瞬變電磁法在超前探測(cè)水害防治中的應(yīng)用

鄧天鵬

摘要：隨著煤礦產(chǎn)能大幅提升，采掘主戰(zhàn)場(chǎng)向深部的延伸轉(zhuǎn)移，延伸開(kāi)拓工程所帶來(lái)的水文地質(zhì)問(wèn)題和安全隱患也日益突出，為了保證掘進(jìn)工作面的施工安全，利用瞬變電磁法，查明掘進(jìn)巷道前方區(qū)域巖層中含水體的空間分布位置及范圍，并對(duì)含水體的富水性進(jìn)行評(píng)價(jià)，圈定出相對(duì)富水區(qū)，為巷道掘進(jìn)提供水文地質(zhì)依據(jù)。

Abstract： With the substantial increase of coal mine production capacity， the extension to the deep of the main mining battlefield is transfered， and the hydrogeological problems and potential safety hazards caused by the extended exploration project have become increasingly prominent. In order to ensure the construction safety of roadway heading， the spatial distribution location and scope of water bodies in the rock strata in front of roadway are determined by transient electromagnetic method. The water-richness of the water body is evaluated and the relative water-rich area is delineated to provide hydrogeological basis for roadway driving.

關(guān)鍵詞：瞬變電磁；超前探測(cè)；水害防治

Key words： transient electromagnetic method；advanced detection；prevention and control of water

中圖分類(lèi)號(hào)：P631.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）03-0133-03

1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法又稱(chēng)時(shí)間域電磁法，簡(jiǎn)稱(chēng)TEM，屬于電磁感應(yīng)類(lèi)探測(cè)方法，機(jī)理是導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的電磁場(chǎng)激發(fā)下而產(chǎn)生的渦流場(chǎng)效應(yīng)。利用一個(gè)不接地的磁偶極子向地下發(fā)射脈沖電磁波作為激發(fā)場(chǎng)源，脈沖電磁波結(jié)束以后，在激發(fā)場(chǎng)的作用下，探測(cè)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感生的渦流，其大小與諸多因素有關(guān)，人們雖然不能直接測(cè)量這種渦流的大小，但是可以利用專(zhuān)門(mén)儀器觀測(cè)這種渦流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的強(qiáng)弱、空間分布特性和時(shí)間特性。

水對(duì)巖石物性參數(shù)中的電阻率是最敏感的，在各種物探方法中，瞬變電磁法對(duì)電性參數(shù)的變化又是最敏感的[1-2]，所以瞬變電磁勘探在目前探測(cè)技術(shù)多樣化的大環(huán)境下應(yīng)用十分廣泛的[3-6]。

2 礦井瞬變電磁施工技術(shù)

礦井瞬變電磁探測(cè)儀器選擇北京華安奧特科技有限公司最新的HA-M300型礦用瞬變電磁儀。根據(jù)所探測(cè)的目標(biāo)及探測(cè)場(chǎng)地的不同有偶極方式和中心方式兩種礦井瞬變電磁探測(cè)方法，如圖1所示。

本次工作由于巷道掘進(jìn)頭空間有限，受探測(cè)場(chǎng)地的限制，無(wú)法采用以上兩種探測(cè)方式。因此，我們采用了一種不共面同軸偶極方式。如圖2所示，發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈分別位于處于同一軸線(xiàn)上前后平行的兩個(gè)平面內(nèi)。探測(cè)方向分別對(duì)準(zhǔn)巷道的不同方向，可獲得前方的扇形空間信息。

3 礦井瞬變電磁探測(cè)成果

隨著礦區(qū)北采區(qū)資源量的減少，以及未來(lái)礦井產(chǎn)能大幅提升，采掘主戰(zhàn)場(chǎng)必然向南采區(qū)深部延深轉(zhuǎn)移。主要延伸開(kāi)拓工程受斷層及煤系含水層地下水害制約也愈發(fā)嚴(yán)重。利用井下瞬變電磁技術(shù)進(jìn)行超前探測(cè)[7-8]，查明掘進(jìn)巷道前方區(qū)域巖層中含水體的空間分布位置及范圍，并對(duì)含水體的富水性進(jìn)行評(píng)價(jià)，圈定出相對(duì)富水區(qū)，為巷道掘進(jìn)提供水文地質(zhì)依據(jù)。在-650回風(fēng)石門(mén)迎頭進(jìn)行了地球物理超前探測(cè)，并在-650回風(fēng)石門(mén)左幫進(jìn)行了剖面測(cè)量，確定巷道左幫100米范圍內(nèi)富水情況，圈定出相對(duì)富水區(qū)。

3.1 探測(cè)方案

礦井瞬變電磁法迎頭超前探測(cè)在向上45°、順層、迎頭向下45°三個(gè)方向7個(gè)角度呈扇形展布，如圖3所示。

本次在-650回風(fēng)石門(mén)進(jìn)行的瞬變電磁剖面探測(cè)，是以-650回風(fēng)石門(mén)為起點(diǎn)，向左幫后退探測(cè)190米，點(diǎn)距為10米，共探測(cè)20個(gè)點(diǎn)。探測(cè)如圖4所示。

3.2 探測(cè)成果及解釋

為了使煤層頂板含水異常體產(chǎn)生最佳耦合響應(yīng)，瞬變電磁法探測(cè)時(shí)選擇匝數(shù)不等、且完全分離的獨(dú)立射線(xiàn)框和接收線(xiàn)框，然后對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理、分析和解釋[9-11]。（圖5-圖7）

斜上45°方向探測(cè)結(jié)果在50-65米范圍內(nèi)存在低阻區(qū)域，順層方向探測(cè)結(jié)果在迎頭前方80米左右存在低阻區(qū)域，由此可以推斷，在迎頭前方80米左右區(qū)域，可能存在低阻異常，為可疑富水區(qū)域；斜下45°探測(cè)結(jié)果由于受迎頭積水、鉆機(jī)等鐵器影響，探測(cè)數(shù)據(jù)受到一定影響，但是仍然能看出，在迎頭前方60-80米段存在低阻異常。

從剖面探測(cè)的成果圖中可以看出，整體上藍(lán)色低阻區(qū)域的顯示面積不大，推測(cè)可能不會(huì)存在強(qiáng)富水區(qū)域。在40米探測(cè)點(diǎn)時(shí)，存在零星低阻顯示，推測(cè)可能此處是受鐵器干擾所致。在70-90米時(shí)，深度40-60米范圍內(nèi)存在低阻反應(yīng)，此處可能為異常區(qū)域。

4 結(jié)論

根據(jù)-650回風(fēng)迎頭超前探和-650回風(fēng)石門(mén)巷道探測(cè)結(jié)果，可以劃分出如圖9低阻區(qū)。

3#異常區(qū)位于-650回風(fēng)巷迎頭前方74-99米區(qū)域，瞬變電磁斜上45°探測(cè)、順層方向探測(cè)結(jié)果顯示此處存在較明顯低阻，說(shuō)明此處頂板方向可能富水，推測(cè)此處可能巖體較潮濕，強(qiáng)富水的可能性較小，掘進(jìn)至此處可能出現(xiàn)頂板淋水現(xiàn)象。4#異常區(qū)位于-650回風(fēng)巷迎頭后方20米附近區(qū)域，在軌道石門(mén)進(jìn)行的瞬變電磁探測(cè)結(jié)果顯示為低阻，此處回風(fēng)巷道有淋滴水現(xiàn)象，存在一定的富水性。5#異常區(qū)位于-650回風(fēng)石門(mén)回23點(diǎn)左幫33-60米區(qū)域范圍，推測(cè)可能巖體較潮濕，富水的可能性較小。6#異常區(qū)位于-650軌道石門(mén)迎頭前方40-80米區(qū)域范圍內(nèi)，此區(qū)域異常較明顯，為富水區(qū)域。

根據(jù)探測(cè)結(jié)果疊加圖，可以看出，瞬變電磁所圈定的4#低阻區(qū)、6#低阻區(qū)在空間分布上可能存在一定聯(lián)系，應(yīng)加以重視。

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