礦井瞬變電磁超前探測技術在石墨礦中的應用

古 瑤，王施智，崔江偉，萬宏偉

(陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西西安 710005)

0 引言

石墨是一種非金屬礦產，具有一系列的優良性能，廣泛應用于冶金、化工、機械、醫療器械、核能、汽車、航空航天等行業，具有很大的開發利用價值。但在其開采過程中由于各種原因導致事故頻發，主要形式為中毒、瓦斯爆炸及突水，這些災害都將會給企業造成不可挽回的損失，目前瓦斯和中毒尚無具體應對方法，而針對危害較大的突水事故，則可以提前進行采空區、富水異常區的探測，以達到預防的目的，因此各種水體探測方法應運而生，超前探測就是其中一項重要措施。

據以往資料統計，目前探查掘進迎頭前方地質體信息的主要手段有兩種:一是鉆探方法，該技術能直觀、準確地反映出所探查區域的地質體信息，但其效率低，成本高，且具有一定的盲目性和危險性;二是礦井物探方法，其主要技術手段可分為礦井直流電測深法和礦井瞬變電磁法。傳統的直流電法技術雖然理論成熟，但其工作效率低、且受高阻屏蔽影響，資料解釋較復雜。而瞬變電磁為非接觸式探查技術，因此不受巷道耦合條件影響，加上其施工快捷、體積效應小、探測距離大、指向性強、不受高阻層屏蔽等優點，近年來被廣泛應用于煤礦工作面頂底板賦水情況預測預報中。

1 礦井瞬變電磁勘探技術

礦井瞬變電磁勘探屬于全空間效應的勘探方法［1］，通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間的變化規律，可總結出不同深度的地電特征［2］。礦井瞬變電磁勘探技術利用不接地回線在井下巷道內設置發射線圈，之后通以一定電流，隨之發射電流會在其周圍導電巖礦體中間產生穩定的一次場和感應電流。在斷開電流之前，其會在回線范圍內產生一個穩定的磁場。由于電磁場在空氣中傳播速度很快，而在t=0時刻，電流突然斷開，由其產生的磁場也立即消失，一次電磁場突然變化的結果首先傳播到距離發射線圈最近的巷道頂、底板和側幫的巖層中，在此過程中，感應電流的分布是不均勻的，在緊靠發射線圈最近的巷道頂、底板及側幫最強，隨著時間的推移，巷道周圍的感應電流逐漸向外擴散，強度逐漸減弱，分布趨于均勻。在斷開發射電流的任一時刻，感應電流在巷道內產生的磁場可以等效為一個水平環狀的電流磁場，俯瞰這些等效電流環像從發射回線“吹”出來的一系列“煙圈”，這些“煙圈”將巷道頂、底板導電巖層中渦旋電流向外擴散的過程形象地稱為“煙圈效應”，如圖1所示。這種效應遇到構造和富水區域會發生異常變化，分析這種變化即可探測出地質構造和富水區域。

圖1 “煙圈效應”示意圖

2 應用實例

2．1 礦區概況

本次探測區位于湖南省郴州市魯塘鎮某石墨礦，屬接觸變質型隱晶質石墨。礦體產于二疊系龍潭組煤系地層中。魯塘鎮是全球最大的土狀石墨產地，最好的石墨礦就藏在北湖的魯塘。在過去的幾百年中，亂采亂掘現象嚴重，不僅礦井密度大，而且巷道上下重疊，左右交叉，“樓中樓”“洞中洞”現象普遍，井下巷道縱橫交錯，所有廢棄巷道和采礦區都停止了排水，也沒有采取任何充填措施，積水嚴重，一旦穿透，將殃及所有聯通礦井。因此本區主要安全隱患就是突水事故。

2．2 裝置形式

根據之前礦井直流電法的應用研究及相關技術，將瞬變電磁法應用于井下時，基于井下環境的限制，采用多匝——小回線形式的裝置來探查不同位置和方向的地質構造和富水情況，使其更適應井下狹小的空間環境且更具方向性。

2．3 數據采集

探測區具體位置位于南方石墨煤五礦財源副井－13 m水平東主運輸巷，使用儀器為YCS512礦井瞬變電磁儀。根據巷道的實際情況，經過模擬試驗，決定采用1 m×1 m正方形回線(重疊回線裝置)，發射回線20匝，接收回線40匝，電流3．2 A進行施工。

根據礦井水文地質資料分析，首先確定巷道迎頭前方可能發育的含水構造距迎頭的距離，依據瞬變電磁場“煙圈效應”理論，結合井下巷道的實際條件，將測量裝置按照前述的方法布置在巷道迎頭附近，確保巷道迎頭前方可能發育的構造在一次場輻射的錐體范圍內，根據電磁感應定律，有較大構造的位置產生的感應渦流場與無較大構造處存在明顯不同，在一次場關閉后，接受回線中將感應不同的二次場。如果構造不在一次場輻射的錐體范圍內，將不會產生異常的感應渦流場。因此，礦井瞬變電磁探查方向設計的準確性直接影響到其探測效果［5］。

在巷道迎頭施工時，測點的空間布置如圖2所示。從巷道迎頭的一側開始，以15°的間隔，依次按照與迎頭正前方不同夾角進行扇面掃描，直至另一側結束，如圖2共布置15個掃描方位，左幫5個(左90°～左30°)，迎頭正前方5 個(左15°～右15°)，右幫5個(右30°～右90°)，形成對迎頭左前方、正前方、右前方的探測(如圖3所示)，從而可以在全空間范圍內確定是否有含水的低阻異常體。

2．4 數據處理

數據采集完成后，首先對數據進行整理，之后進行處理。瞬變電磁法資料處理基本工作流程如圖4所示。

圖2 超前探測扇形掃描方向示意圖

圖3 超前探測方位布置示意圖

圖4 瞬變電磁法資料處理流程圖

數據讀取及顯示:包括數據讀取、曲線顯示、測點編輯等功能，在此模塊可以檢查曲線形態是否符合地質規律，對曲線進行手動編輯等。

曲線圓滑:主要是利用小波變換對曲線進行圓滑處理。

視電阻率計算:利用編輯矯正后的數據計算得到其視電阻率值。

視深度計算:利用前面模塊的計算結果，采用相應公式計算視深度。

坐標轉換:對超前探測結果進行坐標轉換，得到相應的扇形圖。

自動常規處理:此模塊是對上面各種模塊功能的集成，一般利用此模塊可以一鍵完成上述的全部處理工作。

自動繪圖:自動鏈接內嵌的繪圖軟件，繪制視電阻率等值線圖。

2．5 數據資料解釋

在數據采集處理完成后，對數據進行了初步的解釋。圖5、6、7分別是在石墨礦迎頭不同方向上進行超前探測的結果扇形圖。

圖5 頂板45°方向超前探測扇形圖

圖6 順層方向超前探測扇形圖

圖7 底板45°方向超前探測扇形圖

不同的巖石具有不同的導電性，因此各個地層的電性變化也呈現一定的規律性，當地層沉積環境整體較均勻，無大的構造異常時，等值線在扇面圖上即呈似層狀分布，變化較平緩;相反，當巷道迎頭前方存在較大的未知構造或采空區時，會破壞巖層的整體性，從而使巖層電性產生明顯差異，等值線發生扭曲、變形、圈閉或呈密集條帶狀等。通過分析巷道左、右側幫與迎頭前方的視電阻率等值線圖，可以看出巖層電性變化明顯的位置，從而通過對數據的分析解釋，推斷出未知構造的位置，其對含水構造效果尤其明顯。

由于礦井瞬變電磁法屬于全空間的探測方法，因此在資料解釋過程中，結合井下環境及周圍地質情況，不只是基于視電阻率異常來劃分圈定富水異常區。

本次探測深度約75 m，以相對低阻圈定異常區，在頂板45°方向圈定異常2處，如圖5所示，1號異常位于巷道頂板右側60°～75°方向30～50 m之間，2號異常位于巷道頂板左側15°方向30～60 m之間;在順層方向圈定異常3處，如圖6所示，1號異常位于巷道頂板右側60°～75°方向30～50 m之間，2號異常位于巷道頂板左側15°～0°方向30～65 m之間，異常范圍較大，3號異常位于巷道頂板左側30°方向40～70 m之間。

綜合對比3幅扇形圖可知，在巷道右側60°～75°方向30～50 m之間均存在相對低阻異常，在井下實際施工過程中，該方向流出含有臭雞蛋味的水，且頂板異常視電阻率值相對較低，推斷頂板方向存在采空積水區;在巷道15°～0°方向30～65 m之間存在相對低阻異常區，且順層方向異常范圍較大，推斷前方存在石墨的可能性較大。經后期礦方掘進驗證，探測結果與實際地質情況完全吻合。

3 結語

礦井瞬變電磁法在超前探測方面具有方便快捷、施工效率高、成本低、對空間要求不高等優點，具備其他方法不可比擬的優勢，同時能快速得出結果，極大地保證了掘進工作的進度。實踐證明，瞬變電磁超前探測在石墨礦防治水工作中應用效果明顯，在視電阻率圈出的低阻異常的基礎上，結合井下現場情況及水文地質情況，能較為準確地圈定出富水異常，為疏放水打鉆工作提供靶區，可作為石墨礦井下防治水工作的重要手段。