瞬變電磁超前探測技術在巷道掘進中的應用

崔江宏

(長治市高原綜合勘探工程有限公司，山西長治046000）

1 瞬變電磁法概述

瞬變電磁法是一種時間域電磁感應方法，是基于導電介質在階躍變化的激勵磁場激發下引起渦流場的問題。如圖1、圖2所示，它的工作原理是利用不接地回線或接地線源作為發射回線，供給發射線圈一個電流脈沖波形，脈沖后沿下降的瞬間，會形成向地面下傳播的瞬變一次磁場。地下埋藏的導電體在這個一次磁場的激勵下將會產生渦流，一次場消失過后，導電體中產生的渦流不會隨著一次磁場的消失而馬上消失，而是有一個過渡過程。隨之將產生一個向地面下傳播的衰變的感應電磁場(二次場)，通過在接收線圈或者接地電極上觀測到的二次場隨時間變化和剖面曲線特征，就可以體現地下導電體的電性分布情況，進而判斷地面下不均勻體賦存的所在位置、形態及其電性特征。中國礦業大學最早將瞬變電磁方法引進到井下探測工作中，研究內容涉及全空間瞬變電磁場的分布規律、數值模擬和時深轉換等方面，另外在技術上對關斷時間、發射功率、發射線圈匝數和干擾因素等方面也進行了研究試驗[1-4]。

瞬變電磁探測技術根據延遲時間的不同測量二次感生電動勢V(t)，獲得二次感應電磁場隨時間衰減的特性曲線，該感應衰減曲線變化快慢的情況就反映出探測目標體的相對電阻率的高低變化情況（如圖3所示）。

與地面裝置相比，井下空間范圍比較小，礦井中瞬變電磁探測工作選擇邊長較小的回線裝置，其邊長小于3m，一般是采用多匝發射、多匝接收的重疊裝置[5-6]。見圖4。

重疊回線裝置與其他裝置相比有以下優點：（1）對于任何形態的導體均能達到最佳耦合狀況；（2）響應曲線形態比較簡單，易于分析，因為不管是存在良導電覆蓋層或者是在圍巖導電的情況下，該裝置始終處在等效電流環的中心部位；（3）接收電平較高、穿透深度較大，測量結果分析解釋比較簡便[7-8]。

圖1 瞬變電磁法測量原理示意圖

圖2 瞬變電磁法衰減曲線示意圖

由于巷道迎頭左右兩幫和頂板多為錨聯網支護，或者存在大量鐵器和積水，對礦井瞬變電磁探測結果產生影響，導致結果中經常出現視兩側呈現相對低阻而中間成像高阻特征的現象，帶來虛假低阻異常，而掩蓋了迎頭前方真正的低阻異常富水區域。為此在處理該類型數據時需排除兩側異常干擾，從而突出迎頭前方異常富水區域。

圖3 不同電阻率值目標體的二次場衰減電位曲線變化圖

圖4 礦井瞬變電磁法中重疊回線裝置圖

2 觀測系統布置

為了有效、全面地探測巷道迎頭前方一定空間范圍內電阻率分布特征，現場探測在巷道迎頭按扇形布置測點，形成扇形觀測系統[8]，具體測點布置如圖5所示，巷道迎頭共布置11組探測點，使發射天線和接收天線的法線方向與巷道迎頭方向夾角為45°（即天線法線方向與左幫夾角）采集第1組數據，然后按9°順時針方向旋轉天線，直至天線法線方向與巷道右幫夾角45°。每組探測點依次探測頂板30°、水平和底板30°三個方向，即11個方向，每個方向采集3個數據，共計33個數據。通過在多個角度和方向系統采集數據，可以盡可能探明前方空間電阻率分布情況，獲得更加完整的信息。

3 現場地質概況

山西長治市輝坡煤礦3201準備面回風順槽掘進時，頂板淋水比較大，達10～15m3/h，取樣化驗分析，分析結果表明為頂板砂巖水。該面所處位置為Z2向斜的南翼部，對應井田邊界北部襄垣煤礦1063準備面回風順槽，頂板砂巖較大范圍淋水，水量達20m3/h。襄垣煤礦處在深部位于Z2向斜軸部回采的1061綜采工作面涌（突）水量達102m3/h。以上資料表明Z2向斜附近煤層頂板砂巖裂隙較為發育、富水性較強，涌水量較大，實踐證明該向斜軸部為一富水帶，將對3201、3202、3203工作面生產構成嚴重的影響。

3101工作面位于輝坡井田向斜軸部，為2008～2009年采空區，估計采后的老空區已積水，積水量不清。該采空區積水水位升高，老空水可沿砂巖裂隙、層面裂隙從高位向低位傳遞運移，將成為開采3201等工作面的補給水源。

圖6所示為本次礦井瞬變電磁超前探測成果，結合礦井地質、水文地質和生產資料等綜合分析，本次探測結果解釋如下：本次探測位置正前方40m范圍內未發現明顯低阻異常區域，屬于弱含水區域特征，無較強含水體反應。在迎頭前方60m以外左側存在低阻異常區域（小于10Ω·m）。在迎頭前方30m以外右側存在低阻異常區域（小于10Ω·m）。

圖5 現場布置示意圖

4 總結與分析

后期經過鉆探驗證表明，探測出的相對低阻異常區域為老空積水區域，該區域存在相對富水異常。為礦井安全掘進提供了指導。結合礦井地質資料和本次探測驗證成果，礦井瞬變電磁超前探測中以視電阻率值在4～12Ω·m之間圈定相對富水低阻異常區比較可靠。

在現場探測中瞬變電磁探測技術主要受到以下幾個因素的影響：

（1）巷道迎頭鐵器及兩側支護影響：在每次的瞬變電磁探測結果中都在兩側出現相對低阻異常影響區域，這主要是由于瞬變電磁儀器主要接收相對低阻異常體感應的二次場信號，而巷道迎頭及兩側支護中的錨網、錨桿和工字鋼等相對低阻體也能感應產生二次場信號，在探測結果中就會出現兩側相對低阻異常影響區域。由于巷道中的鐵器和支護離接收線圈很近，因此造成的這種假異常低阻影響區域和范圍很大。因此采取應對解決方法有3個：①在現場數據采集中盡可能避免和排除探測前方有較大鐵器干擾；②在數據處理中剔除和校正這部分干擾數據；③在數據解釋中將該兩處相對低阻異定性為虛假異常影響區域。

圖6 3201工作面回風順槽超前探測成果圖

（2）迎頭前方巖體巖性變化和迎頭頂板淋水的影響：掘進迎頭前方的小構造產生的巖性變化對瞬變電磁的探測結果也有一定的影響，主要表現在相對高阻煤層中構造影響面附近出現大量相對低阻區域，這是由于煤層是相對高阻，而其中伴隨斷層構造出現的構造影響面是相對低阻區域，因此在探測結果中電阻率分布與巖體中的相對富水區域表現形態類似。因此在探測成果解釋分析中需要加強對這類異常低阻的識別和地質資料的結合。

（3）雜散隨機環境電磁噪聲影響：瞬變電磁探測技術是以巖體中的電磁波的發射和接收為基礎的應用技術，井下施工中需求大量工業用電，各種電器的開關和運行會產生大量隨機雜散電磁波，在現場探測中若是遇到這種電磁波干擾給探測結果也會帶來一定隨機干擾影響。