述地球物理特征，對(duì)電性特征進(jìn)行研究，圈定了斷層發(fā)育（見(jiàn)圖1 205采區(qū)軌道巷瞬變電磁探測(cè)成果解譯圖）。其中：（1）迎頭前方44～65m位置為一低阻異常區(qū)，異常區(qū)總體形態(tài)呈低阻串珠狀，是典型的富水型斷層異常，異常區(qū)（帶）走向NNE～SSW，結(jié)合礦井地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育規(guī)律，解譯為正斷層，傾向NWW，傾角60°，落差10～15m。該斷層南與“張坡斷層”相交。（2）張坡斷層落差已減小至10～20m。級(jí)索煤礦12W105中運(yùn)、12W103下材、12W103中運(yùn)、12W101下材所揭露的落差5～8m的斷點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)是現(xiàn)張坡斷層的斷點(diǎn)。（3）據(jù)級(jí)索煤礦資料，12W105中運(yùn)、12W103下材、12W103中運(yùn)、12W101下材揭露“張坡斷層”時(shí)，有較大淋水。現(xiàn)級(jí)索煤礦12W105、12W103、12W101工作面采空區(qū)已大量積水，其積水可通過(guò)“張坡斷層”斷層破碎帶、12下煤層頂板砂巖裂隙等通道滲入補(bǔ)給本次所探明的斷層破碎帶，這是205采區(qū)軌道巷迎頭淋水的主要原因。

瞬變電磁法工作成果經(jīng)鉆探驗(yàn)證，其與鉆探結(jié)果吻合較好，為205軌道的安全掘進(jìn)提供了可靠詳實(shí)的地質(zhì)資料。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)探測(cè)實(shí)踐表明，瞬變電磁探測(cè)法具有高精度、高分辨率的瞬變電磁儀器在選擇合理的技術(shù)參數(shù)的情況下，在解決精細(xì)地質(zhì)問(wèn)題方面顯示了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠較好的解決井下復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)方面的地質(zhì)問(wèn)題，取得令人滿意的效果。另一方面對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)方面的探查，瞬變電磁法相較于其它方法是一種經(jīng)濟(jì)、快速，行之有效的物探方法，具有廣泛的應(yīng)用前景。