地巷聯合瞬變電磁法可行性研究

王 鵬

(1.中國地質大學(武漢)地球物理與空間信息學院，湖北省武漢市，430074;2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

★ 煤炭科技·地質與勘探 ★

地巷聯合瞬變電磁法可行性研究

王 鵬1,2

(1.中國地質大學(武漢)地球物理與空間信息學院，湖北省武漢市，430074;2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

地巷聯合瞬變電磁法采用地面回線源發射、煤礦井下巷道中接收的工作方式，對提高分辨率具有理論優勢。為論證該方法在煤礦巷道中實際應用的可行性，從理論計算和現場試驗兩方面對感應二次場的信號特征、有效長度、異常響應進行研究。理論計算表明，井下信號曲線為低高低的特征，早期信號相對弱但晚期信號強于地面。現場試驗證明，雖然電磁干擾源較多，但仍采集到長度超過20 ms的光滑信號，且曲線特征與理論結果一致。實測測道曲線上隆起的異常段與已知積水采空區位置基本一致，證明地巷聯合瞬變電磁法具有實際應用的可行性。

地巷聯合瞬變電磁法 煤礦巷道 積水采空區 電磁噪聲 測道曲線

常規地井瞬變電磁法在地面布設回線源，在垂直鉆孔中布置接收點，通過回線源中方波電流的發射和關閉，制造一次場和感應二次場，研究分析感應二次場可獲取井旁目標體的信息。地井瞬變電磁法在鉆孔周圍一定范圍內具有較好的分辨率，能最大限度的發現深部隱伏礦體，實現勘查礦產資源或尋找井旁盲礦的目的，被廣泛的應用于深部地質結構調查和尋找隱伏礦體中。

在煤礦開采過程中，地下形成眾多近水平的巷道，巷道周邊隱蔽致災體的探測成為需要解決的地質問題。地井瞬變電磁法由于其較好的分辨率成為能取得良好探測效果的潛在手段，但該方法將接收點布置在垂直鉆孔中，異常體的響應反映在縱剖面上，且孔內干擾因素少。如將測點布置在煤礦井下水平巷道中，異常體的響應將反映在橫剖面上，且巷道內管道、支架、錨網、輸電線路等電磁干擾源對瞬變信號產生影響。定義地面回線源發射、煤礦井下水平巷道中接收的瞬變電磁法為地巷聯合瞬變電磁法，本文采用理論計算和現場試驗相結合的方式，論證該方法應用于煤礦巷道中探測隱蔽致災體的可行性。

1 試驗區地層與地電斷面

試驗區位于山西省王家嶺煤礦，根據地層出露和鉆孔揭露，井田發育地層由老到新為奧陶系下統亮甲山組、治里組、中統馬家溝組；石炭系中統本溪組、上統太原組；二疊系下統山西組、下石盒子組，上統上石盒子組、石千峰組；第四系。其中奧陶系主要成分為灰巖，平均厚度為471.70 m；石炭系本溪組主要成分為粘土巖和粉砂巖，平均厚度為10.98 m，太原組主要成分為泥巖、粉砂巖，平均厚度為60.16 m；二疊系山西組主要成分為粉砂巖、砂巖、泥巖和煤層，平均厚度為48.32 m；下石盒子組主要成分為泥巖、砂巖，平均厚度為76.49 m。上石盒子組主要成分為泥巖、砂巖，平均厚度為454.54 m；第四系局部分布，厚度不一。

由于沉積年代和環境的不同，各地層巖性存在明顯差異，表現出不同的導電性。從不同巖性地層物性差異的角度來分析，一般變化規律為泥巖、粉砂巖、細砂巖、中砂巖、粗砂巖、礫巖到灰巖，導電性逐漸減弱，電阻率逐漸升高。研究區內含煤地層沉積序列清晰、地層相對穩定。正常地層組合條件下，在橫向與縱向上物性都有固定的變化規律可循。

以1163號鉆孔為樣本，獲取試驗區內地層的地電斷面。1163號鉆孔深度約540 m，測井范圍約為14～541 m，穿越第四系、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組。繪制測井數據得到深度—視電阻率曲線，見圖1。圖中黑色粗實線為各地層的平均值曲線。由圖1可見，由淺往深地層的平均視電阻率逐漸升高，其中上石盒子組層位相對最厚，呈現相對低阻。從下石盒子組開始，地層電阻率急劇升高，太原組下部分別為本溪組和奧陶系灰巖，均沒有測井數據。本溪組平均厚度較薄(平均約11 m)，電阻率值不詳；奧陶系灰巖地層較厚(平均約471 m)，一般認為是極高阻(高于太原組)。各地層平均視電阻率見表1。

試驗區含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組，試驗巷道位于山西組2#煤層20102膠帶巷。

圖1 1163鉆孔測井曲線

表1 地層視電阻率統計表

地層厚度/m視電阻率/Ω·m第四系2715 3上石盒子組34528 6下石盒子組6147 0山西組4592 8太原組67186 2本溪組11(平均)未測井奧陶系灰巖471(平均)極高

2 模型建立與正演計算

建立如圖2所示地電模型，從淺至深共有7層電阻率介質，分別對應不同地層。發射框位于地面，尺寸為480 m×480 m，測線位于地下450 m深處，與發射框中間線的投影重合。

在均勻、有耗、非磁性、無源媒質中忽略位移電流后，直角坐標系中Maxwell方程組各個分量的形式為：

(1)

和

(2)

式中：Bx、By、Bz——三分量磁通量密度，T；

Ex、Ey、Ez——三分量電場強度，V/M；

Hx、Hy、Hz——三分量磁場強度，A/M；

Jsx、Jsy——xoy平面內源電流密度，A/m2；

x、y、z——剖分網格坐標，m；

σ——電導率，S/m；

γ——虛擬介電常數；

t——時間，s。

圖2 工作裝置與地電斷面示意圖

由于采用回線源發射，源電流密度項不存在z分量。采用Yee晶胞格式對剖分模型進行網格離散，如圖3所示，每一個電場或者磁場分量均由4個磁場或者電場分量包圍。將式(1)和式(2)中的差分代替微分，對于在空間中的差分采用向后差分，而對于在時間域的差分采用中心差分，寫成時域有限差分的迭代格式。在迭代中，電場和磁場交替計算，但是電場采樣早于磁場采樣半個時間步。這樣就實現了瞬變電磁三維直接時域有限差分正演計算。

圖3 FDTD計算采用的Yee晶胞格式

地面與井下曲線正演計算結果如圖4所示，地面曲線從早期到晚期持續衰減，而井下曲線先增強后衰減。兩條曲線的相對強弱隨時間而發生轉變。

圖4 地面與井下曲線正演對比圖

3 試驗布置與干擾檢測

試驗地點位于2#煤層20102工作面膠帶巷，埋深約450 m。按10 m點距布置測點42個，分別編號為1#、2#、3#、…、41#、42#。巷道內鐵器與輸電線分布示意圖見圖5。巷道右上角有兩根鐵管，孔徑為10～20 cm，全測線段分布。右下角排水渠有鐵蓋，全測線段分布。左上角在1#～6#點和36#～42#點之間有連接井下變電站的輸電線，電壓為660 V。6#～36#點之間為照明輸電線，已停電。測點布置在巷道左下角，附近無已知的鐵器等干擾物。

圖5 巷道截面示意圖

巷道內存在高壓輸電線和較多鐵器，可能使測點附近存在較嚴重的電磁干擾，進而影響試驗效果，所以特進行干擾檢測。在地面大框不通電時，接收機進行數據采集，接收時間長度為200 ms，持續時間為170 s，共疊加850次，獲得電磁場隨時間的梯度變化曲線，見圖6。圖中顯示，巷道內電磁噪聲強度約在±0.3 μV/m2之間。

4 曲線形態與采空區反映

地面和井下采集的二次磁場垂直分量衰減曲線見圖7，圖中橫坐標為時間，縱坐標為衰減值，均為雙對數顯示。由圖可見，兩條曲線差異較大，地面采集的曲線不斷衰減，而井下采集的曲線先增強后衰減。在約2 ms以前，地面曲線值強于井下曲線，其后井下曲線更強。對井下曲線而言，20 ms以后振蕩加劇，說明信號強度已不能壓制干擾，而對地面曲線而言，30 ms以后才振蕩加劇，說明井下噪聲明顯比地面噪聲嚴重。

圖6 井下噪聲強度曲線

圖7 地面與井下曲線實測對比圖

兩條曲線均反映地下同一個二次場源產生的二次場隨時間的變化。在實際的地下，二次場源存在于較大范圍的介質中，相當于無數點源的集合。可以將這無數的源理解為一個單獨的、唯一的源，這個源發射電磁波(二次場)，經過介質損耗后到達空間各處。顯然，二次場源的強度不會維持不變，更不會增強，只會逐漸衰減。在斷電的早期時間，地下淺部瞬間產生一個唯一的、相對強的二次場源，這個源發射稱為二次場的電磁波。隨著時間推移，二次場源逐漸向深部轉移，且本身的強度也逐漸減弱。對地面測點而言，其與二次場源的距離持續增加，故接收到的信號逐漸減弱。對井下測點而言，由于二次場源到達測點深度的地層后，繼續向更深部移動，兩者之間的距離經歷先減小至零，后持續增加的過程，故信號強度先增加后減小。

在測線15#～25#測點之間，巷道旁側37 m外存在一個已知的積水采空區，順巷道方向長約110 m，寬約110 m。根據瞬變電磁法的原理可知，低阻體受激發后，產生的渦流場緩慢衰減，輻射的二次感應場持續存在，且強于背景場。通過對比感應二次磁場的強度，能發現低阻異常體的存在。沿測線方向繪制采集到的感應二次場值見圖8，可以發現在12#～28#測點之間，測道曲線存在一個明顯的隆起。曲線隆起段與積水采空區分布范圍吻合較好，說明采用地面回線源發射，井下巷道中接收的地巷聯合瞬變電磁法對低阻異常體具有探測可行性。

圖8 井下測道圖對積水采空區的反映

5 結論

地巷聯合瞬變電磁法采用地面布置回線源、井下巷道布置測點的工作方式，能最大限度激發目標體，最小程度避免感應二次場的距離損失，具有工作方式的理論優勢，能更準確地分辨地質異常體，對當前煤礦安全生產具有重要意義。經過理論計算與現場試驗，研究總結以下幾點結論：

(1)煤礦井下巷道中雖然布置有較多的輸電線、機電設備、金屬體等電磁干擾源，但實測結果顯示其綜合噪聲值小于大部分時間段的瞬變電磁信號，約450 m深的煤礦巷道中信號有用時間段超過20 ms，對地巷聯合瞬變電磁信號影響較小。

(2)對比分析正演計算與現場實測獲得的地面與井下瞬變電磁曲線，認為兩者規律整體一致，說明理論計算與現場實測數據的正確性。早期時間地面曲線強度相對較大，晚期相反，認為曲線的相對強弱與二次場源的傳播有關，接收點與二次場源近則信號強，距離遠則信號弱。

(3)現場試驗獲得的測道曲線圖中，異常段與已知積水采空區范圍吻合，說明該方法應用于煤礦井下巷道探測隱蔽致災體具有現實可行性。

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(責任編輯 郭東芝)

Feasibility research on ground-roadway combined transient electromagnetic method

Wang Peng1,2

(1.Institute of Geophysics & Geomatics, China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074, China;2.Xi'an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group, Xi'an, Shaanxi 710077, China)

Transmission loop of ground-roadway combined transient electromagnetic method (TEM) is located on the ground and receiving points are located at roadway.The method has theoretical advantages for resolution enhancement. In order to prove the feasibility of the method's practical application in coal mine roadway, signal characteristics, effective length and exceptional response of induced secondary field were studied from two aspects of theoretical calculation and field test. The theoretical calculation showed that the underground signal curve was characterized by low-high-low, and the early signal was relatively weak while the late signal was stronger than that on the ground. Field tests acquired smooth signal whose length was over 20 ms although electromagnetic interference source was more, and the characteristics of the curve were consistent with the theoretical results. The abnormal segment of actual measuring channel curve was basically in line with the location of the known watery goaf, which proved that the combined TEM was feasible.

ground-roadway combined TEM, coal mine roadway, watery goaf, electromagnetic noise, measuring channel curve

王鵬.地巷聯合瞬變電磁法可行性研究[J]. 中國煤炭，2017，43(2)：28-32. Wang Peng. Feasibility research on ground-roadway combined transient electromagnetic method [J]. China Coal, 2017, 43(2): 28-32.

P631

A

王鵬(1982-)，男，湖北監利人，副研究員，在讀博士研究生，中國地質大學(武漢)地球物理與空間信息學院地球探測與信息技術專業，現工作于中煤科工集團西安研究院有限公司，從事煤田電法實踐與研究工作。