井下瞬變電磁探測技術在煤礦防治水的應用

問風明

（山西汾西礦業集團對外事務處，山西 介休 032000）

·試驗研究·

井下瞬變電磁探測技術在煤礦防治水的應用

問風明

（山西汾西礦業集團對外事務處，山西 介休 032000）

隨著社會對煤炭資源需求的增大，許多煤礦的開采深度不斷加大，這樣就會帶來一系列的問題，如出現地面走動、地下水害等。其中，煤礦水害對礦井安全生產構成了極大的威脅，一旦發生事故，就會演變成重大的災害。因此，要實現礦井的安全生產，就要做好煤礦防治水工作，減少安全事故的發生率。井下瞬變電磁探測技術就是用來防治煤礦水害的一種技術，這種技術的特點在于其體積效應小、方向性好、探測準確，可以有效探測礦井空間中各種富水異常體，為煤礦提供相應的地質技術保障。本文分析了井下瞬變電磁探測技術在煤礦防治水中的應用。

煤礦；異常體；探測；瞬變電磁探測技術

1 前 言

隨著煤礦開采深度和力度的加大，煤礦水害對煤礦安全生產構成了重大的威脅。煤礦水害產生的原因主要有4種，第一種是由于斷層與強含水層或巖溶水導通所導致的，第二種是由煤礦老窯及采空區的積水引起的，第三種是因陷落柱造成的導水而發生的煤礦水害，第四種是由于擾動的地質影響，使得礦井與煤層頂底板含水層導通導致的煤礦水害。特別是當頂底板含水層和每層有著相對較近的距離時，在回采工作面的過程中，非常容易產生巖溶陷落柱、裂隙以及斷層等構造，這便會導致富水區域導通，進而造成局部大面積突水或者大量出水的不良現象。所以，為了防止煤礦水害的威脅，有必要對礦井的含水構造進行探測。但是應用普通電法進行探測效果并不明顯，所以，必須采用瞬變電磁法進行探測。通過瞬變電磁方法可以較為準確地預報工作面頂底板富水異常區域，它探測的效率高，施工簡單，不受高阻層的屏蔽，在預測工作面頂底板富水異常區域中，有較好的效果，同時也減少了人力消耗和降低了安全成本。通過這種方法，可以及時制定水文防治方案，最大限度地減少由煤礦水害引起的礦井安全事故。

2 瞬變電磁探測技術

2．1 瞬變電磁探測技術的特點及概念

瞬變電磁法屬于頻率域探測的一種方法，借助于明確探測物質的頻率范圍，來進行探測和確定探測物質的存在。由于我國的探測技術起步比較晚，在很多方面還不成熟，比如靈敏度、數據轉化以及探測精度等諸多問題，均尚未得以有效解決。許多技術問題，比如在高阻圍巖地區產生假異常、勘探深度增加和信噪比增強等的出現，均與接發距離或者線圈的點位存在著直接聯系。測深工作與剖面測量也均需要線圈，所以，要進行線圈的研制和改進線圈的工作，將科學合理的線圈形式研制出來，進而將探測準確性及探測效率提高。正是因為瞬變電磁法所具備的特點，在很大程度上拓寬了其應用范圍，有助于水文及工程地質、構造探測和礦產勘探等一系列問題的解決。礦井由于其具有半空間的特點和具備全空間的環境，也屬于瞬變電磁法的勘測對象，在煤礦水防治當中，應用瞬變電磁法能夠迅速的將探測任務完成，并且可以提高較高準確度的探測結果。

2．2 瞬變電磁探測技術的基本原理

瞬變電磁法又被稱之為時間域電磁法，簡寫為TDEM或TEM。瞬變電磁法是利用接地線源或者不接地回線發送一次脈沖磁場向地下，在一次脈沖磁場的間隙過程中，借助于對各物理場值空間分布特征及變化規律的分析，進而將探測范圍中的水分分布情況及地質信息推斷出來，通過運用接地線源或者線圈對二次渦流場加以觀測。地面瞬變電磁法基本原理基本上與礦井瞬變電磁法一致，但其區別就在于礦井瞬變電磁法是在幾百米地下深度的煤層巷道或者巖層巷道中進行的，因為巷道受到了較小幾何尺寸的束縛，因而礦井瞬變電磁法無法像地面瞬變電磁法一樣對大回線探測裝置加以應用，僅僅能夠采取小于3 m邊長的多匝小回線進行探測。而地面瞬變電磁法往往是半空間瞬變相應，該響應大多數均是源于地表下的半空間地層；礦井瞬變電磁法則是全空間瞬變響應，該響應原則回線平面兩側或者上下地層，也就是雙“煙圈效應”。

正是因為礦井以下所接收的感應電動勢為綜合的巷道周邊空間探測中介質巖層電性特征的響應，礦井瞬變電阻通常是根據電阻率的大小來確定空間巖電性特征的響應，按照電阻率可知其計算公式為：

式中：

C—全空間響應系數；

B—地面裝置與井下工作裝置的比例系數；

n與N—未對應回線匝數；

s與S—分別為發射回線面積、接收回線面積；

t—二次場衰減時間；

V／I—歸一化二次場電位場。

3 瞬變電磁探測技術的應用實例分析

本文選取的實例為梧桐莊礦，該礦區位于河北省邯鄲市南部的峰峰礦區，東距磁縣15 km，北距峰峰12 km，毗鄰磁縣西部。整個井田地處鼓山東南部復背斜，是四周下降且中部抬起的一個地壘構造，呈現的是近似等腰三角形的南寬北狹的一個結構。在地壘構造的基礎上，有一定數量的次級褶皺發育，同時有著不等落差大小的斷裂，這便是主要的礦區內構造。石炭系上與二疊系下統相統合，礦區中可采每層從新到老包括大煤層、野青煤層、山青煤層、小青煤層、大青煤層以及下架煤層等，其中，厚度最大且埋藏最淺的是大煤煤層。

3．1 數據的采集

梧桐莊礦北翼就是北翼膠帶下山，目前已經有著600 m左右的掘進，前面的100 m左右有著相對較大的頂板淋水，左翼150～200 m之間為巷道前進的方向，經三維地震及時可知共有3個含水異常區。采用型號為TEM-47瞬變電磁儀進行設計，采用偶極的方式進行探測。發射框為2 m×2 m，接受框為1 m的直徑，接受框與發射框之間有著10 m的距離，10 m的測點距，在前進方向的北翼膠帶下山的左翼，向左翼下斜45°以及平探探測，以此對地震勘探解釋的正確與否加以驗證。130 m巷道前部的頂板淋水，某些地段有著嚴重的淋水，部分巷道積水，U鋼及其他金屬物在130～140 m部位堆積，前頭向外350～560 m處有電纜吊掛，不良環境加大了資料解釋工作量及難度。

3．2 數據處理

將數據采集完畢以后，運用TEMINT儀器軟件處理所得數據。經過對數據的濾波以及平滑處理，再加上反演處理和正演處理，進而得出深度-電阻率曲線圖，接著采用程序編制予以解釋，借助于程序解釋調用origin軟件與suffer軟件對解釋結果進行驗證對比。視電阻率曲線圖見圖1。

圖1 視電阻率曲線圖

3．3 分析探測結果

按照地層情況以及軟件解釋結果得出結論，見表1。

表1 左翼下斜45°探測異常區表

3．4 存在的問題

對探測精度有著較大影響的原因主要包括：1）管路、錨索、錨桿和鐵軌均是強干擾體，已經顯現于成果圖中。2）底板積水及頂板淋水等，都可能會造成信噪比的下降以及信號的減弱。3）該區域的地段有著較為復雜的地質條件。探測的重點變成怎樣反映真實情況以及減少影響，在探測的過程當中將排水量加大，能夠減少對地面積水的影響，采用濾波技術便可以得到理想的解釋結果。

4 結束語

由上述應用和實際結果可知，瞬變電磁技術可以應用于井下探測技術，以防治煤礦水害。通過使用這種方法，可以對巷道不同位置的異常體進行有效探測。但是，該方法在實際應用中仍然還存在很多問題亟待解決。因此，要不斷加強理論知識學習，總結經驗，使這一技術更好地服務于井下煤礦防治水工作。

［1］ 張平松，劉盛東，李培根．礦井瞬變電磁探測技術系統與應用［J］．地球物理學進展，2011（3）：18-20．

［2］ 閆 述，石顯新．井下全空間瞬變電磁法FDTD計算中薄層和細導線的模擬［J］．煤田地質與勘探，2004（1）：7-10．

［3］ 李培根．井下瞬變電磁探測空間金屬體干擾影響測試分析［J］．安徽理工大學學報（自然科學版），2012（3）：89-91．

［4］ 張 凱，侯世寧．井下瞬變電磁探測技術在永夏礦區防治水中的應用［J］．科技信息，2010（25）：25-27．

Application on Transient Electromagnetic Detection Technology in Preventing and Controlling Underground Water of Coal Mine

Wen Feng-ming

With the increase of social demand for coal resources，mining depth of many coal mines are increasing，it will bring a series of problems，such as，appear walking in the ground，underground water disasters，etc．，among them，the coal mine water disasters poses a great threat to the mine safety production，in the event of accident，will turn into a major disasters．Therefore，to realize the safety production of mine，will do a good job in prevention and control of coal mine water，reduce the occurrence of safety accidents．Underground transient electromagnetic detection technology is a technology used to prevent and control coal mine water hazards．The characteristics of this technology are its small size effect，good directivity，detection accuracy，can effectively detect the abnormal body of rich water in mine space，for coal mines provide the corresponding geological technical support．This paper analyzes the applications of transient electromagnetic detection technology in prevention and control underground water of coal mine．

Coal mine；Abnormal body；Detection；Transient electromagnetic detection technology

TD745

B

1672-0652（2013）10-0018-03

2013-07-16

問風明（1969—），男，山西臨縣人，1990年畢業于北京煤炭工業學校，工程師，主要從事地測及物探方面的研究工作（E-mail）hyzfmkj＠sina．com