瞬變電磁法巷道超前探測①

常杰

(山西晉城煤業集團寺河礦，山西晉城 048205)

瞬變電磁法巷道超前探測①

常杰②

(山西晉城煤業集團寺河礦，山西晉城 048205)

本文介紹了瞬變電磁法井下巷道超前探測的原理、技術、方法及應用。巷道超前探測、超前預報對于煤礦的安全掘進有著非常重要的作用。瞬變電磁法作為一種快速、高效、方便的探測方法，可以很好的滿足礦井巷道超前預測、預報的要求。在實際工程勘探中，該方法可以準確反映出巷道前方地質體的空間特征，為礦井防治水害提供了依據。

礦井瞬變電磁法;巷道超前探測;構造賦水性

0 引言

隨著煤炭開采由淺部向深部發展，構造探測也出現了一些新情況、新問題。由于深度增加，地表勘探的精度降低，發展井下近距離探測成為目前研究開發的主要課題。巷道掘進前方斷層及其破碎帶、裂隙發育區、巖溶、陷落柱等構造的賦水性的快速準確預測、預報對巷道安全高效掘進和預防水害事故的發生有著非常重要的作用［1］。近年來發展出來的礦井瞬變電磁技術憑借其體積效應小、探測方向性強、分辨率高、對含水低阻體敏感、施工效率高等特點，通過設計適合礦井巷道條件的裝置形式，可以有效的解決工作面煤層頂底板、回采煤層及巷道前方構造賦水性狀態。特別是在礦井巷道超前探測方面，瞬變電磁法有著無可比擬的優勢［2］。

1 瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Methods，簡稱TEM)是一種建立在電磁感應原理基礎上的時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)向地下發送一次脈沖磁場(一次場)，在其激發下，地下地質體中激勵起的感應渦流將產生隨時間變化的感應電磁場(二次場)［3］。該二次場的大小及衰減速度與地下地質體的導電性有關，如果巖石裂隙發育豐富，含水量較大，導電性好，則二次場衰減慢;反之，二次場衰減較快。根據二次場衰減曲線的特征就可以判斷地下地質體的電性、規模、產狀等。

應該指出，由于電磁場在空氣中傳播的速度比導電介質中傳播的速度大得多，當一次電流斷開時，一次場的劇烈變化首先傳播到發射回線周圍地表各點，因此，最初激發的感應電流局限于地表。地表各處感應電流的分布也是不均勻的，在緊靠發射回線一次磁場最強的地表處感應電電流最強。隨著時間的推移，地下的感應電流便逐漸向下、向外擴散，其強度逐漸減弱，分布趨于均勻。美國地球物理學家M.N.Nabighan對發射電流關斷后不同時刻地下感應電流場的分布進行了研究，研究結果表明，感應電流呈環帶分布，渦流場極大值最先位于緊靠發射回線的地表下，隨著時間的推移，該極大值沿著與地表呈30°傾角的錐形斜面(如圖1)向下、向外移動，強度逐漸減弱。

圖1 地下感應電流環帶分布圖

2 工作方法與探測技術

2.1 工作方法

礦井瞬變電磁探測方法依據所探測的目標及探測場地的不同有兩種方式：偶極方式和中心方式，如圖2所示。若在井下巷道中對煤層頂底板進行探測時，由于巷道相對瞬變電磁探測要求的最小距離(5 m)要大的多，一般采用移動式的偶極探測方式。通過在巷道內移動瞬變電磁系統和改變發射及接收線圈的方向，可以對煤層頂底板不同方向進行探測，得到一個扇形空間的探測信息。

巷道掘進頭一般只有幾平方米大小，既無法采用共面偶極方式，也無法采用中心方式。因此，我們采用了一種不共面同軸偶極方式。如圖3所示，發射線圈(Tx)和接收線圈(Rx)分別位于前后平行的兩個平面內，二者相距一定距離并處于同一軸線上。觀測時接收線圈貼近掌子面，軸線指向探測方向。對于巷道掘進頭來說，探測方向分別對準巷道正前方、正前偏左、偏右等不同方向，這樣可獲得前方一個扇形空間的信息。

圖2 瞬變電磁系統偶極及中心工作方式

圖3 巷道掘進頭TEM超前探測裝置方式

2.2 探測技術

采用迎頭超前探測的方案，在局部對巷道側邦及頂底板進行探測時，則采用偶極裝置的方案進行構造及富水性探測研究。掘進巷道前方構造及富水性探測研究超前探測方案，主要采用多方向水平探測，使探測范圍形成一個以迎頭為中心點的扇形區域。探測方向如下圖4所示。為了了解頂底板情況，也可采用垂直方向的探測方案，如下圖5所示。

圖4 水平方向探測方式布置示意圖

圖5 垂直方向探測方式布置示意圖

3 地球物理響應特征

從電性上分析不同地層的電性分布規律為：煤層電阻率值相對較高，砂巖次之，粘土巖類最低。由于煤系地層的沉積序列比較清晰，在原生地層狀態下，其導電性特征在縱向上固定變化規律，而在橫向上相對比較均一。當存在構造破碎帶時，如果構造不含水，則其導電性較差，局部電阻率值增高;如果構造含水，由于其導電性好，相當于存在局部低電阻率值地質體。綜上所述，當斷層、裂隙和陷落柱等地質構造發育時，無論其含水與否，都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規律。這種變化規律的存在，為以巖石導電性差異為物理基礎的礦井瞬變電磁法探測提供了良好的地質條件［4］。

4 應用實例

以寺河煤礦西一盤區回風一巷構造超前探測為例，本次礦井瞬變電磁探測，共分五輪進行探測，前四輪為在迎頭進行超前探測研究，第五輪在西軌大巷探測。每輪探測范圍如圖6所示。

1)第一輪探測：迎頭位于設計起始點處。瞬變電磁探測成果如下圖7、8所示。由上圖可見在迎頭前方約15～20m處出現高阻的條帶，可能為不富水斷層破碎帶的反映。

圖6 礦井瞬變電磁探測范圍分布圖

圖8 瞬變電磁探測成果圖

圖9 瞬變電磁水平方向探測成果圖

圖10 瞬變電磁探測成果圖

2)第三輪探測：迎頭位于6橫川前7 m左右，即距此巷道探測任務起點170 m處。由圖9、10可見，在30～40 m處出現一高阻異常區域，前方巖體相對較破碎，也有可能為斷層破碎帶。

3)瞬變電磁探測成果

總結以上各輪探測成果，共計探測出兩處構造異常區。如下圖11所示，一處為距3號橫川約17m處，可能為一斷層構造。另一處距3號橫川約200m處，巖體可能破碎或存在斷裂帶。

圖11 西一盤區回風一巷瞬變電磁探測成果圖

4)瞬變電磁探測工程驗證

在實際掘進前，對本次探測成果所圈定的異常區，進行了進一步的鉆探考證，逐一對各異常區進行排查，以防止瓦斯突出及礦井水害的發生。根據現場鉆探及掘進揭露情況分析，超前探測圈定的兩個異常區位置巖體較破碎，出現斷層構造。實際鉆探及掘進揭露情況與瞬變電磁探測結果基本一致。

5 結論

礦井瞬變電磁法在井下巷道超前探測方面具有施工方便、對施工空間要求不高、成本低、技術比較成熟、效率高的優點，特別是可以在狹小的巷道迎頭空間中工作和數據采集效率高，不影響煤礦巷道的正常掘進。

該方法可有效地預測巷道掘進迎頭前方的含水異常，可提前預報前方斷層及破碎帶、裂隙發育區、巖溶、陷落柱等構造的賦水性，保障了巷道的安全、快速掘進。同時瞬變電磁法裝置簡便、成本低、效率高，能夠短時間內給出結果，為巷道的快速掘進節約了大量的時間，提高了煤礦的工作效率，因此在礦井超前探測方面值得推廣。

［1］郭純，劉白宙，白登海.地下全空間瞬變電磁技術在煤礦巷道掘進頭的連續跟蹤超前探測［J］.地震地質，2006，9(3)：456－462

［2］姜志海，岳建華，劉志新.礦井瞬變電磁法在老窯水超前探測中的應用［J］.工程地球物理學報，2007，4(4)：291－293

［3］牛之璉.時間域電磁法原理［M］.長沙：中南大學出版社，2007

［4］李運啟，李小明，李永軍，王洪德.頂板砂巖富水性的礦井瞬變電磁法探測［J］.地震地質2009，(4)：39－42

Application of Transient Electromagnetic Method in Advanced Detection

CHANG Jie

(Sihe ore of Shanxi Jincheng Coal Industry Group，Jingcheng Shanxi048205)

The principle，technology，method and application of transient electromagnetic method in mine roadway leading pros pecting are introduced in this paper.It is very important for safely tunneling of roadway to apply advanced forecasting technology. TEM has the advantage of expedition，great efficiency，convenience，which is an effective way for the reuest of mine roadway leading prospecting.In a prospecting living example，the spatial feature of anomaly body can be reflected exactly using the TEM in advanced detection，thus it provides a foundation for mine water control.

mine transient electromagnetic method;roadway leading prospecting;water bearing structure

P631.3+25

A

1672－7169(2011)03－0004－04

2011－05－12

常杰(1973－)，男，山西晉城人，大學畢業，晉煤集團寺河礦副總工程師，長期從事礦井地測、生產技術及管理工作。