礦井偶極瞬變電磁技術的應用效果與改進

李惠云 趙玉輝

（1.中國煤炭建設協會，北京市朝陽區，100013；2.國家煤礦安全監察局行業管理司，北京市東城區，100713）

礦井偶極瞬變電磁技術的應用效果與改進

李惠云1趙玉輝2

（1.中國煤炭建設協會，北京市朝陽區，100013；2.國家煤礦安全監察局行業管理司，北京市東城區，100713）

介紹了礦井偶極瞬變電磁技術在煤礦水害防治方面的應用效果，如探測巷道掘進頭前方富水區位置、圈定工作面回采時容易發生頂底板突水的區域、檢驗煤層底板注漿加固工程的質量等。分析了目前偶極瞬變電磁技術存在的問題及改進方向。

瞬變電磁 偶極 礦井水害 防治

礦井偶極瞬變電磁技術是當前煤礦防治水工作的一種先進技術，是貫徹落實執行 “物探先行”原則的重要手段，具有對富水區敏感、探測方向靈活、橫向分辨率高等優點，可用于煤礦水害防治的多個方面，如探測巷道掘進頭前方或側幫的富水區位置、圈定工作面回采時容易發生頂底板突水的區域、檢驗煤層底板注漿加固工程的質量等，現場實踐效果明顯，為煤礦安全生產技術工作發揮了重要作用，但是也存在基礎研究不足等問題，亟待研究與改進。

1 瞬變電磁技術的原理

礦井瞬變電磁技術一般是利用發射線圈向周圍空間發射一次脈沖磁場，當發射電流突然斷開 （脈沖結束）后，地下介質中就會激勵起渦流場 （二次場），此二次場的大小及衰減速度等特性僅與地下介質特性有關，通過探測、接收并分析二次場的特征就可以了解地下介質 （目標體）的電性、產狀等信息。常用的礦井瞬變電磁裝置 （方法）有重疊式、中心式和偶極式。

2 礦井偶極瞬變電磁技術的工作方式

2.1 偶極瞬變電磁裝置的分類

偶極瞬變電磁裝置一般分為兩種，頂、底板或側幫探測時采用平行偶極方式，掘進頭超前探測時采用同軸偶極方式，見圖1。

2.2 井下工作方法

偶極裝置施工時，發射線圈 （Tx）和接收線圈 （Rx）相距一定距離 （一般為10 m），Tx與Rx必須保持框面相互平行，中心軸線 （探測方向）對準目標體。

圖1 偶極瞬變電磁裝置方式

頂、底板或側幫探測時，可以對巷道周圍多個方向 （角度）進行探測，通過綜合分析得出探測區域的賦水性信息。

掘進頭超前探測時，依次使Tx和Rx的軸線同步對準巷道正前方或斜前方的多個方向進行數據采集，見圖2，分析判斷前方巖層的含水性。

圖2 掘進頭超前探測方向示意圖

3 偶極瞬變電磁技術的應用

3.1 超前探測巷道掘進頭前方富水區

圖3為某巷道掘進頭超前探測老空水實例。該巷道掘進過程中，地質調查得知前方存在多年前形成的小煤窯老空積水區，具體位置不清。本著有疑必探原則，在掘進頭處實施了瞬變電磁超前探測。探測結論為掘進頭前方73 m以遠區域顯示為低阻異常區，低阻區主要位于巷道左前方。

為保障巷道施工安全，結合周圍水文地質資料分析，此處水壓較小為0.2 MPa／cm2，可以在采取安全措施前提下鉆探驗證是否存在老空水。礦方朝巷道正前方打鉆到75.2 m處出水，水質化驗顯示為老空水，證實了物探結論的準確性。

圖3 超前探測老空水時巷道掘進頭瞬變電磁超前探測視電阻率斷面圖

3.2 側幫探測巷道周圍巖層賦水性

圖4為某回風巷側幫探測老空積水巷道實例。礦方人員調查得知回風巷上幫附近多年前關閉的小煤窯嚴重越界，有一條近百米下山進入該礦并在下端掘進了一段平巷。小煤窯位于同一煤層的高處，其巷道及采空區內積聚大量老空水，對工作面回采存在巨大水患威脅。為查清老空積水巷道的位置和范圍，在回風巷上幫利用偶極瞬變電磁法順著煤層傾斜方向 （+28°）進行了探測。結果表明探測范圍內存在明顯的低阻異常區 （圖4標尺為25～165 m段），其它地段為高阻區。物探最終結論是老空積水下山位于標尺142 m處附近、與回風巷斜距約33 m附近拐彎平走。礦方在物探結論指導下，在標尺40 m和142 m處往上幫低阻區內打鉆，持續疏放15600 m3老空水，驗證了物探結論的準確性。

圖4 側幫探測老空積水巷道瞬變電磁探測視電阻率斷面圖

3.3 圈定工作面回采時容易發生底板突水的區域

圖5為某工作面準備回采時上副巷瞬變電磁勘探 （45°斜下探）結果。可以看出，上副巷標尺120～200 m段存在與深部連通的低阻異常區，其中180～200 m段低阻區距離煤層較近，且越往里端低阻區越往上延伸發展，物探結論為此段附近極易發生底板突水，應提前采取防治水措施。

在物探結論提交后第二天晚上，標尺197 m處發生底板突水，水量380 m3／h。該礦為小煤窯，設計總排水能力為300 m3／h，實際因一臺水泵壞掉、排水能力只有150 m3／h，排水能力不足造成最終淹井。

圖5 圈定工作面回采時底板易突水地段瞬變電磁探測視電阻率斷面圖

3.4 在煤層底板含水層注漿改造工程中的應用

利用井下偶極瞬變電磁技術可以在煤層底板含水層注漿改造工程實施前劃分出底板巖層的相對貧富水區域，圈定改造重點地段，從而有的放矢布置鉆孔、減少鉆探和注漿工程量，并在注漿加固實施后檢驗改造工程的質量與效果，既確保工作面安全回采又節省了費用。

圖6為某工作面中間巷瞬變電磁勘探 （45°斜下探）結果。探測時該面已經完成底板注漿改造工程，物探目的是檢驗加固工程的效果。物探結論為30～70 m段低阻區距離煤層較近，110～130 m段低阻區與深部存在溝通，加固改造不徹底，這兩段低阻區附近在工作面回采時容易發生底板突水。2005年12月9日，回采到115 m處發生底板突水，突水量達2400 m3／h，造成淹面，綜采設備報廢。后經地面注漿堵水，一年后恢復生產。2007年9月20日，推進到68 m處附近再次發生底板突水，突水量達1680 m3／h，工作面再次被淹，損失上億元。

圖6 底板注漿改造工程瞬變電磁探測視電阻率斷面圖

4 礦井偶極瞬變電磁技術存在的問題與改進

礦井偶極瞬變電磁技術在實踐中取得了顯著的應用效果。與重疊或中心式瞬變電磁裝置相比，它具有探測盲區小、應用靈活的優點，但也存在一定的問題，需要改進。

4.1 偶極瞬變電磁技術理論和基礎研究嚴重缺乏

目前，礦井瞬變電磁技術的理論及應用研究絕大多數集中于重疊或中心裝置，偶極裝置研究較少。究其原因有兩個方面，一是國內各廠家生產的防爆瞬變電磁儀器大多采用重疊或中心裝置 （相對簡單），只有國外儀器采用偶極裝置，造成使用客戶量偏少、研究人員受限；二是偶極裝置本身應用方式靈活，影響探測效果的因素眾多，尤其是水文地質異常體與偶極裝置的相對位置 （縱、橫向）關系復雜多樣，這直接影響異常體的響應特征和探測結果的表現，關于這方面的研究需要從數值模擬、物理模擬、實測對比等多個方面進行總結，才能得出規律，這是一個復雜、工作量較大且耗費時間的工作，亟需認真研究，才能為實踐應用保駕護航。

4.2 金屬干擾的實用解決辦法

偶極瞬變電磁技術的橫向分辨率較高，但易受井下大塊金屬體干擾而影響探測準確性。要把金屬干擾的影響盡可能降低，還需要做大量基礎工作，如對各種金屬干擾的物探響應特征進行系統研究（有人對重疊或中心裝置的部分種類金屬干擾進行了研究，但偶極裝置的金屬干擾研究仍是空白），總結規律，探索出科學、簡便的干擾校正方法，才能更大地擴展井下瞬變電磁技術的適用性，提高解釋準確率。

4.3 資料解釋理論與方法的改進

當今礦井瞬變電磁 （包括偶極、重疊和中心各種裝置方式）理論仍不成熟，資料解釋軟件各家各自為政、互有利弊，應用效果不令人滿意，這需要全行業技術人員去除浮躁，專心思考，推進發展。

實踐證明了偶極瞬變電磁技術中的同軸偶極超前探測方式的有效性和實用性，但存在解釋出的低阻異常區范圍偏大等缺點，需要對此技術加以完善，提高解釋的準確率。

5 結語

礦井偶極瞬變電磁技術發展相對較晚，多方面亟需研究，因而也具有更多的切入點和突破可能性，隨著瞬變電磁全空間理論研究的深入，它必將在煤礦的水害防治方面發揮更重要的作用。

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Application effect and improvement of technology of coal mine dipole transient electromagnetic

Li Huiyun1，Zhao Yuhui2
（1.China National Coal Construction Association，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.Department of Industry Management，State Administration of Coal Mine Safety，Dongcheng，Beijing 100713，China）

The paper introduces the application effect of mine dipole transient electromagnetic technology in prevention and control of coal mine water hazards，such as detecting the rich water area before the roadway tunneling；delineating the areas where the roof and floor water-inrush occurs easily during the mining；inspecting the grouting reinforcement engineering quality in coal seam floor，etc.And it analyzes the exsisting problems and improvement direction of the dipole transient electromagnetic technology.

transient electromagnetic，dipole，coal mine water disaster，prevention and control

P631.2

A

李惠云 （1971-），女，碩士研究生，現從事煤炭建設生產工作。

（責任編輯 張毅玲）