YCS40型瞬變電磁儀在井下超前探測中的應用

王社榮，同新立

(韓城礦業有限公司 地質測量部，陜西 韓城 715400)

0 引言

礦用本安型瞬變電磁儀超前探測水害在我國煤礦超前探水方面得到了比較廣泛的應用，取得了較好的地質效果，具有操作比較簡單、用人少和時間短，利用檢修時間探測不會造成停產的優勢，而該方法的最大特點是能夠掌握水災體的基本方向和大體距離[1-3]。韓城礦業公司購置了重慶煤炭科學院YCS40礦用本安型瞬變電磁儀并進行了探測條件的試驗研究。在熟練掌握操作工藝，摸索出符合韓城礦區適應條件及其探測的參數后，在3個生產礦井各煤層與巖層巷道，尤其是11號煤層受承壓水威脅的掘進巷道進行超前探測與直流電法的對比，以期取得相關的地質成果，為礦區水害超前治理的針對性措施制定提供依據。

1 YCS40礦用本安型瞬變電磁儀

1.1 瞬變電磁儀原理

瞬變電磁法是一種人工源的電磁法，工作時首先給發射線框供一直流電流，然后突然切斷電流，線框內電流將發生一個突變[4-8]。這種瞬態變化的電流將在空間產生一個瞬態的磁場，地下形成渦流；渦流隨時間的推移不斷地向地下擴散，擴散的速度與地下巖層的電阻率有關，延續時間擴散到不同深度；通過記錄地下渦流變化(即磁場變化率)的情況來達到了解地下地層視電阻率的目的。地下低視電阻率異常的地方一般為賦水區域，根據獲得的巖層介質視電阻率結合礦井地質資料綜合分析來圈定賦水異常區。

1.2 技術參數

本安型瞬變電磁儀主機部分：可選發射頻率有225 Hz、75 Hz、25 Hz、8.3 Hz、2.5 Hz，發射電流≤2 A，發射電壓≤8.5 V，疊加次數32～2 048次。采樣率16 us，采樣道數40道；存儲容量2 048測點，顯示240×128黑白點陣液晶顯示屏；傳輸接口為USB，防護等級1P54，整機毛重小于7.0 kg。

置可充電鎳氫電池發射部分：額定電壓8.5 V，電池容量4 Ah，工作時間3 h，重量小于1 kg。

天線：發射天線、接收天線正方形多匝重疊，回線邊長1.5 m，重量小于4.0 kg。

探測工作條件：允許在有瓦斯、煤塵的礦井中使用，工作溫度0～40 ℃，相對濕度40%～95%(25 ℃)，大氣壓力80～106 kPa。

1.3 本安型瞬變電磁儀特點

探測范圍：瞬變電磁儀是針對不同地質介質體的電性差異來解決超前探測手段，用于巷道目標前方頂底板及兩幫的探測，查清采掘面周圍賦水情況。

探測方向：瞬變電磁儀成為掘進超前探測含水地質體的一種新工具，間接圈定地下可能的異常富水區域，探測時間快，不影響生產；探測方向性明確，不易漏掉異常。瞬變電磁法屬電磁感應類，具有較好的探測方向性，但抗干擾性較差。

2 探測和軟件解析方法

2.1 井下探測方法

點位置探測時，瞬變電磁儀發射(接收)線框布置、探測方向與井下巷道關系，如圖1所示。長距離線型探測時，定距離間隔按探測方位實施點位置探測。

圖1 點位置扇形探測操作示意

2.2 軟件解析方法

本瞬變電磁儀軟件解析采用Sufer 8.0繪圖軟件，該軟件是一款自動化功能強大的科學類繪圖軟件，是地質工作者必備的專業成圖工具。Sufer 8.0可以輕松制作基面圖、數據點位圖、分類數據圖、等值線圖、線框圖、地形地貌圖、趨勢圖、矢量圖以及三維表面圖等；提供11種數據網格化方法，包含幾乎所有流行的數據統計計算方法；提供各種流行圖形圖像文件格式的輸入輸出接口以及各大GIS軟件文件格式的輸入輸出接口，大大方便了文件和數據的交流與交換[9-10]。由Sunfer 8.0解析提供的瞬變電磁探測成果圖，真實、清晰、質量高。

3 井下水害超前探測應用

YCS40礦用本安型瞬變電磁儀在韓城礦業公司井下使用以來，設定探測參數為發射頻率25 Hz、發射電流≤2 A、發射電壓≤8.5 V、疊加次數128次、發射天線邊長1.5 m(匝數10圈)、接收天線邊長1.5 m(匝數20圈)、抑制系數3。

3.1 象山煤礦井北采區11號煤北總回探測

北掘進面：在該巷北掘進面實施水平、斜下45°底板、垂向3個方向超前瞬變探測，其視電阻率等值線圖，如圖2所示。從探測成果圖上看，隨著探測距離的增大視電阻率值逐漸衰減，即探測范圍內無明顯異常。隨后的掘進也驗證了探測預報有效。

圖2 北掘進面視電阻率等值線

12號測點前11.3 m處：在該巷12號測點前11.3 m處，實施水平、垂向兩個方向超前瞬變探測，其視電阻率等值線圖，如圖3所示。可見，巷道影響范圍水平方向前方62～100 m、垂直方向斜上前方25～80 m，存在低阻異常區，推測該區域可能為弱賦水區；推斷由前方地質構造、頂板賦水及巷道后方鉆機、積水造成。鉆探、掘進證實，前方50 m遇構造、煤層頂板向下扎6°～10°、頂板破碎滴淋水嚴重；其低阻異常區由構造、頂板破碎裂隙賦水引起。

圖3 12號測點前11.3 m處視電阻率等值線

13號測點前方85 m處：在該巷13號測點前方85 m處，實施水平、垂向兩個方向超前瞬變探測，其視電阻率等值線，如圖4所示。可見，掘進面垂直方向前方70～100 m，上方10 m以下及底板下，存在一個相對較低的低阻異常區，如圖4(b)所示，推測該區域11#煤層頂板上部10 m以下存在裂隙水。巷道掘進影響范圍其它方向探測前方物性顯示為相對高阻區。鉆探、掘進證實預報異常區域地層正常、無構造揭露，引起低阻異常為其它原因造成。

圖4 13號測點前方85 m處視電阻率等值線

3.2 象山煤礦井北采區11號煤南總回探測

G號測點前方22.4 m處：在該巷G號測點前方22.4 m處，實施水平、垂向兩個方向超前瞬變探測，其視電阻率等值線，如圖5所示。探測顯示，掘進前方60～80 m、頂板上方20 m以下，存在一個相對較低的低阻異常區，推測該區域11號煤層頂板破碎，存在裂隙水。掘進證明該處頂板破碎有滴水現象。

圖5 G號測點前方22.4 m處視電阻率等值線

F號測點前11 m處：在該巷F號測點前11 m處，實施水平、垂向兩個方向超前瞬變探測，其視電阻率等值線圖，如圖6所示。從探測結果分析，垂直前方60～85 m、頂板上10 m以上，存在一個低阻異常區；推測該處11號煤層頂板上部可能存在裂隙水。掘進證實該段頂板較破碎。

圖6 F號測點前11 m處視電阻率等值線

3.3 下峪口煤礦1110采面1號回巷道探測

G2測點前方40 m處：11號煤層在G2測點前方40 m處實施水平、垂向、偏右幫45°垂向3個方向超前瞬變探測，其視電阻率等值線如圖7所示。從3條測線分析，巷道掘進影響范圍前方煤巖物性顯示均為相對高阻區，自近向遠隨著距離增大視電阻率值漸變衰減，即探測位置無明顯異常。該煤巷掘進過程中情況正常。

圖7 G2測點前方40 m處視電阻率等值線

G3號測點前方92 m處：在G3號測點前方92 m處，實施水平、垂向、偏左幫45°垂向向下的3個方向超前瞬變探測，其視電阻率等值線如圖8所示。由第1測線圖8(a)可見，1110備產面1號回掘進頭水平方向，巷道右幫10～28 m、前方0～20 m范圍內物性顯示為相對低視電阻率值，其余范圍及二、三測線圖中均為相對高阻區。在掘進煤巷過程中，未見明顯異常現象，圖8(a)顯示低視電阻率值區應為巷道后方綜掘進機影響所致。

圖8 G3號測點前方92 m處視電阻率等值線

3.4 干擾因素及主要技術措施

做好現場探測環境因素寫實：一般巷道均有高壓電纜線、安全監控系統傳感器電源線、溜煤槽、掘進機、鉆機、水管、流水溝，掌子頭積水等金屬或導電體，對瞬變探測的激發電磁場具有吸收和引導作用，從而影響到探測數據成果的準確性，探查時須標注各不良因素的位置關系或采取規避辦法。

減少干擾因素：①工作面停止作業，切斷設備電源，移走監控傳感器電源線；②掘進機等大型金屬物應移至探測范圍15 m以外；③布置發射、接收線框時遠離溜煤槽、局扇等金屬物，尤其是電纜、金屬管路不能橫穿線框。

4 結論

(1)YCS40礦用本安型瞬變電磁儀作為井下水害探測工具之一，對礦區11號煤層承壓開采巷道掘進頭、側幫實施了40個回次探測。其中31回次預報無異常，10個回次圈定9處低值異常區，經鉆探、掘巷驗證預報的異常區是有效的，準確性達75%以上，提供的水文地質資料真實可靠，效果比較明顯。

(2)利用瞬變電磁儀，可探測巷道掘進前方、頂底板、側幫一定范圍內巖層介質電阻率，推判出隱蔽含水地質構造及導水裂隙帶、發育位置方向和采空區積水的范圍。

(3)瞬變電磁儀具有體積小、重量輕，性能強大，系統結構緊湊，適于攜帶，操作智能，現場作業用人少、探測速度快，適合煤礦井下水害超前探測和應用等優點。在充分結合礦井地質、水文地質資料研究基礎上，能夠實現井下水害區域超前探測和科學預報，為礦井防治水工作提供技術支持。