礦井瞬變電磁法定向超前探測機理及方法研究

牛小軍

河北省煤田地質局物測地質隊,河北 邢臺 054000

目前煤礦突水事故大多數是由于直接與附近老窯采空積水區打通或直接揭露隱伏的導含水構造而引起瞬間大量突水所致，造成了較大的經濟損失，同時對煤礦工人的人身安全也帶來了較大的威脅。因而，在巷道迎頭掘進或采煤工作面開始回采之間查明其掘進或開采影響范圍內是否存在隱伏的導含水構造或老窯采空積水區，提前采取治理措施成為礦井防治水工作的關鍵所在。目前煤礦防治水領域的探測主要包括直接法和間接法兩類[1][2]，直接法常采用鉆探實現，該技術具有結果直觀、可靠等明顯優點。間接法常采用礦井地球物理方法實現，目前礦井地球物理探測方法主要有：礦井直流電法、瑞雷波法、礦井地質雷達和礦井瞬變電磁法等。

本文研究礦井瞬變電磁法的基本理論與相關技術，首先在理論上對礦井瞬變電磁場的全空間分布特征和水平層狀介質中低阻異常體的瞬變電磁響應特征進行了研究，在此基礎上設計了井下全空間條件下多方向超前探測技術，該技術可快速有效的探測出掘進巷道正前方及其采動影響范圍內是否存在賦含水構造異常或老窯采空積水區的空間方位。

1 礦井瞬變電磁超前探測的基本原理

在導磁率為μ、導電率為σ的巷道迎頭上安放一個矩形天線，其面積為S，在天線中供以階躍脈沖電流[3][4]

在t＜0時，也就是電流斷開之前，發射電流在回線空間中形成一個比較穩定的磁場；如果將電流斷開（既時），回線空間中的一次場會隨即消失。磁場的變化會在圍巖中產生二次場（如圖1所示），在此過程存在的電磁場就是礦井瞬變電磁場。

圖1 TEM探測方向示意圖

礦井瞬變電磁超前探測一般在煤礦的采掘巷道內進行，其瞬變電磁探測裝置接收回線中的感應電位是采掘巷道周圍一定范圍內所有介質的綜合電性反映。所以，所采集的視電阻率值為迎頭范圍內全部巖層介質的綜合電性反映，視電阻率按照以下公式[6-7]來計算：

式中：C為響應系數；S是接收線圈的面積；N指線圈的匝數；t是指二次場的衰減時間；V/I指的是接歸一化后二次場的電位值。在巷道的迎頭部位，通過線圈采集二次場隨時間變化的感應電動勢，就可以推測迎頭附近介質的電磁性質在空間和時間上的變化規律，從而確定構造異常或富水異常的產狀和發育的位置等。

圖2 平行層理激發三層模型示意圖

由于煤系地層成層分布，各巖層電阻率不同，礦井瞬變電磁法進行定向超前探測時，發射線圈平面垂直于層理面（地層界面），線圈法線方向（即探測方向）平行層理（圖2所示），激發方向為平行層理。設計平行層理激發三層模型如圖2所示，由上至下第一層頂板為高阻層，電阻率為500Ω·m；第二層電阻率100Ω·m，厚度80m；第三層底板為低阻層，電阻率10Ω·m。激發源距第一層與第二層分界面、第二層與第三層分界面均為40m。圖3為利用2.5D時間域有限差分模擬算法得到的激發源位于第二層中間平行層理激發時三層地電斷面各時刻瞬變電場等值線的分布圖。由圖可知，在整個擴散衰減過程中，最強感應電流密度中心始終位于激發源所在平面上，由于電性斷面的非對稱性，上下兩個感應電流密度中心向外擴散速度不一致，高阻層一側的電流密度中心擴散速度較快，很快擴散至高阻層中；而低阻層一側的電流密度中心擴散速度較慢，衰減過程中，逐漸擴散至整個空間中，并最終占據主導地位。

圖3 平行層理激發三層地電斷面瞬變電場擴散圖

通過對圖2模型中各參數不同時的模擬計算分析可知，均勻全空間瞬變電磁場的擴散規律與均勻半空間不同，對于磁偶源激發的均勻全空間瞬變電磁場而言，最大電流密度區始終位于發射線圈所在平面上，瞬變電磁場以球形方式勻速向空間各個方向擴散，因而激發源附近接收線圈接收到的信號中不僅包含發射線圈前后介質的電性信息，還包含發射線圈所在面方向上介質的信息。平行層理激發條件下，最初時期瞬變電磁場僅分布于激發源所在層，低阻層對瞬變電磁場的分布尚未產生影響，隨著時間的推移，瞬變電磁場開始擴散到低阻層，低阻層中感應的渦旋電流逐漸升高而后衰減，低阻層的衰減信息開始占據主導地位，源點處瞬變磁場響應曲線出現符號翻轉現象，這種表現跟激發源所在層厚度以及所在層與低阻層的電性差異有關，所在層厚度越小，電性差異越大，表現越明顯；早期瞬變電磁場的分布與低阻層厚度無關，當瞬變電磁場擴散至低阻層后，晚期階段源點處瞬變磁場時間變化率的響應強度隨低阻層厚度的增加而略微減小；源點處瞬變磁場的響應強度受地電斷面成層分布的影響隨激發源所在層厚度的增大而減小。瞬變電磁超前探測結果與激發源所在層的厚度、電阻率、源所在層外側電性層厚度、電阻率有關系，激發源所在層厚度與超前探測距離的比值越大，其探測效果越接近于傳統的垂直層理激發方式的探測效果，進而采用垂直層理激發方式下數據處理與解釋方法，結果與真實情況越貼切。

平行層理激發過程中，感應電流密度中心分布傾向于低阻層，當感應電流密度中心移動到低阻層內部時，瞬變電場開始擴散到低阻層外側電性層，并很快擴散至整個外層空間，與此同時，各電性層內瞬變電場分別沿層理方向上擴散衰減，電流密度中心拉伸逐漸變長，激發源前后介質逐漸影響瞬變電場的擴散，進而實現超前探測。

2 礦井瞬變電磁定向超前探測技術

由于井下空間的限制，礦井瞬變電磁法的發射和接收線圈都不能使用太大的，只能使用匝束較多回線邊長較小的發射和接收線圈（邊長為2～3m）。在巷道迎頭布置測點（圖4），即在巷道迎頭從左側開始，首先使發射和接收線圈的法線方向與巷道的左側面垂直進行探測，然后按一定角度旋轉線圈，使線圈的法線方向和巷道的左側面形成15°、30°、45°、60°，75°和90°的角度進行測量，當線圈法線的方向垂直迎頭面時，據迎頭面的實際寬度設置2～3個點，到迎頭右側時再使線圈旋轉，使線圈的法線和巷道右面形成90°，75°、60°、45°、30°和15°的夾角實施測量。采用上述主法實現多角度數據采集，以獲得盡可能完整的前方介質電性分布信息。

圖4 測點水平布置示意圖

在實際工作過程中對于圖4中的每個發射點，可調整天線的法線與巷道底板的夾角大小，以探測巷道頂板、順層和底板方向的圍巖變化情況，探測方法如圖5所示。這樣可得到位于巷道迎頭前方一個錐體范圍內地層介質的電性變化情況如圖6所示。

圖5 定向超前探測剖面方向示意圖

圖6 定向超前探測體積置示意圖

3 數據處理及顯示方式

瞬變電磁超前探的資料解釋方法和過程首先是對所采集數據中的噪音去除處理，依據公式（2）將瞬變電磁儀所測的電流值歸一化后轉換成不同時間值所對應的視電阻率的值，隨后再實施時間和深度轉換計算處理，得到的結果是每一條測線的視電阻率斷面圖。一般采用2種顯示成果的方法：矩形成圖方法是其中的一種，在圖5中的每一個測點都可以看作是等間距分布在一條直線上的點，在視電阻率等值線圖中測點標號作為橫坐標（或者是相對于00度測點的距離），把探測深度作為縱坐標；扇形成圖法是第2種顯示方法，在圖4中的每一個測點對應的視電阻率值展布在實際平面上，以扇形模式繪制視電阻率等值線圖，把在迎頭位置向正前方測量的距離（m）作為縱坐標、把圖5中兩側00測點的測量距離加上迎頭的寬度（m）作為橫坐標，其中迎頭的寬度可依據正前方測點的間距按照一定的比例放大。在定向超前探測結果中使用扇形方式顯示可提高超前探測資料的解釋精度，能更準確反映出異常體的空間特征。

4 應用實例分析

4.1 老窯采空積水區定向超前探測

山西長治王莊煤業有限責任公司附近小煤窯比較多，現在經過煤炭企業整合重組后小煤礦都已經停產關閉。由于缺少附近小煤礦的生產相關圖件，特別是防治水方面的相關地質資料，為整合煤礦的后繼生產帶來了潛在的水災安全隱患。為了查清老窯采空積水區的具體位置及其影響范圍，山西長治王莊煤業有限責任公司采用礦井瞬變電磁定向超前探測技術在巷道掘進過程中進行跟蹤超前探測。

圖7為巷道掘進迎頭按圖4中方法所示沿煤層方向采用礦井瞬變電磁法定向超前探測的視電阻率等值線圖。從圖中可知巷道迎頭前方55～90米范圍內存在相對低阻異常區，巷道迎頭左前方和右前方也存在低阻異常區。從已掌握的相關水文地質資料分析可知，該低阻異常區為老窯采空積水區的反應，其具體影響范圍見圖8中的陰影區域所示。

圖7 順層方向視電阻率等值線圖

圖8 超前探測成果示意圖

圖9 探測方向剖面示意圖

該異常區域經礦方鉆探驗證，當鉆探到巷道迎頭正前方約48米時鉆孔出水，水壓、水量較大，經過多也鉆孔和擴大孔徑的方法歷時一個多月時間放水量約12萬m3。隨后巷道繼續向前掘進，揭露老窯廢棄巷道位置如圖8中黑色條帶區域所示。

4.2 斷層定向超前探測

冀中能源股份有限公司某掘進巷道前方存在一落差約30m的斷層。為了給巷道的安全掘進提供相關技術資料，礦方要求采用礦井瞬變電磁法定向超前探測技術進一步確定F7斷層的具體影響范圍。在實際工作過程中對于圖4中的每個發射點，調整天線的法線與巷道底板的夾角大小：15°，0°，-15°和-30°四個方向依次探測（如圖9所示），以獲得巷道迎頭前方錐體范圍內地層介質的電性情況，并由此進一步研究相關構造及含水性情況。

圖10至13分別為在巷道掘進迎頭處15°，0°，-15°和-30°四個方向探測的視電阻率等值線圖。從圖11中對應的視電阻率等值線分析可知，在沿探測方向（順煤煤層）巷道迎頭正前方約80m處出現有相對明顯電性差異界面，根據已知地質資料可解釋為探巷前方F7斷層的邊界反應。從其對應視電阻率值相對大小分析，可知F7斷層賦含水性較弱或不含水。從圖11、圖12和圖13中可知，視電阻率等值線的變化相對較為均勻，無明顯的低阻異常擾動，說明在探測范圍內沒有明顯的賦含水地質構造異常。

根據本次探測結果，巷道繼續掘進過程中及時調整坡度方向，實現了斷層上下兩盤煤層的對接。圖14為實際探巷素描剖面示意圖，圖中顯示在探測迎頭前方約78m即為F17斷層邊界，與探測結果基本吻合。

圖10 迎頭15度方向視電阻率等值線圖

圖11 迎頭0度方向視電阻率等值線圖

圖12 迎頭-15度方向視電阻率等值線圖

圖13 迎頭-30度方向視電阻率等值線圖

5 結語

礦井瞬變電磁法定向超前探測技術可快速查明巷道前方及其采動影響范圍內不同方位的賦含水構造、老窯采空積水區。該方法也可精確查明采煤工作面頂、底板采動影響范圍內不同空間位置隱伏導含水通道或局部富含水區域的具體影響范圍，并對其富含水性進行定性評價，為煤礦的防治水工作提供相關技術資料，防止突水災害事故的發生。

圖14 實際探巷素描剖面示意圖

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