瞬變電磁技術在礦井小窯破壞區內尋找煤炭資源中的應用

曹東升 白玉峰 徐偉

(山西大同煤礦集團有限責任公司云岡礦,山西大同 037001)

瞬變電磁技術在礦井小窯破壞區內尋找煤炭資源中的應用

曹東升 白玉峰 徐偉

(山西大同煤礦集團有限責任公司云岡礦,山西大同 037001)

瞬變電磁法是目前應用較廣的礦井物探工作方法之一,該方法觀測純二次場,故分辨率高,可分辨出地下規模較小的不均勻體,尤其對低阻地質體反應靈敏。本文將瞬變電磁法用于云岡礦小窯破壞區的探測及范圍圈定,取得良好的效果,為煤礦在小窯破壞區內尋找可采資源,延續礦井壽命提供了技術基礎。

小窯破壞區 瞬變電磁 多測道剖面 視電阻率

1 引言

隨著煤礦開采深度的不斷加大，可采資源的不斷枯竭，開采條件更加復雜，現在一些煤礦不得不在小窯破壞區內尋找資源，在此之中礦井水害是煤礦生產中地質災害和制約煤礦安全生產的主要因素之一。近年來礦井突水、淹井等水害事故越來越頻繁，如何防治并消除水患對煤礦生產安全的威脅已經成為地質工作者的重要任務。目前用于進行巷道超前探測導水構造及采空破壞區的礦井電法主要有礦井直流電測探法、音頻電透視法和礦井瞬變電磁法，前兩種方法受井下已有巷道長度大小限制，當井下巷道長度有限或工作面未完全貫通時，這兩種方法將無法進行測量，而且施工工作量很大，浪費人力物力；而礦井瞬變電磁法測量不受井下巷道長度等因素的影響，并且施工方法簡單，速度快，效率高，以其本身固有的優點而突出，為井下超前探測提供了良好的方法[1-3]。

2 礦用瞬變電磁法

瞬變電磁法(Time domain electromagnetic methods)，簡稱TEM，是一類非接觸式的物探超前探測技術，是時間域電磁法的一種，它是利用不接地回線向地下或者井下采掘空間中的煤巖體發射一次脈沖電磁場，在一次脈沖電磁場間歇期間，利用不接地線圈觀測二次渦流場的方法[4-5]。在探測富水區的位置及其分布范圍等方面，瞬變電磁法是目前最有效的方法之一，其物理基礎是富水區相對于周圍地層有明顯的電性差異。正常情況下，各層位電性在橫向上是相對均一的。當存在局部低阻異常體（裂隙帶、富水區及小窯積水區等）時，在斷面上就會出現局部低電阻率異常區[6]。

3 施工技術

本次礦井瞬變電磁物探工作使用的儀器為中國地質大學（武漢）高科資源探測儀器研究所生產的TEMHZ75礦用本安型瞬變電磁儀和TEMJF50礦用隔爆兼本安型瞬變電磁儀組合實現，采用重疊回線組合裝置，邊長1.5m的激發和接收正方形線圈，激發線圈匝數16匝，接收線圈匝數40匝。供電電流為50A，供電脈寬10ms，采樣率4μS。每個測點至少采用30次疊加方式提高信噪比，確保了原始數據的可靠性。

圖1 工作面超前等視電阻率探測剖面圖

4 應用實例及分析

圖2 遇小窯巷道后修改設計平面圖

同煤集團云岡礦是開采近40年的老礦，隨著開采規模擴大，資源接近枯竭，為了緩解銜接緊張局面，加大資源回收利用，延續礦井服務年限，礦決定在小窯破壞區內尋找資源。其12#層410盤區據2011年中國礦業大學地表物探報告結果和小窯訪查資料表明周邊存在多個小窯采空破壞區，同層在開拓的過程中受老空水及小窯積水威脅十分嚴重，急須查明采空狀況和賦水情況，以便于提前預報、準確疏放，合理部署，確保安全生產。

由于井下施工現場環境特殊，空間等條件有限，所以利用礦用瞬變電磁儀對云岡礦井下12#層410盤區51017巷掘進至距510-1回27米時在工作面進行了全方位的超前探測，根據多匝小回線發射電磁場的方向性，可認為線框平面的法線方向即為瞬變電磁探測方向。因此，將發射、接收線框平面對準工作面方向進行探測，便可反映采空區內部的地質異常。根據這個原理結合本次的探測目的，決定布置一條測線11個測點。通過在巷道掘進頭移動發射接收線圈，形成一條掘進頭超前探測的實測剖面。

從這個多測道剖面圖上可以簡單的分析出電性大致分布趨勢，峰值越大表示該區域地下的導電性較好，視電阻率就越趨于小，相對顯示低阻異常[7]。這是在后續的數據處理及異常區判斷一個根據。

經過后期軟件的相關計算可以得出每個測點的視電阻率值，然后用成圖可以結合地質及水文地質情況直觀地判斷測區巖層的電性分布特點，形成一個工作面超前等視電阻率探測剖面圖（具體見圖1）。

圖中不同的顏色表示不同的視電阻值，電阻率由低到高按照從冷色調到暖色調升高的規律分布。因此填充了不同顏色的該斷面圖可以更直觀的判斷探測區域頂板電阻率的分布情況。一般情況下，在同一條件下巖石的電阻率不會發生大的變化。但如果巖石（煤）出現空區或者充水那么巖石的電阻率就會發生大的變化[7-8]。在圖1中可以發現，在30米開外視電阻率分布較低，賦水性反應比較大，結合地質資料分析，表明可能有小窯采空區積水的存在。

于是我們根據物探結論給出的具體位置，采用不同方位長短探相結合的措施，進行加密探鉆，結果有四個孔鉆進到36-39米見空，再向前鉆進3米后又見實體煤，且兩孔有水和瓦斯，涌水量2-33/h，初步確定是小窯巷道，后礦制定專項貫通措施，排水300m3，進行貫通后，經實測為小窯巷道（具體位置見圖2），巷道規格2.0*3米，西部還存在一條，該巷道一直延續1200多米，通往原408盤區東部，皮帶巷保留皮帶，充分證實了瞬變電磁法探測結果的準確性。

同時云岡礦也根據該小窯巷道的分布方式，對生產銜接進行了及時的更改，重新優化設計，南北布置工作面，緩解銜接緊張、產量吃緊的局面；通過該技術診斷指導，在小窯區可圈兩個工作面，解放煤炭儲量80萬噸，可創造價值4.5億元，經濟利益特別顯著。

5 結語

瞬變電磁儀數據采集勞動強度小，不受巷道長度限制，測量設備輕便，工作效率高，成本低，保證數據的質量、降低體積效應的影響、提高勘探分辨率。同時井下瞬變電磁法可以將線圈放置于巷道頂、底板測量，探測頂、底板一定深度內含水性異常體垂向和橫向發育規律，也可以將線圈直立于巷道內，當線框面平行巷道掘進前方，可進行超前探測；當線圈平行于巷道側面煤層，可探測工作面內和頂底板一定范圍內含水低阻異常體的發育規律；實際效果證明礦井瞬變電磁法為指導礦井安全生產、防止水害事故的發生提供了可靠的技術保障，在開采邊角煤和小窯破壞區圈工作面，延續礦井壽命奠定的基礎和開辟了先例，在煤礦防治水工作中具有廣闊的應用前景。

[1]王齊仁.地下地質災害地球物理探測研究進展[J].地球物理學進展,2004,19(3):497～5031.

[2]熊翥.我國物探技術的進步及展望[J].石油地球物理勘探,2004,39(2):237～2431.

[3]李金銘.電法勘探方法發展概況[J].物探與探,1996,4.

[4]蔣邦遠.瞬變電磁法勘探[M].地質出版社,1998.

[5]牛之璉.時間域電磁法原理[M].中南工業大學出版社,1992,12.

[6]方文藻.瞬變電磁測深法原理[M].西安:西北工業大學出版社,19931.

[7]李實,李創社,等.高性能瞬變電磁儀的研制及應用[J].物探與化探,2000,1.

[8]韓玉雪.瞬變電磁激發激化效應的利用[J].工程地球物理學報,2006(5)1.

曹東升,1970年2月生,山西應縣人,中共黨員,碩士研究生畢業,高級工程師,采礦工程專業,工作單位山西大同煤礦集團有限責任公司云岡礦。白玉峰,1974年8月生,山西壞仁人,本科在讀,工程師,采礦工程專業,工作單位山西大同煤礦集團有限責任公司云岡礦。徐偉,1988年1月生,黑龍江大慶人,本科畢業,助理工程師,勘查技術與工程專業,工作單位山西大同煤礦集團有限責任公司云岡礦。