瞬變電磁法在煤礦水害防治中的應(yīng)用探討

張朋

摘 要：瞬變電磁法在礦井水檢測中的應(yīng)用是一種先進(jìn)的地球物理勘探方法。非接觸時(shí)域瞬態(tài)電磁檢測技術(shù)對煤礦安全生產(chǎn)和水資源管理具有現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁法；煤礦；水害防治；應(yīng)用

1 瞬變電磁法應(yīng)用原理

瞬態(tài)電磁法屬于時(shí)域電磁感應(yīng)法。瞬變電磁法的原理是利用一個(gè)未連接的接地電路或接地線圈將脈沖電流傳送到地面，以刺激目標(biāo)物體的檢測來感測二次電磁場。在脈沖間隔期間，通過線圈或接地電極觀察次級場的響應(yīng)。

工作時(shí)，首先向散熱器提供直流電源，然后突然切斷電源。線框中的電流會發(fā)生變化。根據(jù)麥克斯韋電磁理論，當(dāng)發(fā)射機(jī)電流突然下降到零時(shí)，在發(fā)射機(jī)框架附近產(chǎn)生脈沖磁場。磁場產(chǎn)生地下感應(yīng)渦流場，而衰減渦流場產(chǎn)生次級磁場衰減。隨著時(shí)間的推移，它繼續(xù)向下擴(kuò)散。低電阻率的地質(zhì)體，如導(dǎo)流斷層，富水區(qū)和金屬礦。這將導(dǎo)致強(qiáng)烈和緩慢的二次渦流，高電阻在山區(qū)將導(dǎo)致弱和快速衰減的二次磁場。

第二個(gè)領(lǐng)域的基本特征是檢測目標(biāo)的物理屬性并確定其存在。時(shí)間對應(yīng)的探測深度：早期信號反映淺層地質(zhì)信息，晚期信號反映深層地質(zhì)信息。通常，檢測目標(biāo)幾何體越大，埋藏淺，電導(dǎo)率越高，次級場信號越強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間越長。通過分析空間分布特征和時(shí)間特征的“次要場”，可以推斷出地層或地質(zhì)體的幾何和物理特征。因?yàn)闆]有一個(gè)單一的領(lǐng)域背景，觀察純二次場異常更為直接和明顯，和原始數(shù)據(jù)的保真度更高。

因?yàn)榫€圈被用來接收感應(yīng)電動(dòng)勢V2，所以它對空間或其他人類電磁場（即干擾，通常稱為干擾）的電磁場敏感。為了減小干擾，通過最大發(fā)射電流獲得最大激發(fā)場，提高信噪比，抑制干擾。接收裝置一般分為三種類型：分瓣環(huán)、中心環(huán)和重疊環(huán)。由重疊電路獲得的信息是最完整的，其次是其他電路。根據(jù)勘測設(shè)計(jì)和目標(biāo)和任務(wù)，采用地瞬變電磁法選擇交疊回路裝置。

基本上，頻域電磁法和時(shí)域電磁法是相同的，都是電磁感應(yīng)次級磁場。然而，由于時(shí)域方法觀察到?jīng)]有單個(gè)場的二次場，所以主噪聲源不同于頻域方法。在這方面，這兩個(gè)是不相等的，時(shí)域方法顯示出更多的優(yōu)點(diǎn)。更突出的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）通過觀察純二次場，自動(dòng)消除了頻域法中主要噪聲源的耦合噪聲。噪聲主要來自人體的電磁干擾。

（2）時(shí)域法在解決導(dǎo)電圍巖和導(dǎo)電覆蓋層方面優(yōu)于頻域法。該測量方法簡單，適用于勘探工作。

（3）高阻力巖石條件下，地形上沒有錯(cuò)誤的異常。

（4）在發(fā)射和接收電路的中心，該裝置可以與測量的地質(zhì)體相結(jié)合，具有大的異常、簡單的形狀和較小的側(cè)面碰撞。

有限導(dǎo)電地質(zhì)體的瞬態(tài)電磁響應(yīng)相當(dāng)于具有電阻和電感的電路。環(huán)路中的感應(yīng)電壓V2（t）與次級磁場的時(shí)間導(dǎo)數(shù)成比例。

根據(jù)以上瞬態(tài)電磁法原理的描述，通過實(shí)驗(yàn)確定現(xiàn)場施工方法，并選擇適當(dāng)?shù)姆椒ê蛥?shù)。

2 運(yùn)用實(shí)例

2.1 礦井地質(zhì)情況

CZ煤礦位于湖南區(qū)域多山地區(qū)，據(jù)現(xiàn)有資料分析，該地區(qū)的構(gòu)造地質(zhì)條件復(fù)雜，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。該區(qū)主要含水層為下石炭統(tǒng)彩門橋組灰?guī)r，其次為無煤底石英礫巖，煤剖面砂巖和沉積層灰?guī)r。其中，次閘橋組石灰?guī)r含水率中等。由于煤層與煤層之間存在可靠的防水層，對煤層開采沒有直接影響。

石英砂巖和石英砂巖容易破碎。由于地形、面積小、地表徑流條件有限、地下水補(bǔ)給量有限、水頭高，這類含水層在承壓含水層中含有少量的水，直接影響煤層的開發(fā)。

這個(gè)地區(qū)是一個(gè)小煤礦，形成了一個(gè)空礦區(qū)。采空區(qū)積水和瓦斯的積聚是煤礦安全的嚴(yán)重威脅。

2.2 使用的儀器

這種瞬變電磁測量所使用的emrs-3微電腦電磁檢測器通過席“強(qiáng)源材料的探索研究所”。該儀器的主要特點(diǎn)如下：

（1）強(qiáng)場源：由于采用了脈沖壓縮技術(shù)，電源電流從200A增加到1200A，大大提高了信噪比和檢測深度。

（2）主機(jī)具有多種實(shí)時(shí)處理功能：通過硬件和軟件的組合來抑制和補(bǔ)償50Hz工業(yè)電流干擾，以補(bǔ)償儀器的零點(diǎn)漂移并消除輸入信號的最大誤差值；GATA濾波、任意疊加數(shù)、平均置換位置、各種平滑、多通道稠密平均等。

（3）儀器部分采用高速16位A / D轉(zhuǎn)換芯片，采用高精度芯片和快速比較器構(gòu)成“實(shí)時(shí)”浮點(diǎn)放大器。系統(tǒng)總體精度優(yōu)于0.5，滿足詳細(xì)檢測指標(biāo)的要求。該儀器具有自校正功能。在測量過程中，儀器完全補(bǔ)償零點(diǎn)漂移，是穩(wěn)定的。

（4）抗噪聲干擾功能具有較強(qiáng)的抗噪聲效果：通過軟硬件結(jié)合，研制出一種有效的抗干擾系統(tǒng)，信噪比提高了1200 A，電源電流使信噪比達(dá)到80dB?？捎糜诠I(yè)電流干擾較大的區(qū)域。

2.3 探測效果

以下是檢測區(qū)線的視電阻率示意圖。從圖中可以看出，有一些低阻異常區(qū)域，可以在去除干擾之后被識別為地下水。

通過分析可知，低電阻率在地面和平面上的分布表明平面和平面從上到下的分布具有一定的連續(xù)性。檢測區(qū)域主要受區(qū)域結(jié)構(gòu)控制，形成大量的周期性結(jié)構(gòu)和裂縫。是洪水的主要供水渠道。水源為地表水或第四紀(jì)富水層。在開發(fā)過程中，水會滲透復(fù)雜的裂縫。在舊窯中，廢棄的道路和其他停滯不前的地區(qū)聚集起來，形成水災(zāi)害。

3 結(jié)論

調(diào)查結(jié)果與礦井地質(zhì)資料和采后驗(yàn)證結(jié)果吻合較好。因此，瞬變電磁法在礦井水檢測中的應(yīng)用是一種先進(jìn)的地球物理勘探方法。非接觸時(shí)域瞬態(tài)電磁檢測技術(shù)對煤礦安全生產(chǎn)和水資源管理具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會意義。