礦井瞬變電磁在老巷探測中的應用*

張龍科，羅榮榮

(1.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021；2.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

石墨是一種良好的導電導熱材料，并且化學性質及在高溫條件下穩定，是一種非常重要的非金屬礦物資源。在南方地區，由于地理位置的限制，機械化程度極低，原先的開采工作以人工為主，采掘面極不規范。由于以前采掘技術的落后和采掘布置的不規范，造成了石墨資源的極大浪費和遺漏。為了響應國家號召整合資源，需要重新開采該稀有資源。大多數礦井在原有的基礎上，重新實施科學規劃采掘工作，由淺至深對殘余的石墨資源二次挖掘。以往的挖掘工作基本沒有圖紙，沒有科學的規劃，造成了礦井中的巷道縱橫交錯，它們的空間位置關系極為復雜，因此井下超前物探非常有必要。目前井下的超前物探方法較多，主流的直流電法超前探以及瞬變電磁法超前探等等。直流電法超前探主要應用于地層傾角不大，導水性較好的構造，施工條件較復雜。根據目前掌握的地質概況，本次勘探地點的水平面較高，地層內以往開掘的老巷道水體已經流入低水平，大多數不含水，而且圍巖比較堅硬，不利于直流電法電極的導電性，因此本次勘探中選用了施工方法簡便，效率較高的礦井瞬變電磁勘探。利用礦井瞬變電磁勘探的高效、簡便為礦井后期的采掘工作提供有力的安全保障。

1 礦井瞬變電磁原理與特點

在各向同性大地表面敷設一個面積為S的矩形發射線框，在線框中供以階躍脈沖電流I(t)，在電流未關閉時t<0，發射電流會在線框周圍形成一個穩定的磁場，該磁場會激發周圍的圍巖產生電磁感應，感應的深度和體積與該發射電流的頻率和大小有關。在t=0時刻突然將電流斷開，該線框電流在圍巖周圍產生的電磁場會立即消失，這一劇烈變化會使得周圍的圍巖激發出感應電流從而維持自身之前存在的磁場，使得空間的磁場不會立即消失。由于圍巖的歐姆損耗，這一感應電流會迅速的衰減，由此產生的磁場也隨之衰減，衰減的磁場重新感應出新的強度更弱的渦流。這一過程重復下去，直到圍巖的歐姆損耗將新的磁場能量消耗殆盡。這一復雜的變化便是電磁感應的過程，由于此過程變化時間短稱之為瞬變電磁感應。在t=0時刻電流突然斷開，由于地表的位置離發射回線最近，所以最初激發的感應電流主要來自地表，在地表各處感應電流的分布不是均勻的，但是隨著時間的推移，感應電流會逐漸向下向外擴散，逐漸減弱，趨于均勻。任一時刻地下感應電流可以等效為一個水平的環狀電流的磁場，效果看起來像從發射回線“吹”出來的一層層“煙圈”，因此，人們將地下渦流旋電流向下、向外擴散的過程形象地稱為“煙圈效應”。基于“煙圈效應”的觀點，早期的瞬變電磁場是由地表的感應電流產生的磁場，主要反映的是地層淺部的地電特征；晚期的瞬變電磁場是由地層中深部的感應電流產生的磁場，主要反映的是地層中深部的地電特征。因此，觀測大地瞬變電磁場變化，得出了大地電位的垂向變化，這就是瞬變電磁原理。將該理論運用于地下礦井，于是就形成了礦井瞬變電磁理論。由于礦井瞬變電磁勘探在井下進行，采用非接觸式、小回線、多匝數的裝置進行井下勘探，與地面勘探相比具有工作裝備輕便、工作效率快、采集速度快、作業成本低等優點。目前礦井瞬變電磁的工作裝置主要有重疊回線和偶極-偶極裝置，重疊回線地質響應強施工方便，一次場影響較大；偶極-偶極收發線圈互感影響小，消除了一次場影響，但二次場比較弱，分辨率較差，因此采用重疊回線比較可靠。采用的重疊回線裝置線框大小一般在1～3 m之間，體積效應小，勘探的分辨率高一點。

2 儀器方法

本次井下瞬變電磁法探測儀器為國產YCS512礦用本安型瞬變電磁儀。該儀器依據時間域全空間瞬變電磁場的基本原理，通過發射線圈向地質體發射瞬變一次場，通過接收線圈測量迅速衰減的電場在其周圍的介質中感應出新的渦流場(二次場)隨時間的變化特征，分析感應場所覆蓋的地質體按電性特征的空間分布規律，并進行信號處理、干擾校正、算法反演、時深轉換及成圖處理，進而得到地質異常體的分布、規模、形態等信息。

2.1 YCS512礦用本安型儀器主要特點

探測盲區?。合到y關斷時間和背景場分離技術，配合高密度時窗序列，可大大提高淺層地質分辨能力，減少勘探盲區。

現場解析：提供現場解析功能，用戶可以在測試現場快速得到較為精細的等值線成圖結果。

專利線圈：可在同一線圈上設置不同發射線圈匝數和調整發射傾角，提高測試的靈敏度。

抗擾力強：實現現場干擾抑制，大幅度提高數據采集的質量和有效時長，在同場條件下提高有效的地質測深能力。

專用平臺：采用自主設計的雙核處理平臺，提供多核、高效的數字信號處理能力，并可遠程固件升級。

測道可調：儀器有20-512測道任意選設，可提高測點分辨率，減少體積效應。

操作簡單：系統提供一鍵采樣和一鍵恢復功能，以及在線幫助系統，大大方便用戶的操作使用。

2.2 勘探參數

裝置類型為重疊回線；線框大小為1 m×1 m(其中發射20匝接收40匝)，發射電流3.0 A；頻率為6.25 Hz；疊加次數32次。礦井瞬變電磁進行超前勘探施工前，要盡可能保證巷道的迎頭斷面整齊，巷道空間距離大于裝置的回線長度，距離巷道迎頭5 m外的機械設備等金屬體要撤離以免影響施工效果。采用本次勘探施工條件，正常情況下井下一個迎頭的工作時間為30 min，2 d內能夠提供初步的物探成果，既不影響巷道的正常施工還可以迅速指導井下施工。

3 應用實例

該礦區以開采石墨為主，地層分布情況為奧陶統峰峰組、上石炭統太原組、下二疊統山西組及下石盒子組、上二疊統上石盒子組及孫家溝組和第四系。根據鉆井資料該區內的物性較為穩定的特點。本次勘探位于某礦區+360水平巖石巷道，水平面位置較高，推測該區域的石墨層老巷道一般為低阻反映，巖石巷的老巷道一般為較高阻反映，以此為依據，進行了瞬變電磁超前勘探。對巷道水平方向進行了物探，物探成果如圖1(a)所示，由圖得知探測區域內地質情況穩定，未發現明顯低阻區域，但在高阻成分中發現了異常1和2，并且該異常成橫向條帶狀分布，通過對該異常的全面分析，認為這2個高阻異常為同一個地質構造，結合周邊地質資料，推測該異常巖石巷道的廢棄老巷，含水性較小。礦方拿到物探資料，及時組織鉆探驗證，水平方法鉆進5 m后發現該異常，鉆孔未見水。后期的掘進過程發現了該老巷，該老巷為一條自左向右的下山，下山有細小流水無積水，如圖1(b)所示。通過此次超前勘探，驗證了瞬變電磁勘探在老巷探測應用中的可行、有效。

圖1 物探成果與實際地質模型對比

4 結語

勘探深度大約60 m，采集設備輕巧，儀器操作簡單，工作效率高，物探成果與地質情況較吻合，滿足了礦方生產實際需要。瞬變電磁超前勘探在老巷中的應用，其結果可行有效。為礦方在該水平的后期掘進提供可靠保障。運用該探測方法不僅可以幫助礦方解決水害問題，還可以找到老舊巷道，減少礦方掘進新巷道的費用，起到事半功倍的效果。