談瞬變電磁法在礦井勘查工程中的應用

牛 中 元

(山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司，山西 晉城 048006)

?

談瞬變電磁法在礦井勘查工程中的應用

牛 中 元

(山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司，山西 晉城 048006)

介紹了瞬變電磁法的工作原理，并采用該方法，探測了某礦井巷道前方采空區的位置和范圍，分析了該礦井的工程地質及水文地質條件，為礦井的安全建設提供了依據。

礦井，瞬變電磁法，采空區，水文地質

0 引言

山西長期高強度的煤炭開采致使地下采空區面積相當于國土面積的1/8，尤其是私營小煤窯私挖無序亂采，導致礦難和地質災害頻頻發生。近幾年，我國煤礦普遍采用各種物探方法探測小煤窯采空區位置，以便及時采取防治措施，其中利用三維地震勘探和瞬變電磁法較多。

瞬變電磁法是通過向地下發射電磁波激勵地下目標，接收其產生的二次場，確定被測目標的物理參數。瞬變電磁法測量裝置由發射回線和接收回線兩部分組成，工作過程分為發射、電磁感應和接收三部分。當發射回線中通以階躍電流，發射電流突然下降到零，根據電磁感應理論，發射回線中電流突然變化必將在其周圍產生磁場，該磁場稱為一次磁場，一次磁場在周圍傳播過程中，如遇到地下良導電的地質體，將在其內部激發產生感應電流，又稱渦流或二次電流，由于二次電流隨時間變化，因而在其周圍又產生新的磁場，稱為二次磁場。由于良導電地質體內感應電流的熱損耗，二次磁場大致按指數規律隨時間衰減，形成瞬變磁場，二次磁場主要來源于良導電地質體的感應電流，因此它包含著與地質體有關的地質信息，二次磁場通過接收回線觀測，并對觀測的數據進行分析和處理，對地下地質體的相關物理參數進行解釋。

1 工程概況

該礦井為山西煤礦兼并重組整合礦井，井田位于晉城市陽城縣境內，太行山復式背斜西翼，沁水盆地東翼南段。井田內地層產狀與區域構造線基本一致，井田地質構造相對簡單，地層整體呈一走向近EW、傾向近正N的單斜構造，傾角2°～3°。井田內主要可采煤層為3號、15號煤層，9號煤層井田內大部分可采。井田內煤層與各含水層之間的巖層較穩定，隔水性較好。區內斷裂不發育，構造簡單。該礦井所采3號、9號、15號煤層位于沁河侵蝕基準面以下，沁河對礦井的安全生產存在一定的隱患。井田內奧灰水位(485.60 m)低于3號、9號、15號煤層底板最低處，對井田內各煤層的開采沒有威脅，在3號煤層前期的采掘過程中沒有發生過奧灰突水現象。由于20世紀末當地私營小煤窯私挖亂采，導致井田內存在局部采空區，采空區積水將成為礦井安全建設的主要隱患。

該礦井整合后需新建主斜井、副斜井，本次物探目的就是探明主、副斜井巷道前方是否存在采空區，給巷道建設提供資料依據。

2 探測方案

2.1 探測儀器設備

本次采用PROTEM EM-47瞬變電磁儀，該儀器是一款性能強大的測量系統，可實現高分辨率電導率成像，其抗干擾能力強，發現異常能力強，裝置靈活多樣，對低阻覆蓋層的穿透能力強等，適用于煤礦井下工作環境較窄的巷道施工。

2.2 探測工作布置及工作量

根據工作目的和現場工作條件，探測工作布置如下：

本次在礦井主、副斜井平面左右30°范圍內進行探測，中間向兩側每隔10°布線探測。主斜井平面每個角度在垂向-15°，-25°，-35°，-45°，-55°進行探測(見圖1)。副斜井平面每個角度在垂向-12°，-22°，-32°，-42°，-52°進行探測。發射回線邊長25 m，疊加次數10次，供電脈寬10 ms，采樣率4 μs，供電電流檔200 A。共完成2個巷道迎頭超前探測，物理測點80個。

3 資料整理及解釋分析

現場測量數據室內輸入計算機進行歸一化處理后，運用專用瞬變電磁解析軟件TEMINT進行解析，通過正、反演計算進行視電阻率成像，繪制測線解析曲線分析圖，最后結合地質和水文地質資料，進行地質、水文地質解析。

本次瞬變電磁超前沿探測方向主斜井解釋距離為160 m，副斜井解釋距離為120 m。

從圖2中可以看出，主斜井探測前方60 m～110 m處顯示存在1處低阻異常區(見圖3 A異常區)，異常區垂向范圍為頂部位于3號煤層附近向下延伸至9號、15號煤層，15號煤層異常反應較為明顯，表現出一定的低阻特征，因此分析采空區內積水向下有一定的滲透擴散。

從圖4中可以看出，副斜井探測前方顯示存在2處低阻異常(見圖3 B1，B2異常區)，其中B1異常區位于巷道前方40 m～70 m，分析該異常區應為3號、9號煤層采空；B2異常區位于探測前方100 m后，分析異常區范圍應在15號煤層內且可能存在積水，水平范圍還需今后進一步探測。

4 結語

本次勘探結果共圈定3個低阻異常區，綜合分析3處異常均為采空異常反應可能性大。說明在合適的勘探深度下，通過選擇合理的參數和儀器，在礦井周圍存在小煤窯采空區方面的探測可以取得很好的效果，具有明顯的經濟效益和社會效益，對城市建設、道路施工、煤礦采掘等地下采空區的探測具有很好的指導意義。

[1] 王 剛.淺談瞬變電磁法在物理勘探中的應用[J].能源地礦,2014(20):160.

[2] 李成友,劉洪福.多層采空區調查中瞬變電磁法的應用[J].物探與化探，2007,10(31):108-110.

Discussion on the application of Transient Electromagnetic Method in mine exploration engineering

Niu Zhongyuan

(ShanxiJinchengAnthraciteMiningGroupCo.,Ltd,Jincheng048006,China)

The paper introduces the working principles of TEM, explores the mined-out area location and scope of the mine roadway by applying TEM, analyzes the mine engineering geology and hydrology conditions, which has provided some guidance for mine safety construction.

mine, Transient Electromagnetic Method(TEM), mined-out area, hydrogeology

1009-6825(2016)31-0095-02

2016-08-24

牛中元(1984- )，男，碩士，工程師

P631.325

A