瞬變電磁和直流電法超前物探的對比研究

劉務全

（大同煤礦集團有限責任公司云崗礦地測科， 山西 大同 037017）

近10年來，在帶壓開采煤礦工程中，由于煤礦水害所造成的礦工死亡人數居高不下。此種現象不僅與安全生產理念背道而馳，而且嚴重制約著我國的經濟發展[1，2]。如若在開采煤礦過程中，施工工作面位于老空水之下，老空水則會順著縫隙、地質構造進入到工作地面，威脅到安全開采的生產進程。因此，在實際開采過程中，巷道掘進前需對整個巷道的地質情況進行必要的超前物探，重點包括一些有害地質構造，是否含有導水通道以及含水斷層。瞬變電磁[3]和直流電法[4]超前物探是目前應用比較完善的探測技術，兩種探測技術各自都存在哪些優勢以及劣勢，以及應用效果的研究對超前物探工作奠定了堅實的基礎，如此更進一步確保了安全開采，安全生產。

1 工程概況

本文選取I 型煤礦和II 型煤礦兩個帶壓開采煤礦為研究案例，其中I 型煤礦老空水的標高水層水位于+839 m；II 型煤礦老空水的標高水層水位于+878～+882 m。

通過綜合分析先前的地質資料以及結合兩種探測方法，I 型煤礦中，瞬變電磁超前物探總次數為78，異常所在67 處，所檢測到的異常與實際存在的水質情況占比為65.6%；直流探測法總探測次數為72，異常所在106 處，所檢測到的異常與實際存在的水質情況占比為41.5%。II 型煤礦中，瞬變電磁超前物探總次數為23，異常所在19 處，所檢測到的異常與實際存在的水質情況占比為42.1%；直流探測法總探測次數為36，異常所在70 處，所檢測到的異常與實際存在的水質情況占比為41.4%。

2 探測方法簡介

2.1 瞬變電磁探測技術

瞬變電磁探測主要基于巖石具有不同的導電性，通過向探測的目的地發送脈沖電流，被探測目的物如此被激發產生感生二次電流。根據在脈沖間隙所測量得到的二次場隨著響應時間的變化，如此來獲得被探測目標的電性變化。

具體表述如下：在斷開電流之前，在回線周圍的空間發射電流建立其穩定存在的磁場。當突然斷開電流時，原本由該電流所激發的磁場也隨即消失。這一磁場的所發生的劇烈變化，反而激發出感應的二次場。二次場的衰減規律與地質巖石的導電性緊密相關，當巖石導電性愈好時，二次場的衰減速度愈慢；反之，當巖石的導電性愈差時，二次場的衰減速度愈快。巖石地質異常則反映于巖石本身的導電性，如此可通過二次場的衰減規律間接的表征巖石的地質構造異常與否。

2.2 直流電法探測技術

在煤礦中進行直流電法探測，實則屬于全空間范圍內的電性勘測技術。它主要基于巖石具有不同的電性，在全空間的范圍下，根據電場理論基礎與礦井的地質問題掛鉤。它主要是通過研究在掘進工作時所發生的地層變化規律，涉及預測出含水及整個導水構造的發展情況，屬于電法勘測的技術范疇。

直流電法探測技術中，所包括的三極超前探點，其主要的電源分布以及電力線分布如下頁圖1 所示。在本圖中所示，發射電極位置定義為A 和B，測量電極定義為M 和N。B 發射電極與A 發射電極之間的距離為300～500 m，由于B 電極設置為無窮遠極，B 發射電極對巷道的電場分布范圍可以忽略，因此，電場分布可歸結于A 點電源的大致電場分布。

圖1 三極超前探點電源電位及電力線的分布

進一步布置三個供電電極A1、A2 和A3，M 和N 這兩個測量電極所測試得到的信號與Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ圈定的體積有關聯，若在掘進的工作面存在異常的地質體，M 和N 之間即存在電位差，如此便可確定出是否為異常體。最后，根據三極之間的交匯原理，進一步可確定出異常體的具體位置，具體圖示如圖2。

圖2 三極超前交匯

3 探測效果分析

該節主要以同煤某I 型煤礦和同煤某II 型煤礦為兩個應用實例，分別以瞬變電磁和直流電法超前物探異常地質構造，結合實際的探測結果，對這兩種方法進行分析對比，歸納研究出該方法的各自的優缺點以及最終的實用價值。

3.1 I 型煤礦的應用案例分析

3.1.1 探測效果

在I 型煤礦案例分析利用瞬變電磁物探主要存在2 處異常，分別是定義為[1]號和[2]號，其中[1]號在20～100m的工作面前方范圍內，其中底板的方向在于前方的40m處；[2]號在沿著順層的方向位置，前方于60～80m處以及沿著頂板方向，前方于70～90m處。利用直流電法進行物探工作面前方主要發現3 處異常地質構造，分別命名為1號，2號以及3號，其對應的工作面前方分別是34～37 m，65～70 m以及90～93 m。

經過兩種方法的探測總結得出，瞬變電磁物探出的[1]號和直流方法物探出的1號為接近的同一個異常位置；[2]號和2號位置接近也可視為同一個異常位置。

3.1.2 探測方法對比及效果分析

根據理論方法的探測效果，針對I 型煤礦的現場勘測結果表明，發現1號異常位置確實出現滲水、淋水現象；2號異常位置頂板處滴水；3號位置卻無實際的異常。

具體效果分析如下：

1）根據瞬變電磁具體探測出1號和2號異常位置，該結果表明此種方法具有較好的方向性，可對順層、頂板以及底板都有較好的探測，有著較好的橫向分辨率，主攻橫向異常地質構造。

2）根據直流電法物探技術，也可探測出1號和2號常位置，表明該方法有著較好的縱向分辨率，主攻縱向異常地質構造。

3.2 II 型煤礦的應用案例分析

3.2.1 探測效果

在II 型煤礦案例分析中，利用瞬變電磁沿著順層、底板以及頂板方向物探主要存在2 處異常，而頂板方向無明顯異常。其中，[1]號位于順層方向的工作面前方的0～50m之后；[2]號位于底板方向的工作面前方的0～40m之后。利用直流電探測方法，主要物探出3 處異常位置，其所屬的工作面前方分別為32～34 m、0～60m以及80～83 m。

綜合兩種方法物探結果分析判斷，對于瞬變電磁所物探的[1]號和[2]號位置，再結合直流電法探測分析，糾正為兩個均為沿底板方向的異常位置，且瞬變電磁所判斷的[1]號、[2]號位置和直流帶你探測法判斷的2號為同一異常地質構造。直流電測法物探的1號和3號位置則為水文和地質的相應異常位置。

3.2.2 探測方法對比及效果分析

針對II 型煤礦的現場勘測結果表明，1號異常位置在其煤壁位置存在淋水現象；2號異常位置存在打鉆出水現象；3號位置則處于斷層位置間的含水的裂隙帶位置。

具體的方法對比及效果分析如下：

1）瞬變電磁法在橫向位置上，檢測出2 處異常位置，充分顯示出該方法的橫向效率以及方向性。

2）直流電測法在本案例中探測結果較為精準，1號、2號以及3號異常位置分析準確，表明該方法較好的縱向分析效率。

4 結論

針對瞬變超磁和直流電探測方法的探測原理展開了詳細地闡述，并以同煤某I 型煤礦和同煤某II型煤礦作為實際的研究案例對其井下水質災害位置進行了預測以及實際異常位置的驗證。研究結果表明：瞬變超磁物探方法具有較好的方向性以及橫向探測效率；直流電探測法則具有較好縱向探測效率。通過將這兩種方法進行綜合對比分析，可以更準確地分析出井下水質異常構造位置，兩種方法優勢互補，可同時作為探測研究方法。同時，兩種方法簡單易操作，為后續水體災害的預測和及時防治提供了重要的實際應用價值。