瞬變電磁法在煤礦超前探測中的應用

劉廣亮

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077）

瞬變電磁法在煤礦超前探測中的應用

劉廣亮*

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077）

介紹了瞬變電磁法工作原理、施工方法、應用實例。瞬變電磁法是一種煤礦常規的物探方法，工作效率較高。它對煤礦頂底板含水層、老空區等低電阻目標物敏感，所以主要用于探測煤層富水情況。通過實際應用看出，瞬變電磁法在煤礦探水中具有很好的應用前景。

瞬變電磁；原理；工作面；應用

1 概述

在煤礦工作面開采中，常會遇到底板承壓水、老空水、頂板含水層等含水異常體的影響，嚴重時甚至造成重大的安全事故。煤礦水文地質條件多樣復雜，傳統地質學方法很難準確判斷，要想提高準確率，結合地球物理勘探是當務之急。礦井瞬變電磁法是井下探水常用物探方法[1-3]，其特點是方便快捷、效率高、探測方向性好。礦井瞬變電磁法對含水體表現為低電阻區，接收線圈接收到的是激發渦流感應出的二次場，不論含水異常區如何分布，都能得到有用信息，利用專門軟件可得到視電阻率剖面圖[4-6]。本次實例是利用中心回線發探測，接收裝置為磁探頭，具有抗干擾能力強、方向性好的特點[8]。

2 礦井瞬變電磁法原理

礦井瞬變電磁法的發射源形式分2種，一種是磁源發射，另一種是電流源發射。在均勻各向同性大地表面設面積為s的矩形發射回線（導電率為σ、導磁率為μ），供階躍脈沖電流：

如圖1所示為電流斷開時，電流在發射線圈周圍同地下空間中建立起的穩定磁場。

在t=0時刻，在電流突然斷開時刻，由回線框產生的磁場消失。一次磁場的突然變化傳到大地中，因而在大地中激發出感應電流，使大地中的磁場不會立即消失。由于介質的熱損耗，感應電流發生迅速衰減，由它產生的磁場也迅速衰減，這種迅速衰減的磁場又在其周圍的介質中感應出新的強度更弱的渦流[7]。這一過程持續下去，直至大地的熱損耗將磁場能量消耗完。這就是大地中的瞬變場變化過程。

圖1 矩形回線框磁力線

礦井瞬變電磁法基本原理等同于地面瞬變電磁法。但是礦井瞬變電磁探測施工是在煤礦巷道內進行的，瞬變電磁場為全空間分布，礦井瞬變電磁探測必須考慮全空間效應。煤層在不含水的情況下為高阻介質，電磁波通過消耗較少，因此煤層對瞬變的屏蔽性沒有像對直流電場那樣明顯，故接收線圈接收到的信號綜合反映了周圍全空間巖石電性參數，如圖2所示。

3 儀器及方法

本次探測使用YCS2000礦用瞬變電磁儀，該儀器是為煤礦井下探測含水和導水地質構造而制造的電磁法勘探儀器。該儀器采用當前最新的電子技術，極大地提高了儀器的抗干擾能力和測量精度。儀器具有以下特點：發射電流大，能保證良好的勘探效果及遠距離探測；采用目前唯一的井下防爆磁探頭接收，具有受旁側局部金屬體影響小，分辨率高的特點；探頭等效面積較大，為450m2；儀器體積小，攜帶及施工方便的特點；探測盲區小于10m，疊加次數最大可達到10000次，連續工作時間長，不小于8h。

圖2 全空間瞬變電磁場的傳播

4 應用實例

4.1 地質概況

淮北某礦礦區表層為第四系沖積覆蓋層，覆蓋厚度為45.02～83.76m不等，形成一個北部偏高，南中部偏低的山間盆地平原。海拔高度一般在+30～+32m之間。因地下煤層開采，在礦井東南、西部方向形成總面積約10km2的塌陷區，塌陷深度一般1～5m，最深處可達6m，現部分已回填，部分為積水區。為保證煤礦安全掘進和開采，尤其是在巷道掘進過程中預防前方水患災害，開展一定的物探工作是十分必要的。

4.2 資料處理

巷道內布設的錨網、給排水管等在本次井下電法探測施工環境中近似均勻存在，其對電磁場的影響相對均一，對資料的處理可看作背景場。處理得到的視電阻率等值線斷面圖如圖3所示。圖中橫坐標表示沿巷道方向距離，縱坐標表示向側幫內探測深度距離。

圖3 連續順層探測電阻率分布疊圖

4.3 成果解釋

從11月24日到12月20日跟蹤探測可以看出，11月24日和11月28日兩次探測結果均顯示在探測點右幫0°～60°范圍內，深度20～70m存在低阻異常，圖中已用圓圈圈出。其他幾天的跟蹤探測結果顯示巷道內部并無明顯含水異常，建議打鉆驗證。

11月28日探測出現異常后，礦方在探測點布設一個鉆孔，鉆孔出水量約1000m3，當巷道掘進約45m后再次布設2個鉆孔，鉆孔出水量約500m3，兩次排出積水1550m3，打鉆情況與探測結果吻合。

5 結論

根據驗證結果可以看出瞬變電磁法在工作面富水區域探測中效果明顯，有良好的推廣價值。瞬變電磁法是煤礦富水區探測有力的物探方法。與其它電探方法相比，瞬變電磁法施工方便、快捷、效率高、方向性好、對含水體反應敏感，在實際應用中收到了很好的效果。對煤系地層應該加強基礎研究，提高瞬變電磁法資料解釋的準確性，做好煤礦突水事故的預防預報工作。

[1]李貅.瞬變電磁測深的理論與應用[M].西安:陜西科學技術出版社,2002.

[2]方文藻,李予國,李貅.瞬變電磁測深法原理[M].西安:西北工業大學出版社,1993.

[3]傅良魁.電法勘探教程[M].北京:地質出版社,1983.

[4]嚴良俊,徐世浙.中心回線瞬變電磁測深法快速電阻率成像方法及應用[J].煤田地質與勘探,2002,30(6):58-60.

[5]蘇林,劉鑫明,劉燚.瞬變電磁法在煤礦富水區探測中的應用[J].工程地球物理學報,2011,8(1):6-9.

[6]張開元,韓自豪,周韜.瞬變電磁法在探測煤礦采空區中的應用[J].工程地球物理學報,2007,4(4):341-344.

[7]張天寶,周良慧,陳侃福,等.瞬變電磁法在祝源隧道勘察中的應用[J].工程地球物理學報,2009,6(1):53-56.

[8]陳小紅,白運,鄭凱,等.基于全區視電阻率的中心回線瞬變電磁快速成像研究[J].工程地球物理學報,2011,8(1):38-41.

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1004-5716(2015)12-0143-02

2015-07-07

2014-07-09

劉廣亮（1980-），男（漢族），山東泰安人，工程師，現從事煤礦井下地球物理探測研究工作。