礦井瞬變電磁法在青崗坪煤礦探水中的應用

戴如金

摘 要：鉆孔突水事故影響井下生產安全，瞬變電磁法可對含水異常區(qū)進行有效預測。在青崗坪煤礦42105掘進巷道工作面迎頭235 m處，使用礦井瞬變電磁法探測測區(qū)內各方向的導電及含水情況并圈定含水異常區(qū)，可以為后續(xù)的巷道掘進及安全生產工作提供有效指導。

關鍵詞：煤礦;瞬變電磁法;超前探測

中圖分類號：P631.325文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）29-0078-03

Abstract： The borehole water inrush accident affects downhole production safety， and the transient electromagnetic method can effectively predict the water-bearing abnormal area. In Qinggangping Coal Mine 42105 tunneling face at 235 m head-on， the mine transient electromagnetic method is used to detect the conduction and water content in all directions in the survey area and delineate the abnormal water content area， which can provide effective guidance for subsequent roadway excavation and safe production.

Keywords： coal mine;transient electromagnetic method;advanced detection

在煤礦開采過程中，承壓水等水體沿裂隙及鉆孔涌入工作區(qū)，嚴重影響礦井安全生產。煤層頂底板砂巖構造裂隙發(fā)育，其導電性受含水量的影響比較顯著，電法勘探常用于解決水文地質和工程地質中的相關問題，它是以地殼中巖礦石間的電性差異為基礎，通過觀測和研究電磁場的空間與時間分布規(guī)律進行勘探的方法，能有效探測含水異常區(qū)[1]。其中，礦井瞬變電磁法使用的測量裝置體積小、易攜帶、精度可靠，常用于完成井下富水區(qū)域的探測工作[2]。因此，為避免生產作業(yè)受到地下水體的影響，采用礦井瞬變電磁法對井下含水陷落柱、富水異常區(qū)、迎頭前方突水構造等含水地質體進行探測，這樣不僅能合理地設計巷道走向，還能在保證生產安全的同時提高社會經濟效益，其在水文地質勘探中具有實際應用價值[3]。

1 礦井瞬變電磁法原理及特點

瞬變電磁法是利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，該脈沖電磁場通過產生地下渦流可引起二次電磁場，然后用接收裝置觀測二次電磁場空間和時間分布的時間域電磁法[4-5]。根據工作環(huán)境不同，其使用的測量裝置也有所差異。礦井瞬變電磁法是瞬變電磁法在井下環(huán)境中的特殊運用，其基本原理在于線圈產生的電磁場可等效為一個水平環(huán)狀線電流的磁場[6]，而且煤層通常對電磁波不具屏蔽性，故礦井瞬變電磁可擴散至全空間，所測信號為線框周圍全空間巖石電性的綜合反映，再通過結合地質資料可判斷地質異常體的空間位置。

礦井瞬變電磁勘探在井下巷道進行，因此在測量裝置、資料處理和解釋方法方面主要有以下特點[7-8]：裝置多采用邊長小于3 m的多匝小線框，體積小且輕便，工作效率高;采用更密的勘測點距（一般為2～20 m），可提高異常體的感應信號強度;小線框發(fā)射的電磁波具有方向性，可對頂、底板及迎頭方向的含水異常體進行超前探測;受井下金屬儀器設備的影響較大，須在后期的數據處理中進行校正;受關斷時間的影響，礦井瞬變電磁法一般無法探測到更淺部的異常體，往往在淺部形成30 m左右的盲區(qū)。綜合以上特點，在采用礦井瞬變電磁法進行探水時必須結合實際情況選擇合適的探測裝置，以達到最佳效果。

2 青崗坪煤礦4-2煤探測分析

2.1 測點布置及施工方法

礦井瞬變電磁法在井下巷道中采用多匝數小回線裝置測量，參數選擇是否合理直接影響測量結果，一般可通過增加回線匝數、加大發(fā)射電流來增大發(fā)射磁矩，從而提高發(fā)射功率，增加有效探測深度[9]。

陜西青崗坪煤礦采用礦井瞬變電磁法進行含水異常區(qū)的探測，其間使用重疊回線裝置，發(fā)射線框和接收線框統(tǒng)一采用2 m×2 m矩形多匝回線，采樣時窗定為1～34，疊加次數為64次，選用標準時間序列。探測測點布置于陜西青崗坪煤礦42105掘進巷道工作面迎頭235 m處，由于該迎頭處左、右兩側均為老空巷分布，故探測方向由左側30°開始到右側30°結束，具體測點布置與探測方向如圖1、圖2所示。

如圖1所示，42105工作面掘進巷道235 m迎頭共布置14個測點，每個測點根據圖2所示的三個方向進行探測：D1、D3與巷道的傾角均為20°;D2平行于巷道傾向;三個方向共完成觀測物理點42個，對迎頭頂板、前方、底板的巖層電性變化情況進行充分勘測。

2.2 資料解釋

瞬變電磁法的資料解釋步驟是首先對采集的數據進行去噪處理，根據晚期場或全期場公式計算視電阻率曲線;然后進行時深轉換處理，得到各測線視電阻率斷面圖;最后根據探測區(qū)的地球物理特征、TEM響應的時間及空間分布特征，結合礦井地質資料進行綜合解釋，劃分地層富水區(qū)分布范圍。此外，井下的許多金屬設施如工字鋼支護、錨桿支護等在礦井瞬變電磁法探測中能產生很強的瞬變電磁響應，因此，系統(tǒng)研究井下瞬變電磁超前探測中各種噪聲的瞬變電磁響應特征，對礦井瞬變電磁法數據采集、資料處理和解釋工作具有實際意義[10]。

42105工作面掘進巷道235 m迎頭各方向視電阻率等值線斷面圖如圖3所示。該圖以巷道迎頭中心點為坐標原點，沿探測方向的探測深度在垂直巷道走向上的分量為橫坐標（單位：m），在平行巷道走向上的分量為縱坐標（單位：m）。

通過對各個探測方向視電阻率等值線斷面圖的分析，可圈定5個相對低阻異常區(qū)，通過異常區(qū)所在掃描線的區(qū)間及與迎頭間的距離可初步確定其位置。5個低阻異常區(qū)所在方位如表1所示。各異常區(qū)的視電阻率值相對圍巖視電阻率變化較小，在分布范圍上，異常區(qū)三及異常區(qū)五分布范圍較大，其余分布范圍較小。

綜合本次物探成果分析來看，幾處低阻異常區(qū)視電阻率相對周圍圍巖視電阻率的差值為10～20 Ω·m，兩者視電阻率變化均較小，推測其為強富水區(qū)的可能性較低。實際探測時，迎頭處鐵器等干擾物已清理干凈，故推測異?？赡転椴煽障锏澜饘俑蓴_或采空巷道少量積水引起，在掘進過程中，礦方要予以注意。

3 結論

水體異常區(qū)探測在礦井掘進的過程中至關重要，通過合理的探測手段勘查水體異常區(qū)可在保障安全生產的同時提高生產效益。在井下探水工作中，礦井瞬變電磁法應用效果良好。本文分析了陜西青崗坪42105工作面掘進巷道235 m迎頭采用礦井瞬變電磁法的探水結果，其在迎頭頂板、底板及迎頭方向共劃分了5個含水異常區(qū)，造成異常的原因可能是巷道金屬干擾或采空巷道少量積水。因此，在后續(xù)開采的過程中，要采取有效措施防止事故的發(fā)生。

電法勘探屬體積勘探，具有體積效應，探測設備的參數選擇應注意因地制宜，才能達到效果最大化，此外，在資料采集的過程中使用礦井瞬變電磁法時應盡量避免金屬設備的干擾。由于影響地質推測成果的因素較多，存在不確定性，因此礦方要根據掘進及鉆探情況進行實時分析并做出調整，保證該成果能有效地指導生產。

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