深部巷道瞬變電磁觀測系統優化及其應用

劉亞軍 邱衛忠 谷 偉

（1.太原理工大學，山西省太原市，030024；2.同煤集團雁崖煤業公司，山西省大同市，037000；3.山西省煤炭地質115勘查院，山西省大同市，037000；4.福州華虹智能科技開發有限公司，福建省福州市，350004）

1 瞬變電磁觀測系統分析及優化

1.1 瞬變電磁的優點

瞬變電磁法非常適合在空間狹小、條件復雜的礦井環境下應用，是目前在礦井探水中應用最廣泛的物探方法，該方法主要有以下特點：

（1）測量設備輕便，工作效率高；

（2）采用小線圈測量，點距更密 （一般為2～10m），體積效應降低，橫向分辨率提高；

（3）測量裝置靠近目標體，異常體感應信號強，具有較高的探測靈敏度；

（4）小線框發射電磁波的方向性明顯，探測目標區域更具針對性等。

1.2 瞬變電磁法受的制約條件

（1）施工環境需要清理，探測中受到的干擾因素太多；

（2）縱向分辨率低，對低阻區域到探測位置的直線距離把握不準；

（3）低阻屏蔽，其主要影響為屏蔽了低阻區域后方的信息，不能判斷低阻區域的縱向范圍，限定了當次探測的有效深度只能達到最近低阻范圍的近邊界；

（4）近距離內存在盲區，近距離內有效信號受到一次場壓制。

1.3 提高瞬變電磁法探測精度的方法

（1）提高探測密度，提高探測的橫向分辨率。以工作面探測為例，在巷幫等間距探測觀測點，探測點的密度應控制在3～5m，太大會造成探測精度降低，無法控制異常區域的橫向間的聯系。

（2）在統一背景條件下進行探測。例如在工作面探測時一般在巷道中按照小于5 m 的間距等間距布置測點對工作面內進行探測。但是在巷道中存在大量的金屬干擾情況下受到金屬設備干擾其解析難度較大，此時應該選擇一段沒有金屬設備的位置，布置扇形觀測系統即可有效統一背景場，提高探測的準確性并降低解析難度。扇形觀測系統的布置方法為以巷道探測方向另一側巷幫上一點為圓心，從該點開始布置探測方向，在保證探測方向固定的前提下使重疊回線裝置盡量靠近所探測的一幫即可。

（3）不同方向對同一位置進行多次探測覆蓋。例如在某巷道中1036m 和981m 兩個位置分別按照前面第 （2）條所述的方法布置扇形觀測系統，對巷幫一側距離巷道約50～70m 的一處地質異常區進行探測。對在每個位置獲得的探測結果分別進行數據處理，獲得的探測成果如圖1所示。為了便于比較，圖1中在巷道1000m 的位置用粗實線表示。對兩次探測異常區疊加位置分析，以此消除低阻屏蔽的影響，有助于正確分析出低阻范圍的大小。此實例中通過從不同方向對同一地質異常進行多次探測達到了準確判斷該低阻區域邊界的目的。

圖1 不同方向對同一低阻區域進行探測效果對比圖 （單位：m）

（4）將縱向探測改變為橫向探測。充分利用瞬變電磁法橫向分辨率高，縱向分辨率低的特點。面內構造走向與巷道在夾角比較大時，從巷道中等間距布置測線探測導水構造的寬度具有優勢。而在面內構造走向與巷道在夾角比較大時，從巷道中布置測線對跟蹤導水構造更有利。

2 工程實例

山西大同永財坡煤礦回風巷掘進工作面向前鉆探5m 時鉆孔出水，涌水量30～40m3／h，涌水持續十數天，為了查明涌水來源和導水通道，特進行了一次瞬變電磁法探測。根據本次探測任務的要求和巷道條件的實際情況，采用2m×2m 的多匝數矩形回線重疊裝置進行測量。根據勘探任務，將線框直立于巷道及底板，并靠近探測異常所在方向側幫。發射線框和接收線框分別為匝數不等、且完全分離的兩個獨立線框，以便于與地下 （前方）異常體產生最佳偶合響應。

探測的巷道寬5m，高2.8m，地面積水，多個位置放置了水泵、變壓器等金屬設備，掘進工作面上有兩個鉆孔涌水，涌水量為30～40m3／h。在此次施工設計中，特別注意要采取幾項措施。

（1）排除地面積水和電磁干擾的影響，方法為間歇排水。

（2）排水和探測交替進行，探測時將水泵的電源關閉，避免地面積水低阻干擾和用電器電磁干擾。

（3）避開巷道內用電金屬設備的影響。由于排水需要，不方便把水泵和開關等設備移到較遠的位置。解決方法為在探測中充分利用這些設備之間的空間，選擇回線重疊裝置法線可以避開這些設備的角度進行探測。

（4）增大探測精度，方法為充分利用橫向探測精度高于縱向探測精度的特點，在探測結果未知時，保證對每個方向進行較高密度的橫向探測和一定量的縱向探測，保證探測精度。對每一個方位實現不同方向的多次覆蓋，最大程度消除低阻屏蔽效應的影響，真實反映低阻范圍的大小。方法為選擇不同探測點，在每一個探測點形成較大范圍的探測扇面，使每一個區域均有多次探測扇面覆蓋。

最終設計的觀測系統包括7個觀測剖面，其中剖面1～3 為橫剖面，剖面4～7 為縱剖面，分別為：

（1）剖面1探測點位于距掘進工作面4m 的位置，向右幫水平探測形成探測扇面；

（2）剖面2探測點位于掘進工作面位置，向掘進前方水平探測形成探測扇面；

（3）剖面3探測點位于距掘進工作面4m 的位置，向左幫水平探測形成探測扇面；

（4）剖面4探測點位于距掘進工作面10m 的位置，向右幫垂直面探測形成探測扇面；

（5）剖面5探測點位于掘進工作面位置，向右前方垂直面探測形成探測扇面；

（6）剖面6探測點位于掘進工作面位置，向左前方垂直面探測形成探測扇面；

（7）剖面7探測點位于距掘進工作面10m 的位置，向左幫垂直面探測形成探測扇面。

按照以上觀測系統進行施工并對每個剖面的數據單獨處理，獲得探測成果如圖2所示。在圖2的所有視電阻率剖面圖中，用平面圖表示相應的探測曲面；各視電阻率剖面中各個位置到探測點的直線距離均為實際距離，每個剖面圖中坐標軸的單位為m，坐標 （0，0）位置為掘進工作面所在位置，單位為m；剖面圖中視電阻率等值線顯示了剖面內巖層阻值的分布規律，單位為Ω·m。一般地，同一巖層中視電阻率越低，表示對應位置的富水性越強，圖中用深色表示視電阻率相對較低的位置。

圖2 各探測剖面視電阻率成果圖 （單位：m）

以上剖面1～3為同層視電阻率分布圖，剖面4～7為對應方向頂板到底板之間的視電阻率縱剖面圖。剖面4及剖面7顯示頂板巖層高阻，含水性較弱，而順層偏低板方向阻值較低，說明主要含水層位位于目前掘進層位的下方，為目前巷道內涌水的主要水源或導水通道，導水通道為斷層破碎帶。

由于瞬變電磁法探測會將大范圍低阻范圍之后的區域顯示為低阻，而剖面2顯示迎頭正前方通過導水通道后的區域阻值仍然較高，說明前方導水通道寬度不大，綜合考慮剖面1、剖面2、剖面3探測結果顯示的低阻區域空間關系，預計導水通道的寬度在3～8m 之間。

掘進前方5m 出現導水通道，結合剖面1、剖面2、剖面3探測結果，可以判斷目前掘進頭前方的導水通道為陷落柱的可能性較小，而應該是面狀構造如斷層、破碎帶的可能性較大，且其走向大角度與巷道方向相交，交角介于70～80°之間。

剖面4及剖面7顯示頂板巖層高阻，含水性較弱。而剖面5和剖面6顯示掘進工作面兩側側前方頂板方向均出現比較強的低阻范圍。說明導水通道向前方頂板方向延伸。剖面4及剖面7顯示底板方向顯示為低阻，說明導水通道在底板方向是向后延伸。導水通道的傾向巷道這一方，根據探測的低阻區域空間位置，計算得其傾角介于60～70°之間。

通過此次探測，可以判斷此導水構造為一寬度不超過8m 的斷層裂隙帶，其走向與巷道交角介于70～80°之間，傾角介于60～70°之間。通過物探手段基本上控制了該導水構造的形態，后經礦方鉆探資料驗證，與實際情況相符。

3 結論

此次瞬變電磁法探測導水構造過程中，沒有采用慣常的頂板順層底板三斷面法，而是根據現場條件和實際地質情況設計了特殊的施工方案，取得了非常好的物探效果，說明在現場施工中通過充分利用已知地質資料、合理安排施工設計、增大采樣密度可以大幅提高瞬變電磁法的探測效果。

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