瞬變電磁探測技術在潞寧孟家窯煤業的應用

韓玉春 唐潤秋 曹煜

摘要：本文在對瞬變電磁法探測原理的分析研究的基礎上，對瞬變電磁探測的工作方法進行了研究，通過采用同點裝置進行探測發現，該探測方法對低阻體反應靈敏，尤其是在礦井水文探測時，受全空間影響，信噪比提高，可對井下巷道頂底板及超前水體進行探測；在礦井水文地質探測中具有廣泛的推廣應用前景。

關鍵詞：瞬變電磁礦井水數據處理礦井巷道

1 瞬變電磁法概述

瞬變電磁法屬時間域電磁感應方法，其數學物理基礎是基于導電介質在階躍變化的激勵磁場激發下引起渦流場的問題。其測量的基本原理是:利用不接地回線或接地線源向地下發送一次脈沖電磁場，即在發射回線上供一個電流脈沖波形，脈沖后沿下降的瞬間，將產生向地下傳播的瞬變一次磁場。在該一次磁場的激勵下，地下導電體中將產生渦流。在一次場消失后，這種渦流不會立即消失，它將有一個過渡過程。隨之將產生一個衰變的感應電磁場(二次場)向地表傳播，在地表用線圈或接地電極所觀測到的二次場隨時間變化及剖面曲線特征，將反映地下導電體的電性分布情況，從而判斷地下不均勻體的賦存位置、形態和電性特征，如圖1、2所示。

瞬變電磁法與頻率域電磁法同屬研究二次渦流場的方法，并且兩者通過Fourier變換相互關聯。在某些條件下，一種方法的數據可以轉換為另一種方法的數據，但是就一次場對觀測結果的影響而言，兩種方法并不具備相同的效能。TEM法是在沒有一次場背景的條件下觀測研究純二次場的異常，大大地簡化了對地質體所產生異常場的研究，提高了該方法對目標層的探測能力。此外，TEM法一次供電可測量各電磁場分量隨時間的變化，相當于頻率域測深各頻點測量的結果，使工作效率大大的提高。

地面瞬變電磁和礦井瞬變電磁在野外在裝置形式上有較大的差別，以重疊裝置為例，地面瞬變電磁法野外一般采用單匝發射和單匝或多匝接收，并且發射和接收邊長較大，一般大于等于25m，邊長為100m的線圈裝置常應用于野外找金屬礦。而礦井瞬變電磁法受井下空間的限制，不能像地面那樣鋪成邊長較大的回線裝置，而是如圖3采用多匝發射多匝接收的邊長較小（小于3m）的重疊裝置。

重疊回線裝置具有下列優點:①重疊回線裝置對于任何形態導體的耦合均呈最佳狀況；②在圍巖導電或存在良導電覆蓋層的情況下，重疊回線裝置始終處于等效電流環的中心部位，其響應曲線形態簡單，便于分析；③重疊回線裝置具有較高的接收電平、穿透深度大、測量結果便于解釋分析。

2 礦井水文地質特征

孟家窯煤業5105工作面井下位于井田南部，西北部與東北部為采空區，南部為5109未采工作面。偽頂：細粒砂巖，平均厚度2.5米，緩波狀層理，含煤線，巖心破碎。

工作面為一向南東方向傾斜的單斜構造，最高點位于兩順槽開口處，煤層頂板標高1640米，最低點位于工作面最南面，煤層底板標高為1610米，相對高差30米，根據周圍巷道揭露，發現在工作面西北部（上部）有一條落差為0.7米的正斷層，不影響工作面布置，工作面內預計沒有其它地質構造，礦井地質條件簡單。

影響工作面安全生產的主要水文地質因素為位于工作面上方的采空區積水，由于年代久遠，采空區位置將有一定的誤差，故在工作面開口時，必須向各個方向探水，建立透明的地質平臺。在鉆進前必須配備止水裝置，以便鉆透采空區后能迅速控制涌水量，防止掘進工作面發生透水事故。

3 工作面探測布置

2010年10月2日利用5105回風順槽掘進巷道對巷道側幫開展瞬變電磁探測，對5105外側存在的老空區富水性情況進行探測，為該老空區探放水工作提供參考依據。

[2010-10-2日

巷道迎頭][10m][10m][10m][10m][10m][10m][10m][10m][10m][10m][10m][10m][1625.46][回6][1625.60][回7][0#][1#][2#][3#][4#][5#][6#][7#][8#][9#][10#][11#][12#][5105回風順槽][35.6m]

圖45105回風順槽側幫探測老空區示意圖

數據采集采用重疊回線工作裝置，儀器及裝置相關采集參數如下：

儀器參數設置： 裝置參數設置：

發射電壓：12V發射線框的邊長：2m

發射頻率：8.3Hz匝數：18

疊加次數：128電阻要求：<=10

抑制系數：3 接收回線邊長：2m

測道數：40匝數:36

記錄時窗：0.008ms-864ms

4 探測結果與探采對比

圖5為5105工作面回風順槽迎頭往后左幫120m段探測結果，由該圖可知：當日迎頭往后40m～90m處亦存在低阻反應，位于巷道右幫30m之外，表明該區域巖體中富水性相對較強，經鉆探結果驗證該區域為主要采空區域積水反應。

5 結論

通過對瞬變電磁法應用于礦井水文地質探測的實踐可以看出，與其它電探方法相比，它具有以下幾個優點：①由于斷電后觀測的是純二次場異常，可以進行近區觀測，因此自動消除了裝置耦合噪聲。可使用同點裝置工作，與欲測的地質體有最佳的藕合，具有較高的探測能力，且受旁側地質體的影響也很小，增強電性層分辨能力。②可通過選擇不同的時間窗口進行觀測，有效地壓制地質噪聲，可獲得不同勘探深度。可用加大發射功率的方法增強二次場，從而增加勘探深度。③通過多次脈沖激發，場的重復測量疊加和空間域多次覆蓋技術應用，提高信噪比和觀測精度。④裝置形式靈活多樣，可隨不同工程任務的要求和施工場地的條件來選擇合適的裝置。具有施工方便、測地工作簡單、工作效率高及地質效果好等優點。⑤由于采用不接地回線，不存在接地電阻問題，特別是對于直流電法無法施工的地區，利用它可進行測量，顯示了其獨特的優越性。

參考文獻：

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[3]張寶東.永貴新田煤礦地下暗河的瞬變電磁探測[J].能源技術與管理，2009(03).

作者簡介：韓玉春（1983-），男，山西朔州人，山西潞安集團潞寧孟家窯煤業有限公司，生產科，科長，文章研究方向：礦井水文地質探測。