礦井瞬變電磁全空間多匝小回線超前探水

2016-06-02 05:49:16張繼忠代少軍林井祥

現代礦業 2016年2期

張繼忠　康　健　代少軍　林井祥

(黑龍江科技大學礦業工程學院)

礦井瞬變電磁全空間多匝小回線超前探水

張繼忠康健代少軍林井祥

(黑龍江科技大學礦業工程學院)

摘要介紹了礦井瞬變電磁法全空間探測的基本原理，分析了其在水害超前探測中的地質效果、井下干擾影響因素以及多匝小回線工作裝置參數設計，實現圍巖與采空區的富水異常區探測，巷道超前隱伏導含水構造預測及含水陷落柱勘查等。現場應用表明：對物探圈定的疑似低阻異常區域經鉆探驗證，鉆探結果與物探判斷一致，說明瞬變電磁法地質解釋成果準確可靠，可為礦井防治水工作提供有效的技術支持。

關鍵詞礦井瞬變電磁法富水區域礦井水害超前探測

礦井水害為煤礦五大災害之一，其影響程度僅次于瓦斯爆炸，排在第二位。我國煤礦開采深度平均每年增加10～20 m ，隨著煤礦開采向深部下組煤的大規模開發，礦山壓力、水壓力增大，水文地質構造愈加復雜[1-3]；由于歷史原因，部分地區小煤礦星羅密布，這些煤礦水文地質資料不清，安全意識淡薄，防治水工作基礎薄弱。因此，堅持“預測預報，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原則，采用物探和鉆探相結合的探測方法，超前查明礦井隱伏導含水構造和煤層頂底板圍巖的富水情況是煤礦水害防治工作的關鍵[4-5]。礦井瞬變電磁法是目前地球物理探測領域應用前景廣闊的一種新的物探方法，此法對低阻體反映敏感，在巖層富水性探測方面更具優勢，具有超前探測距離較大，探測方向指向性好，施工方便快捷，勞動強度小等優點，可實現煤層頂底板巖層內部的富水異常區探測，巷道超前隱伏導含水構造預測和含水陷落柱勘查等。

1礦井瞬變電磁法特性和原理

1.1物理特性

煤系地層沉積及成巖是相對均勻、連續的，其導電性特征無論是沿地層垂深方向還是展布方向均具有固定變化規律[6-7]。如果煤系地層中存在地質構造，如斷層、裂隙或陷落柱等，都將使其局部范圍失去連續性和整體性，使得地層電性在垂深和地層展布方向上的變化規律發生改變。地層導電地質體在垂深和地層展布方向上的變化規律為礦井瞬變電磁法探測提供了充分的物性條件，也為礦井物探工作進行地質解釋提供根本依據。

1.2方法的原理

礦井瞬變電磁法(TEM)是利用不接地回線向巷道全空間發送一次電磁場，并在一次電磁場間歇期間，用接收線圈觀測由該脈沖電磁場產生的二次電磁場，通過分析二次電磁場的空間和時間分布，以解決地質問題的時間域電磁法。

在井下巷道空間中，礦井瞬變電磁法電磁場呈全空間分布。瞬變響應在布置回線兩側形成雙“煙圈”，即雙“煙圈效應”[8-10](圖1)。這是探測接收到的信號自巷道全空間地質體電性的綜合反映。受井下空間環境，如礦井軌道、高壓電纜及小規模線框裝置等的影響，井下的探測深度一定程度上受到限制，一般可以有效解釋100 m左右。

圖1　礦井瞬變電磁場全空間雙“煙圈效應”示意

1.3多匝小回線特征

礦井瞬變電磁法采用小邊長多匝回線線框裝置，具有高效率、低成本、降低體積效應、提高分辨率和信噪比等優點。探測回線線框可置于巷道頂板或底板，也可置于巷道兩幫，以探測其含水異常體在垂深和展布方向上變化規律。該法對高阻地層的穿透能力強，對低阻地層有較高的分辨能力。

2礦井瞬變電磁法實施

2.1工作裝置

與地面瞬變電磁法相比，礦井瞬變電磁法無法采用地表探測時的大線圈裝置，只能采用邊長小于3 m的多匝小回線探測。根據不同的地質任務和井下工作環境條件，選擇合適的回線邊長與匝數，回線邊長通常有1 m×1 m，1.5 m×1.5 m，2 m×2 m，回線在一定的范圍內線框越小，其體積效應也越小，橫向、縱向分辨率越高。發射線框(Tx)和接收線框(Rx)布置可根據探測位置不同采用同軸偶極和平行偶極布置，見圖2。

2.2測點布置

井瞬變電磁法可實現巷道超前探測、頂板探測、巷道兩幫探測和底板探測，可向巷道前后、左右、上下多角度掃描(圖3)。巷道掘進工作面測點間距為1 m，測線間距為1 m；頂底板及兩幫測點間距小于20 m，測線間距可按需要設置1 m或2 m，布置通常以能有效避開掘進工作面附近的金屬干擾體、電纜、信號線為前提，并降低音噪等干擾因素，提高信噪比，保證原始數據可靠性，所以，前期準備工作是不可或缺的。

圖2　瞬變電磁法工作裝置布置

圖3　礦井瞬變電磁法探測位置示意

3工程應用

3.1探測區域地質概況

雞西礦區富陽煤礦4#層左2片平巷、3#層左1片平巷、右5平巷掘進工作面和左7片平巷掘進工作面均為矩形半煤巖巷道臥底掘進，頂板較完整。掘進過程中，出現淋水等情況。與該礦相鄰的周邊煤礦密集分布，且水文地質資料均不詳。為探查井田范圍內水文地質情況，保證煤礦正常安全生產，掌握巷道超前及圍巖富水區域和隱伏地質構造展布，采用瞬變電磁法進行物理探測。

3.2探測儀器與工程布置

本次采用加拿大GEONICS公司的PROTEM-47HP瞬變電磁儀，該系統主要由兩部分組成：信號發射裝置(Tx)和信號接收裝置(Rx)。發射機調節輸出電流為1 A，發射頻率為25 Hz，關斷時間為139 μs，20門采集。發射線框與接收線框間距為10 m，發射線框尺寸為1 m×1 m，回線匝數為128匝，接收線框為1D線框。GEONICS系列儀器是目前國際上最先進的瞬變電磁專業儀器，其最大的優點是抗干擾能力強，精度高，尤其是關斷時間短，這些優點使其具有較大的探測范圍。

巷道超前探測由3條測線組成，測線間距為1 m,每條測線布置7個測點，測點間距為1 m，測線內測點沿巷道超前方向掃描形成探測區域，每條測線按不同角度進行探測。測線1沿巷道掘進頭成10°俯角超前探測；測線2沿巷道掘進頭正前方水平探測；測線3沿巷道掘進頭成30°仰角超前探測。掘進工作面超前、兩幫及頂板探測布置見圖4。

圖4　探測位置工程布置平剖面

3.3數據處理與分析解釋

經室內原始數據的分析處理，運用BETEM專用軟件，得到瞬變電磁探測視電阻率反演成像結果，見圖5、圖6。

圖5中曲線為富水函數等值線，不同色界代表視電阻率相對高低，數值越小，視電阻率越低，富水性相對也越強?？芍?#層左2片平巷超前探測中，在巷道超前向60 m左右區域，有一條疑似隱急伏斷層存在，斷層附近低阻反映明顯，該斷層可能富水。3#層左1片平巷超前探測中，在巷道超前向110 m左右區域有低阻反映出現，存在疑似隱伏斷層，斷層附近低阻反映，該斷層可能存在積水。右5平巷掘進頭超前探測中，在巷道俯下前方110 m左右區域有疑似低阻體出現，綜合分析該區域含水豐富。左7片平巷超前探測中，在巷道俯下前方左側80 m左右區域有隱伏斷層存在，斷層內可能積水。右1運輸石門超前探測中，在巷道正前方有疑似導水斷層存在，前方110 m區域出現低阻異常。

由圖6可看出，探測方向均為沿幫壁呈10°仰角， 4#層左2片平巷48～70 m、3#層左1片平巷60～110 m和右1片運輸石門50～85 m的走向中部均存在低阻異常區，其中，4#層左2片平巷低阻異常反應區為上部采空區含水造成，3#層左1片平巷和右1片運輸石門存在疑似隱伏斷層，并具有導含水性，結合資料可以解釋為斷層裂隙水。

對判斷疑似區域進行定向工程鉆探驗證，工作面均出現淋水或出水，驗證了低阻區有一定的富水性。在掘進和回采中對異常區采取相應的安全措施，從而保證工作面的安全生產。

4結論

(1)礦井瞬變電磁法為全空間電磁響應。地層地質體在橫向和垂向電性反映特征不同，回線匝數、工作裝置布置方式、回線尺寸、井下環境干擾因素影響等使得礦井瞬變電磁法探測及數據解釋較地面半空間探測要復雜得多。

(2)礦井瞬變電磁法在工程應用中，根據探測要求和現場空間環境，采用合理工作裝置與組合，能實現多位置、多角度定向探測任務，提高探測工作效率和減小勞動強度。

(3)雞西礦區富強煤礦掘進巷道幫壁和掘進工作面超前探測實踐表明，礦井瞬變電磁法能夠極好地發現水害異常區，并確定出異常區的位置和范圍，判斷導含水構造及隱伏斷層，取得了明顯的探測效果。