瞬變電磁法在井田邊界附近區域探測中的應用

劉洪青 劉翔 孫中寅

摘 要：瞬變電磁法在煤礦地質構造及富水性探測等方面得到了廣泛的應用，并取得了令人滿意的效果。本文介紹了瞬變電磁法在王晁煤礦南邊界地質構造及富水性探測中的應用。

關鍵詞：瞬變電磁;煤礦;井田邊界;地質構造;富水性;探測

中圖分類號：TD745.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）01-0169-02

0 引言

在煤礦采掘前查明整個采掘區域地質構造的發育程度及水文地質情況（查清水源、涌水通道及富水區等），以便于采取相應的防治措施，已成為煤礦關注的重點。瞬變電磁法作為一種新興的物探方法，它具有體積小、分辨率高、對低電阻反應靈敏、與探測地質體有最佳耦合、受旁側地質體影響小等特點，近年來其在煤礦探測復雜地質構造、查明水文地質情況等方面得到了廣泛的應用。

利用礦井瞬變電磁法超前探測巷道掘進迎頭前方的地質構造及其富水性，在煤礦安全生產中發揮了極其重要的作用。隨著開采工藝和技術的不斷發展提高，對巷道前方煤巖層和地質構造的富水性探測精度要求越來越高。特別是當前綜采綜掘開采技術的推廣應用，對這方面的地質要求更高。巖層含（富）水性的一般探測方法有直流電法、電磁法等，探測方式既可以在地面探測也可以在井下探測。地面探測一般以直流電法、大地電磁法、地面瞬變電磁法為主;井下探測則以直流電法、音頻電透視法、礦井瞬變電磁法為主。近幾年來，隨著礦井物探技術的發展和提高，礦井瞬變電磁法在礦井煤巖層的含（富）水性探測方面發揮了越來越重要的作用。由于采用小線圈測量技術，可有效降低其體積效應的影響，提高探查分辨率，特別是橫向分辨率，另外，由于井下探測儀器裝置距離地質異常體更近，可大大提高測量信號的信噪比。本項目利用礦井瞬變電磁法對205采區軌道巷迎頭前方的地質構造及其富水性進行了精細探測，力爭滿足高產高效、安全生產的要求。

1 瞬變電磁法基本原理

它是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，在一次場間歇期間，利用回線或電偶極觀測二次渦流電磁場的方法。其基本工作方法是：于地面或空中設置通以一定波形電流的發射線圈，從而在其周圍空間產生一次電磁場，并在地下導電巖礦體中產生感應電流，斷電后，感應電流由于熱損耗而隨時間衰減。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小，而晚期成分則相當于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規律，可得到不同深度的地電特征。通過分析研究二次渦流電磁場的時空分布規律，來解決各種地質問題。

2 典型實例

本項目利用礦井瞬變電磁法對棗莊王晁煤礦有限責任公司南邊界205采區軌道巷迎頭前方的地質構造及其富水性情況進行探測。

2.1 測區地質概況

棗莊王晁煤礦有限責任公司205采區軌道巷沿12下煤層掘進，當該工作面掘至距井田南邊界約150m，煤層傾角達15°以上，比礦區內12下煤層傾角5～10°有所增加，迎頭有少量淋水，經取樣水質分析，內含少量NO3陰離子，表明附近有人類活動，推測級索煤礦采空區積水已滲透至王晁煤礦205采區軌道巷迎頭位置，級索煤礦曾越界開采王晁煤礦的煤炭資源，在采空區留下積水。按煤層底板標高與南部相鄰礦井（級索煤礦）對比，推測原位于兩礦之間的井田邊界張坡斷層（原認為張坡斷層傾角70°、落差80m）可能不存在或落差大大減小。為進一步查清該掘進工作面前方地質構造發育情況及水文地質條件，采用井下瞬變電磁探測技術探明迎頭前方150m，中心角50°的扇形區域范圍內的地質構造發育及其富水性情況。

2.2 數據采集及處理

本次井下瞬變電磁法探測工作采用加拿大生產的TEM-47型礦井專用瞬變電磁儀。根據205采區軌道巷的實際空間條件，在掘進迎頭測量時，采用中心偶極測量裝置，發射線框從巷道中線方向偏左30°方向開始測量，依次為左30°—左25°—左20°—左15°—左10°—左5°—正前方0°—右5°—右10°—右15°—右20°—右25°—右30°。接收線框距離發射線框12m，與發射線框同方向同步旋轉。為確保測量精度，共測量兩遍。本次瞬變電磁法探測工作，共完成瞬變電磁物理點29個，其中測量物理點26個（13個×2遍），試驗物理點3個。礦井瞬變電磁法在井下巷道中采用多匝數小回線測量裝置，經現場試驗，確定裝置參數如下：回線邊長：2m×2m;回線匝數：64;同步模式：線同步;重復頻率：30門;發射電流：2.7A;關斷時間：230μs;測量裝置類型：迎頭探測采用中心偶極測量裝置。

經過對測量數據進行了處理，根據地層的電性特征，設計了多級表示視電阻率的色譜，形成了視電阻率色譜斷面圖。

2.3 成果及其驗證情況

主要解譯圖件是二維電阻率斷面圖，該圖件用于解譯斷層位置及煤巖層的富水性情況。依據前述地球物理特征，對電性特征進行研究，圈定了斷層發育（見圖1 205采區軌道巷瞬變電磁探測成果解譯圖）。其中：（1）迎頭前方44～65m位置為一低阻異常區，異常區總體形態呈低阻串珠狀，是典型的富水型斷層異常，異常區（帶）走向NNE～SSW，結合礦井地質構造發育規律，解譯為正斷層，傾向NWW，傾角60°，落差10～15m。該斷層南與“張坡斷層”相交。（2）張坡斷層落差已減小至10～20m。級索煤礦12W105中運、12W103下材、12W103中運、12W101下材所揭露的落差5～8m的斷點，應當是現張坡斷層的斷點。（3）據級索煤礦資料，12W105中運、12W103下材、12W103中運、12W101下材揭露“張坡斷層”時，有較大淋水?，F級索煤礦12W105、12W103、12W101工作面采空區已大量積水，其積水可通過“張坡斷層”斷層破碎帶、12下煤層頂板砂巖裂隙等通道滲入補給本次所探明的斷層破碎帶，這是205采區軌道巷迎頭淋水的主要原因。

瞬變電磁法工作成果經鉆探驗證，其與鉆探結果吻合較好，為205軌道的安全掘進提供了可靠詳實的地質資料。

3 結語

經探測實踐表明，瞬變電磁探測法具有高精度、高分辨率的瞬變電磁儀器在選擇合理的技術參數的情況下，在解決精細地質問題方面顯示了獨特的優勢，能夠較好的解決井下復雜地質構造及水文地質方面的地質問題，取得令人滿意的效果。另一方面對于復雜地質構造及水文地質方面的探查，瞬變電磁法相較于其它方法是一種經濟、快速，行之有效的物探方法，具有廣泛的應用前景。