瞬變電磁法超前探測在煤礦防治水中的應用

摘要：煤礦安全生產，關乎每名煤礦職工安全健康、家庭幸福以及社會和諧穩定，做好煤礦生產中每項工作、每一道工序、每一個細節的安全是每一名煤礦工作者義不容辭的職責和使命。水害防治則是煤礦安全生產管理中重要工作之一，隨著采掘作業深度的不斷加大，地層中不明水體、導水裂隙以及老空水對礦井安全生產造成極大危脅，如何準確探測和檢定采掘作業范圍水害風險，成為礦井水害防治的重中之重。論文以瞬變電磁法超前探測法工作原理及應用實例為基點，詳細闡述瞬變電磁法超前探測在礦井水害防治中取得的重要成果和意義。

關鍵詞：瞬變電磁法;探測原理;應用實例

一、瞬變電磁法超前探測

瞬變電磁法屬時間域電磁感應方法，是一種新型高科技物探技術手段。超前探測是通過對地層電性分布規律及電阻率進行超前探測和分析，判定探測范圍水體存在及分布情況的一種探測方法。該法快速，高效，方便，可以準確反映出采掘作業周邊范圍地質體的空間特征，為礦井防治水害提供了依據，更好的滿足礦井采掘超前預測，預報的要求。

二、瞬變電磁法超前探測原理及井下瞬變電磁法特點：

一）、瞬變電磁法探測原理：

在發送回線上供一個電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產生一個向發射回線法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵下，地質體將產生渦流（見圖2-1），其大小取決于地質體的導電程度，在一次場消失后，該渦流不會立即消失，它將有一個過渡（衰減）過程。該過渡過程又產生一個衰減的二次磁場向地質體內傳播，由接收回線接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地質體的電性分布情況（見圖2-2）。

瞬變電磁場在大地中主要以擴散形式傳播，在這一過程中，電磁能量直接在導電介質由于傳播而消耗，由于趨膚效應，高頻部分主要集中在地表附近，且其分布范圍是源下面的局部，較低頻部分傳播到深處，且分布范圍逐漸擴大。

二）、礦井瞬變電磁法具有以下特點：

1） 受礦井巷道的影響礦井瞬變電磁法只能采用邊長小于3m的多匝回線裝置，這與地面瞬變電磁法相比數據采集勞動強度小，測量設備輕便，工作效率高，成本低。

2） 采用小規?；鼐€裝置系統，因此為了保證數據的質量、降低體積效應的影響、提高勘探分辨率，特別是橫向分辨率，在布設測點時一定要控制點距，在考慮工作強度的情況盡可能使測點密集。

3） 井下測量裝置距離異常體更近，大大的提高測量信號的信噪比，經驗表明，井下測量的信號強度比地面同樣裝置及參數設置的信號強10～100倍。

三、瞬變電磁法超前探測礦井水害防治應用實例

萬利一礦始建于1994年，地處神府東勝煤田北邊緣，核定生產能力1000萬噸/年，井田區域地形較為復雜，整體為西北東南單斜構造，無大型地質構造發育，煤層賦存至上而下共19層，其中可采煤層12層。

為確保礦井安全、有序、可持續生產，按照煤礦安全生產規章、規程及井下防治水管理有關要求，井下采掘作業必須進行超前探測，消除化解水患風險，萬利一礦自2020年引進應用瞬變電磁法超前探測，取得了良好效果，為礦井水害防治發揮了重要作用。下面就兩典型實例加以介紹：

一）、瞬變電磁法探放水物探驗證

1、目的任務

根據生產接續安排，萬利一礦計劃2021年1月開始回采42204工作面，該工作面上覆有原萬利一礦一井22煤采空區，面積約16.2萬㎡，區域內積水約6.6萬m3。前期經鉆探疏放后，為準確驗證探放效果，確保工作面回采時不受水患影響和防止發生水災事故。

2、瞬變電磁驗證探測原理

YCS360A礦用瞬變電磁儀主要由主機和發射/接收線圈組成。主要是為了解決礦井中水害問題，工作原理如下所示：主機通過引線與發射/接收線圈連接，實現交互。測量時，先通過對主機進行測量參數的設定，并布置好發射/接收線圈進行工作，通過發射線圈向地下發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間利用接收線圈測量地下介質引起的二次感應渦流磁場，從而達到探測介質的電阻率的目的，數據經底層處理后上傳回主機。主機進行數據顯示、即時存儲，然后通過USB連接線將主機連接到計算機上，將探測數據導出，利用配套成圖軟件做出進一步處理與反演計算，從而根據成圖的有關參數具體分析得出探測結果，確定鉆探鉆孔布置方式。

3、方案設計與實施

經過探測數據綜合分析，在視電阻率圖上，若地層不受富水區或含導水構造影響，煤系的電阻率等值線變化穩定、有序，呈似層狀分布。圖1-1為探測位置垂直向上100m深度范圍內電阻率成果切片兩次探測結果對比圖，圖中用藍色表示相對低的電阻率值，橙紅色表示相對高的電阻率值。經分層對比分析，切片中部為31上回風大巷正上方，42204工作面正上方為探測區域北部，基本無低電阻值區，南部電阻值增加亦較明顯，可證明疏放水工作已達到預期目的。

4、實際生產驗證

現42204工作面已于2021年4月回采完畢，期間未出現異常涌水增加，

探放水達到預期效果和目標，瞬變電磁法探放水物探驗證的準確性得到充分驗證，也為礦井安全回采提供有力保障。

二）、瞬變電磁法掘進作業超前探測

1、工程概況及探測任務

根據煤礦防治水相關要求，為了確保31310輔運、主運順槽安全掘進，巷道掘進需對迎頭前方水文地質條件及富水性情況進行超前探測，為防治水和探放水方案制定提供技術依據。根據巷道現有條件，擬采用礦井瞬變電磁法在31310輔運順槽進行探測。

2、探測設計與實施

由于31310輔運、主運順槽兩巷間距為20米，采用雙巷并行掘

進，現場探測工作于31310輔運順槽掘進迎頭作業面進行。探測采用YCS360A礦用多通道瞬變電磁儀，根據現場實際情況，在31310輔運順槽F8點前15m迎頭位置處布置4個觀測點實施Mtem數據采集，每個觀測點采集7個方向數據，分別為頂板45°方向、頂板30°方向、頂板15°方向、迎頭掘進方向、底板15°方向、底板30°方向和底板45°方向，因此本次探測共采集4*7=28個數據?，F場觀測系統布置如圖3-1，表3-1為儀器采集參數。

3、瞬變電磁探測數據分析與解釋

瞬變電磁在礦井探水，探測構造中的解釋原則：主要從電性上分析不同地層的電性分布規律。煤層電阻率值相對較高，砂巖次之，粘土巖類最低。由于煤系地層的沉積序列比較清晰，在原生地層狀態下，其導電性特征在縱向上固定的變化規律，而在橫向上相對比較均一。當斷層、裂隙和陷落柱等地質構造發育時，無論其含水與否，都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規律。這種變化規律的存在，表現出巖石導電性的變化。當存在構造破碎帶時，如果構造不含水，則其導電性較差，局部電阻率值增高;如果構造含水，由于其導電性好，相當于存在局部低電阻率值地質體，解釋為相對富水。同樣如果有采空區，若采空區不積水，則其導電性較差，局部電阻率值增高;如果采空區含水，由于其導電性好，相當于存在局部低電阻率值地質體。

4、探測結論

根據本次礦井瞬變電磁法超前探測MTEM視電阻率擬斷面圖，綜合地質和水文地質資料，可確定橫向、水平深度和垂向深度電性變化情況，得出如附圖1萬利一礦31310輔運順槽瞬變電磁超前探測成果圖，解釋具體見附圖1所示。

5、圖中橫坐標為測點坐標（考慮到圖件的直觀展示，將橫坐標按實際的10倍放大顯示），縱坐標為沿探測方向距離，坐標系以巷道左幫與迎頭交點處為坐標原點，指向巷道右幫為X軸正方向，指向巷道正前方為Y軸正方向。根據現場探測條件，本次探測共得出7個視電阻率橫向剖面。根據瞬變電磁探測結果，結合相關的地質和水文資料，可確定橫向、水平深度及垂向深度電性變化情況，綜合分析探測前方120m范圍內視電阻率值整體較高，均大于10，富水性較弱。

6、生產實際驗證

現31310輔運順槽已掘進1000余米，先后采用瞬變電磁超前探測3次，探測結果相近，均為弱富水性，在實際施工作業中涌水正常，與驗證結果相吻合，為安全掘進和水害防治提供有力技術保障。

瞬變電磁超前探測經萬利一礦多次應用驗證，其探測成果準確可靠，操作方便快捷，可為礦井水害探測防治提供重要理論和技術保障，在煤礦安全生產中值得推廣和應用。

作者簡介：王永志（1976.3-）：男，內蒙古托克托縣人，漢族，畢業于內蒙古科技大學，本科學歷，工程師，從事礦井瓦斯抽放、探水技術管理工作多年。