礦井瞬變電磁法在超前探測(cè)中的應(yīng)用探究

■張定勝 何獻(xiàn)偉 龐永梅

（青海省核工業(yè)地質(zhì)局青海西寧810000）

礦井瞬變電磁法在超前探測(cè)中的應(yīng)用探究

■張定勝 何獻(xiàn)偉 龐永梅

（青海省核工業(yè)地質(zhì)局青海西寧810000）

瞬變電磁法與傳統(tǒng)的探測(cè)方式相比操作更為簡(jiǎn)便，而且探測(cè)的效果也比較好，因而其應(yīng)用的范圍也越來(lái)越廣。應(yīng)用瞬變電磁法需要在其掘進(jìn)工作面以及回采工作面上進(jìn)行扇形測(cè)線(xiàn)的設(shè)置，掘進(jìn)工作面水平橫向的測(cè)線(xiàn)設(shè)置方向要比豎直方向更多，從而保證頂板、地板以及順層等的全面朝前探測(cè)。目前一些礦井已經(jīng)采取了該方式進(jìn)行超前探測(cè)并且取得了良好的成效。本文著重介紹了礦井瞬變電磁法的原理以及操作的方法，對(duì)其在超前探測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了一些探究。

瞬變電磁法超前探測(cè)礦井水害探測(cè)

我國(guó)的煤礦資源豐富，但是資源開(kāi)采技術(shù)卻相對(duì)比較落后，尤其對(duì)于一些礦井災(zāi)害處理能力更是不足，礦井水害、瓦斯泄漏等嚴(yán)重威脅著礦井工作人員的生命健康安全。通過(guò)超前探測(cè)可以及時(shí)預(yù)測(cè)災(zāi)害，保證礦井的安全生產(chǎn)。瞬變電磁法對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)探測(cè)的準(zhǔn)確率高，而且較傳統(tǒng)鉆探而言成本更低因而在礦井水害探測(cè)方面發(fā)揮著越來(lái)越重要。

1 礦井瞬變電磁法原理

礦井瞬變電磁法最重要的還是利用的線(xiàn)圈的電磁反應(yīng)的原理。一般來(lái)說(shuō)技術(shù)人員會(huì)在礦井的巷道內(nèi)提前布置好可以通電的線(xiàn)圈，這里稱(chēng)之為發(fā)射線(xiàn)圈，當(dāng)線(xiàn)圈通電后就會(huì)在再其周?chē)纬梢粋€(gè)小型的穩(wěn)定磁場(chǎng)，此時(shí)如果斷開(kāi)電流，為了穩(wěn)定周?chē)拇艌?chǎng)線(xiàn)圈周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)渦流場(chǎng)，斷電時(shí)電流本身集中在線(xiàn)圈的周?chē)S著時(shí)間的推移隨著渦流形似煙圈般的擴(kuò)散到巷道的其他空間中。這種斷電瞬間產(chǎn)生的磁場(chǎng)波動(dòng)也就是瞬變電磁法應(yīng)用的基礎(chǔ)。

而且礦井的瞬變電磁反應(yīng)尤其特殊的地方，接收線(xiàn)圈接受的電流信號(hào)是來(lái)自上下兩個(gè)方向的因而斷電的瞬間，線(xiàn)圈的上下兩側(cè)都會(huì)有渦流場(chǎng)的形成，電流的煙圈效應(yīng)也是兩側(cè)同時(shí)產(chǎn)生，圖1就是礦井內(nèi)的電磁反應(yīng)。礦井的巷道由于其特殊的巖層使得瞬變電磁視電阻對(duì)其進(jìn)行了與其他環(huán)境不同的響應(yīng)。

圖1 礦井瞬變電磁傳播

該式中，C表示全空間響應(yīng)系數(shù)；S表示接受回線(xiàn)面積；N表示線(xiàn)圈匝數(shù);t為時(shí)間；V/I為接收的歸一化二次場(chǎng)電位場(chǎng)值。

2 礦井瞬變電磁超前探測(cè)方法

2.1 掘進(jìn)工作面超前探測(cè)

瞬變電磁法的反應(yīng)較為靈敏，因而對(duì)于礦井環(huán)境以及巖層表面平整度的要求比較高，所以在進(jìn)行掘進(jìn)工作面的朝前探測(cè)之前必須保證礦井巷道作業(yè)面的平整。技術(shù)人員需要按照既定的標(biāo)準(zhǔn)在礦井巷道內(nèi)設(shè)置線(xiàn)框，此外為了避免一些金屬設(shè)備對(duì)接受線(xiàn)圈周?chē)拇艌?chǎng)進(jìn)行干擾影響結(jié)果的準(zhǔn)確性一般會(huì)在探測(cè)前移開(kāi)設(shè)備，距離保持在十米以上為宜。探測(cè)正掘進(jìn)方向時(shí)，探測(cè)距離一般保持在100米以下，確保探測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)和有效性，切實(shí)確保礦井的安全施工。

在進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的設(shè)置時(shí)必須要進(jìn)行反復(fù)的測(cè)量校準(zhǔn)，確保其位于掘進(jìn)工作面的正前方。測(cè)點(diǎn)布置好之后要進(jìn)行測(cè)線(xiàn)的設(shè)置，一般來(lái)說(shuō)測(cè)線(xiàn)呈現(xiàn)為一個(gè)與上橫面平行的鈍角扇形為宜，發(fā)射線(xiàn)圈、接受線(xiàn)圈要處于同一高度，并且可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)從而使數(shù)據(jù)更加全面，但是擺動(dòng)的角度要嚴(yán)格控制，保證在10°左右。頂板和底板的朝前探測(cè)與掘進(jìn)面相似，就是使測(cè)線(xiàn)的面垂直于巷道的頂板，并可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕嵌日{(diào)整，測(cè)量底面一定深度是否有異常的情況。

2.2 回采工作面探測(cè)

回采面的探測(cè)與掘進(jìn)面同樣重要，很多的礦井事故就是由于對(duì)已采區(qū)域不重視而導(dǎo)致的。對(duì)回采面進(jìn)行探測(cè)時(shí)首先也是要確定測(cè)點(diǎn)的位置和測(cè)線(xiàn)的角度以及范圍，根據(jù)回測(cè)的范圍確定測(cè)點(diǎn)的數(shù)量，測(cè)點(diǎn)之間的距離控制在10米左右，測(cè)線(xiàn)設(shè)置在回風(fēng)或者是運(yùn)輸巷道內(nèi)，而且也可以通過(guò)角度的調(diào)整測(cè)量頂板和底板不同位置的電阻率，如果有異常的訊號(hào)返回要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行排查。具體的探測(cè)線(xiàn)方向示意可見(jiàn)圖二。所用的瞬變電磁探測(cè)裝置不同探測(cè)的距離也會(huì)存在差別，如果探測(cè)的距離較短可以適當(dāng)增加探測(cè)的次數(shù)。

圖2 回采工作物探測(cè)線(xiàn)方向示意

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 掘進(jìn)工作面超前探測(cè)目前已經(jīng)很多礦井使用瞬變電磁法對(duì)掘進(jìn)工作面進(jìn)行超前探測(cè)，筆者以圖三為例具體分析該方法在該礦井的應(yīng)用。該礦井分布的地區(qū)地下水資源豐富而且區(qū)域內(nèi)很多地區(qū)已經(jīng)被采空，呈現(xiàn)一種真空的狀態(tài)，極易出現(xiàn)礦井水災(zāi)害，給地下工作人員帶來(lái)巨大的威脅。在對(duì)該礦的掘進(jìn)面進(jìn)行探測(cè)時(shí)他們的技術(shù)人員在與掘進(jìn)面垂直的方向共設(shè)置了14條不同方向的測(cè)線(xiàn)，其擺動(dòng)的角度為水平方向?yàn)?5°，垂直方向?yàn)?5°，從而保證對(duì)巷道的全面探測(cè)。得到相關(guān)數(shù)據(jù)后對(duì)巷道內(nèi)1220m處的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)底板下層100m左右處出現(xiàn)了電阻異常的情況，相關(guān)技術(shù)人員認(rèn)為掘進(jìn)面正前方存在積水。此后進(jìn)行相關(guān)的驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)前方約50m左右的地下可探測(cè)深度內(nèi)確實(shí)有大量采空區(qū)積水的出現(xiàn)，該技術(shù)的應(yīng)用成功地預(yù)測(cè)了相關(guān)災(zāi)害，保障了工作人員生命健康安全。

3.2 回采工作面頂?shù)装逄綔y(cè)

此礦井為了確定采空區(qū)的具體積水狀況，為后續(xù)的回采工作提供保障，在該工作面又進(jìn)行了頂板和底板的探測(cè)。測(cè)點(diǎn)設(shè)置在工作巷道內(nèi)，而且使點(diǎn)距保證在10米，并按照既定的角度對(duì)頂板和底板的不同方向進(jìn)行探測(cè)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的記錄，此后技術(shù)人員將這些不同剖面的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的整理計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn)兩處異常，分別位于開(kāi)口方向的300m左右處和450m左右處，又結(jié)合巷道的具體情況對(duì)這兩處進(jìn)行進(jìn)一步的分析最終得出300m處為積水區(qū)，另一處則是柱體的異常進(jìn)水。為了驗(yàn)證探測(cè)的準(zhǔn)確性，技術(shù)人員在兩處分別鉆探了無(wú)處驗(yàn)證空，結(jié)果第一處異常有驗(yàn)證孔出水，第二處并無(wú)出水現(xiàn)象，證明瞬變電磁法的探測(cè)結(jié)果正確。

圖3 巷道1220m處順層超前探測(cè)視電阻率擬斷面示意

4 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)的鉆探探測(cè)相比，瞬變電磁法探測(cè)的范圍更大，而且相對(duì)操作更為簡(jiǎn)便，探測(cè)的效率也得到了極大的提高，因而更能適應(yīng)當(dāng)前礦井超前探測(cè)和災(zāi)害預(yù)防的要求。與此同時(shí)我國(guó)目前的瞬變電磁法超前探測(cè)技術(shù)還不夠成熟，在應(yīng)用中也存在較多的問(wèn)題，需要相關(guān)技術(shù)人員加強(qiáng)對(duì)此的研究，促進(jìn)我國(guó)的勘探技術(shù)的進(jìn)步。

[1]王曉光礦井瞬變電磁探測(cè)中空芯線(xiàn)圈傳感器的研制 [J]-地球物理學(xué)報(bào) 2016（02）.

[2]甘露礦井瞬變電磁法在超前探測(cè)中的應(yīng)用 [J]-中州煤炭2014（07）.

P62[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-6-324-1