瞬變電磁法在礦井水文勘察中的應用

段陽　張洋

【摘 要】井下瞬變電磁技術對低阻體反應敏感，可探測礦井下含水構造，以千秋煤礦為例，通過對地面水庫進行勘查，分析評價勘查區的賦水情況，為該礦井的安全生產提供科學依據。

【關鍵詞】瞬變電磁法；水庫；電性低阻區

瞬變電磁法屬時間域電磁法，是利用不接地回線向地下發送脈沖式一次場，用線圈觀測由該脈沖磁場感應的地下渦流產生的二次電磁場（純異常場）的空間和時間分布，達到在時間上由先到后、深度上由淺（近）及深（遠）的探測目的。

1 勘探區概況

山韭溝水庫位于義馬市千秋煤礦一水平回風大巷北側，臨近三號進風井，對應山韭溝煤礦采空區，直線距離為180m。由于礦井一水平煤層已采完，二水平正在開采，生產區的地表都有不同程度的緩慢下降，造成很多塌陷坑，巖石垮落造成裂縫與地表溝通，通過雨季降雨補給，水庫水位漫過堤岸，易通過山韭溝煤礦采空區滲入千秋煤礦一水平，對千秋煤礦的一水平大巷、姚二地區及姚三地區造成水害威脅。

水庫面積為30000m2，積水量約150000m3，水面標高+510m。受水害威脅的礦井一水平大巷標高+320，礦區地表覆蓋基本為第四系黃土，丘陵地貌，厚度最大37.4m，平均15.0m。歷年各月平均降水量7月份最大，為164.9mm；7、8、9三個月降水量占全年降水量的54.8%。日最大降水量為138.1mm（1982年7月30日），歷年最大連續降水日數12天，降水量達132.1mm，最長連續無降水日數79天。因地表黃土層較厚，雨水易被吸收，但遇到洪水時易形成泥石流、滑坡等事故。

為確保該水庫對千秋煤礦一水平地區不造成水害威脅，或出現水害威脅不造成人員傷亡、財產受到損失。特在千秋煤礦井下對應位置進行瞬變電磁勘探，利用瞬變電磁法探查礦井一水平+320大巷與山韭溝水庫之間的巖層富水情況，為礦井的安全生產提供科學依據。

2 勘探區水文地質條件

依據地層與組成巖石的給水性、 透水性特征及地下水的賦存條件，由下至上分為三疊系延長群隔水層、侏羅系中統義馬組底礫巖孔隙～裂隙承壓含水層、侏羅系中統義馬組二煤頂板泥巖隔水層、侏羅系中統馬凹組礫巖孔隙～裂隙承壓含水層、侏羅系中統馬凹組粉砂巖隔水層、侏羅系上統巨厚礫巖孔隙～裂隙潛水～承壓含水層、第三系泥灰巖，礫巖巖溶孔隙～裂隙潛水～承壓含水層、第四系隔水層和第四系底部礫卵石層孔隙潛水含水層。

山韭溝水庫地區的地表覆蓋基本為第四系黃土，丘陵地貌，厚度最大37.4m，平均15.0m。2016年3月份對該水庫巡查時，發現該水庫南側5m有一小煤窯井筒（130m），封填不實（4月2日已進行封填）且存在水力聯系，5月1日再次對該水庫水位觀測時，水面下降為1.25m，判斷通過小煤窯井筒滲入水量約11000m3。

在山韭溝水庫和一水平回風大巷之間有兩個斷層，斷層產狀分別為：157°∠45°-70° h=2.2，走向近南北，走向長度230m；216°∠47°-72°H=1.5，走向近南北，走向長度100m。山韭溝水庫積水滲入井下后，可能通過斷層裂隙進入一水平回風大巷和一水平軌道大巷。

3 瞬變電磁法的應用

礦井瞬變電磁法勘探技術是以地面瞬變電磁法勘探的基本原理為理論依據，并在其基礎上經過發展演化而來的，所不同的是，礦井瞬變電磁法需要在井下巷道內有限的空間中進行施工，瞬變電磁場的響應在線圈平面的上下2個空間布置。

3.1 工作原理

在發射線圈上供一個電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產生一個向回線法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵下，地質體將產生渦流，其大小取決于地質體的導電程度，在一次場消失后，該渦流不會立即消失，它將有一個過渡（衰減）過程。該過渡過程又產生一個衰減的二次磁場信號，由接收線圈接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地質體的電性分布情況。如按不同的延遲時間測量二次感生電動勢，就得到了二次磁場隨時間衰減的特性曲線。如果沒有良導體存在時，將觀測到快速衰減的過渡過程；當存在良導體時，由于電源切斷的一瞬間，在導體內部將產生渦流以維持一次場的切斷，所觀測到的過渡過程衰變速度將變慢，從而發現良導體的存在。

3.2 設備及工作方法

井下瞬變電磁勘探系統主要由發射機、接收機、發射線框、接收線框、同步線、外接電源等幾部分組成。其中探測環境條件要求：（1）探測范圍內不能有大型金屬，以免對電磁信號的接受造成影響。（2）探測巷道要滿足線圈布置需要。（3）工作場所及附近地區要停電，電纜及金屬管路不能橫穿發射及接收線圈，做大限度地減少各種干擾信號。

2016年4月18日，對礦井北部地區的山韭溝水庫井下對應位置進行了瞬變電磁勘探，勘探地點位于礦井一水平+320大巷的巷道中，共設計2條測線，即一水平+320大巷北側幫順層測線、北側幫30°仰探測線；三號進風井東側幫順層測線、東側幫30°仰探測線。2條測線長度均為1400m，各設計測點140個。利用一個不接地的回線，向山韭溝水庫方向發射脈沖電磁波做為激發場源（習慣上稱為“一次場”），根據法拉第電磁感應定律，脈沖電磁波結束以后，大地或探測目標體在激發場（即“一次場”）的作用下，其內部會產生感生的渦流，這種渦流有空間特性和時間特性。利用專門儀器觀測這種渦流產生的電磁場（稱為“二次場”）的強弱、空間分布特性和時間特性，推測解釋山韭溝水庫與巷道之間地層的幾何和物性特征。

4 主要解決問題

瞬變電磁法定向性好、對水敏感、控制范圍大，利用現有巷道對山韭溝水庫方向實施側向探測，確定隱伏含水異常范圍及位置，為礦井防治水提供技術依據。鑒于積水區域的不規律性，通過側向探測可探明側方150-200m范圍內的充水范圍及位置，減少和避免因條件不清造成的潰水事故。

千秋煤礦瞬變電磁勘探結果，如圖1所示：

圖1中顯示共發現4處電性低阻區，從東到西分別為1#、2#、3#和4#區。根據測區內礦井的廢棄老巷、小煤窯的積水情況、采掘分布、井上下水樣分析等資料進行分析，確定山韭溝水庫積水未對井下巷道造成水害威脅。

5 結語

作為一項新的井下探水技術，瞬變電磁法具有快速、簡便、測距大、對水敏感、定向性好等優勢，已成為礦井物探技術的重要手段，解決了礦井不明水害威脅影響生產的問題，增強了探測的準確性。

初步應用表明，該方法在探測隱伏水害威脅方面效果明顯。采取有效措施進一步提高探測距離、解釋精度及不含水構造范圍圈定等，是礦井防治水的主要研究應用方向。

【參考文獻】

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[3]李樹東.礦井瞬變電磁法環境因素的影響及校正[M].中州煤炭出版社，2015.

[責任編輯：朱麗娜]