YCS-360A瞬變電磁儀在草垛溝礦工作面的推廣應用

董雪峰

（山西煤炭進出口集團左云草垛溝煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037000）

1 探測區(qū)域概況

山煤集團左云草垛溝煤業(yè)是一家國有煤炭生產(chǎn)單位，為原小窯礦井兼并重組而成。礦井批采5號-14號煤層，其中8號、11號煤層已大部分采空、8-1號、8-2號煤層部分采空，14號煤層已全部采空；本礦井采空范圍較廣、老空積水賦存情況復雜，嚴重影響礦井的安全生產(chǎn)。為保證礦井安全有效的生產(chǎn)，特引進安徽地質(zhì)科技有限公司的YCS-360A瞬變電磁儀為本礦進行物理電磁探測。

8115回風順槽、8113準備回采工作面位于草垛溝礦設(shè)計的8-1號煤層的一盤區(qū)東翼，8-1號煤層上部為8號煤層、8-1號煤層下部為8-2號煤層、層間距平距為16.58 m。8-1號煤層直接頂：灰色中砂巖，厚1.10 m，中厚層狀，膠結(jié)致密，穩(wěn)定性較好。老頂：巖性為砂礫巖及粗砂巖，厚4.20～26.93 m，一般4～6 m，穩(wěn)定性較好。底板：砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及少量的炭質(zhì)泥巖。

8115回風順槽設(shè)計980 m，巷道斷面為3.2 m×2.4 m，支護方式為錨網(wǎng)+錨索，開拓方式為炮掘。8113工作面走向980 m、傾向150 m，煤層平距厚度為1.2 m。為了保證8115回風順槽掘進安全和8113準備回采工作面回采安全，查明其前方、上方、下方的水情水患情況，進行物理電磁法探測。

2 瞬變電磁儀工作原理

2.1 瞬變電磁儀概述

探測使用儀器研制的YCS360A型瞬變電磁測深儀，YCS360A礦用瞬變電磁儀對低阻充水破碎帶反映特別靈敏、體積效應小、縱橫向分辨率高、盲區(qū)小，且施工方便、快捷、效率高等優(yōu)點，既可以用于煤礦掘進頭前方，也可以用于巷道側(cè)幫、煤層頂、底板等探測，為煤礦企業(yè)在生產(chǎn)過程中水患和導水構(gòu)造的超前預測預報提供技術(shù)手段。

軟件設(shè)計集成了經(jīng)典的和專家的時間域瞬變電磁法勘探理論、技術(shù)與方法，其一次場波形發(fā)射和二次磁場接收技術(shù)和方法，可以進行復雜的地質(zhì)構(gòu)造勘探。

1）現(xiàn)場探測：集成了多樣式一次磁場發(fā)射，高精度、高分辨率的二次磁場接收技術(shù)與方法。

2）文件管理：文件管理工具，可創(chuàng)建文件和刪除文件，創(chuàng)建和刪除當前二次磁場記錄文件。

3）數(shù)據(jù)顯示：一次磁場波形發(fā)射顯示工具，接收二次磁場顯示。

4）檢測處理：一次磁場發(fā)射時相對應電流檢測，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器校零，及對二次渦流場增益檢測，手工置增益。

5）便于操作：自動管理測點號和測線號及波形文件管理工具。

本次探測工作主要使用的儀器設(shè)備有：YCS360A型礦井瞬變電磁儀1臺；發(fā)射線框及接收線框組成的重疊回線工作裝置1套；配套連接線若干。

2.2 瞬變電磁儀探測原理

在發(fā)送回線上供一個電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產(chǎn)生一個向發(fā)射回線法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵下，地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，如下頁圖1所示，其大小取決于地質(zhì)體的導電程度，在一次場消失后，該渦流不會立即消失，它將有一個過渡（衰減）過程。該過渡過程又產(chǎn)生一個衰減的二次磁場向地質(zhì)體內(nèi)傳播，由接收回線接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地質(zhì)體的電性分布情況，如下頁圖2所示。

如按不同的延遲時間測量二次感生電動勢V（t），就得到了二次磁場隨時間衰減的特性曲線。如果沒有良導體存在時，將觀測到快速衰減的過渡過程，如圖3所示；當存在良導體時，由于電源切斷的一瞬間，在導體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流以維持一次場的切斷，所觀測到的過渡過程衰變速度將變慢，從而發(fā)現(xiàn)導體的存在。

圖1 半空間中的等效感應電流圖

圖2 瞬變電磁法原理圖解

圖3 TEM衰減曲線（探測的根據(jù)）

2.3 礦井瞬變電磁的特點及優(yōu)點

由于礦井軌道、高壓環(huán)境及小規(guī)模線框裝置的影響，在井下的探測深度很受限制，一般可以有效解釋110 m左右。礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應，這種響應來自回線平面上下（或兩側(cè)）地層，這對確定異常體的位置帶來很大的困難。實際資料解釋中，必須結(jié)合具體地質(zhì)和水文地質(zhì)情況綜合分析。礦井瞬變電磁法具有以下特點：

1）受礦井巷道的影響礦井瞬變電磁法采用了邊長1.8 m的多匝回線裝置，這與地面瞬變電磁法相比數(shù)據(jù)采集勞動強度小，測量設(shè)備輕便，工作效率高，成本低。

2）采用小規(guī)模回線裝置系統(tǒng)，因此為了保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量、降低體積效應的影響、提高勘探分辨率，特別是橫向分辨率，在布設(shè)測點時一定要控制點距，在考慮工作強度的情況下盡可能使測點密集。

3）井下測量裝置距離異常體更近，提高了測量信號的信噪比，經(jīng)驗表明井下測量的信號強度比地面同樣裝置及參數(shù)設(shè)置的信號強10～100倍。井下的干擾信號相對于有用信號近似等于零，而地面測量信號在衰減到一定時間段接被干擾信號覆蓋，無法識別有用的異常信號。

4）地面瞬變電磁法勘探一般只能將線框平置于地面測量，而井下瞬變電磁法可以將線圈放置于巷道底板測量，探測底板一定深度內(nèi)含水性異常體垂向和橫向發(fā)育規(guī)律，也可以將線圈直立于巷道內(nèi)，當線框面平行巷道掘進前方，可進行超前探測；當線圈平行于巷道側(cè)面煤層，可探測側(cè)幫和頂?shù)装逡欢ǚ秶鷥?nèi)含水低阻異常體的發(fā)育規(guī)律。

5）礦井瞬變電磁法對高阻層的穿透能力強，對低阻層有較高的分辨能力。在高阻地區(qū)由于高阻屏蔽作用，如果用直流電法勘探要達到較大的探測深度，須有較大的極距，故其體積效應就大，而在高阻地區(qū)用較小的回線可達到較大的探測深度，故在同樣的條件下TEM較直流電法的體積效應小得多。

3 探測布置

3.1 8115回風順槽探測布置

本次探測分水平0°、水平向上30°、水平向下30°和垂直四個方向掃描，水平方向掃描左右各50°范圍，每10°一個測點，共11個測點；垂直方向相似，掃描上下各50°范圍，每10°一個測點，共11個測點。探測方式即測線布置示意圖，如圖4所示。

3.2 8113回采工作面探測布置

分別在8113工作面回風順槽、運輸順槽布置探測點，探測點距為10 m。回風順槽布置91個探測點，運輸順槽布置91個探測點，共布置182個探測點。每個點探測7個方向，分別為：頂板45°、頂板30°、頂板 15°、頂板 0°、底板 15°、底板 30°、底板45°。探測長度約1 800 m。角度示意圖，如圖5所示。

圖4 探測方式即測線布置示意圖

圖5 瞬變電磁探測角度示意圖

3.3 探測區(qū)域及完成工作量

8115回風順槽的探測工作開始于2016年9月25日，在草垛溝礦8115回風順槽開口10 m處進行電磁法探測、每一次探測距離為120 m，每掘進90 m探測一次，在8115回風順槽S3點前49 m探測到上方有異常低阻區(qū)。

8113回采工作面圈成后于2016年10月在本工作面進行了瞬變電磁探測、根據(jù)探測結(jié)果分析其上方10 m、偏于8113運輸順槽有含水層局部破壞形成含灰層積水，如圖6所示。

3.4 綜合分析及建議

在探測結(jié)果出來后經(jīng)過本礦水文地質(zhì)技術(shù)人員綜合分析，確定8115回風順槽為上部8號煤層低洼處積水，8113回采工作面運輸順槽上部10 m條帶為含水層在掘進過程中破壞，形成的上部沙巖含水層積水。

建議一般情況下、在同一條件下巖石的電阻率不發(fā)生變化、但如果巖層發(fā)現(xiàn)裂隙或者充水那么巖石的電阻率就會發(fā)生大的變化。對異常區(qū)進行鉆探驗證，以確定有效的深度系數(shù)及電阻率系數(shù)，為以后電磁法探測工作積累數(shù)據(jù)保證探測精度。

圖6 回風順槽探測+30°上方異常區(qū)圖

3.5 結(jié)果驗證

物探測水結(jié)果出來以后，由地測科防治水技術(shù)人員會同探水隊從業(yè)人員分別對8115回風順槽和8113回采工作面進行了鉆探驗證設(shè)計、鉆孔驗證8115回風順槽以55 mm口徑鉆到8號層、排放積水約100 m3；在8113運輸順槽Wh19點處驗證排放含水層積水80 m3。

4 結(jié)論

物探手段在草垛溝礦的生產(chǎn)中形成了一種探測先行手段，結(jié)合鉆探對低阻異常區(qū)進行高效鉆探驗證，為該礦節(jié)省了大量的生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，同時也為調(diào)查采空區(qū)積水情況提供了一條有效途徑。