瞬變電磁法在煤礦地質勘察中的應用

張 雷

（焦煤集團山煤國際鹿臺山煤業有限公司， 山西 沁水 048200）

瞬變電磁法在我國應用已有20 多年的歷史，但在20 世紀90 年代初，瞬變電磁法才應用于地下水勘探和煤礦水處理。經過近10 年的發展，瞬變電磁法在煤礦水文地質勘查中得到了應用，為煤礦水的防治提供了指導。

1 基本原理

礦井瞬變電磁法（礦井時域電磁法）：是一種基于電磁感應的時域人工源電磁探測方法。它的原理是使用不接地的Tx（磁源）向道路空間發射一個脈沖磁場（通常稱為一次磁場），并將其穿過。在一次場閉合時刻，在導電性好的礦體中激發的感應渦流是一個時間衰減的渦流場，它能激發出一個時變的感應電磁場（俗稱二次場）[1]。由于這個時刻變化的感應電磁場可以反映出各種各樣的地電信息，如導電性好的礦體的形狀、大小、位置、電導率等，利用接收線圈Rx 觀測脈沖磁場區間內的二次場（或響應場），將這些響應的信息提取出來并加以分析，從而我們就能達到檢測地質構造的目的[2]。工作原理如圖1 所示。

圖1 瞬變電磁法原理示意圖

依據接地的電極或者不接地的回線圈，瞬變電磁法進行波形電流的供給，在電磁場中，電流的發送供給不是一直持續存在的，相反，它是間歇性的。就是在這個時間間隔點，接線圈與地下的具有導電性能的導體相互感應，進而形成二次渦流場。由于地下礦體地質的導電性能參差不齊，所以我們就能知道被測區域大致構造，能夠大體勾畫出地下的大致地質情況，從而實現了勘探的基本要求。水作為一種導體，經常威脅煤礦的安全生產，所以瞬變電磁法經常被用于煤礦的水文地質勘探工作中，同時對煤礦的防水、治水工程也做出了很大的貢獻。

2 瞬變電磁法在實踐中的分析

瞬變電磁法在礦山收集的數據具有發射線框、發射電流、接收線圈等因素的影響，所以必要的時候要進行一體化。收集資料的過程中，硬件設計已經想到了壓制50 Hz 的干擾及隨機的干擾。然而這種壓制并不是那么徹底，還應該通過軟件進一步去除噪音，然后再進行正演和反演的各種計算。在實際的工作環境中存在多種干擾源，井下設置的電纜以及鐵軌等均會產生一定影響，若想保證數據采集能夠順利完成，信噪比能夠大幅提升，使得電磁噪聲能夠真正得到實現，可對瞬變電磁探測儀予以充分利用。依據礦區電磁干擾的實際情況來對觀測數據展開全面分析后發現，對瞬變電磁信號展開預處理時可以選擇小波變換方法，如此能夠保證突變、干擾的區分切實達成，去噪效果更為理想。

瞬變電磁法的資料解釋是以勘測區的物體性能的差異作為基本的條件，關鍵的環節是資料的定性分析。在礦區，瞬變電磁勘探資料的解釋分為以下兩步：首先要采集和調查準測區域已知的所有地質資料，從而更好地掌握被測地區的底層特性、目標層特性；然后做出實測點位的衰減時間曲線，從而分析視電阻率與時間的關系。

視電阻值的大小可以反應被測深度的深淺，可以把相同的電阻值測量點準確無誤的在平面上標注出來，進而可以繪制被測區域的平面圖，這種方法可以反應被測巖層的電性的一系列變化特征。然而在現實生活中，被測區域內的煤層地層一般都不是一個水平狀態來呈現的，所以當遇到這種情況的時候，繪制的平面圖就不能準確的映射出煤層底板附近的巖層電性的一系列變化。所以，在已知地質勘測資料足以能夠說明煤層底板等高線的情況下，計算被測區域每個點的視電阻率的反演值，并將計算的值與所測得的深度一同準確的標注在相匹配的被測點上，然后再畫出對應的平面圖，就得到了一份完善的地質勘探平面圖。這張圖能夠有效的反應出被測區域是否存在地質結構異常的區域，同時還能反應出異常區域的視電阻值，如圖2 所示。

圖2 瞬變電磁法視電阻率等值線斷面圖

因此，在地質勘探技術中，有效融入瞬變電磁法，能很好地反應被測區域的各種地質情況，并且還能有效預防煤礦的一些地質災害，為煤礦工人的生命安全以及國家的財產多了一份保障，在水文地質勘探方面同樣有重要的價值和意義。

3 應用實例

陜西某煤礦地表的海拔高度為29 m 左右，其中，主要可采煤層的地理標高在-350 m 左右。該礦曾經出現過透水事故，透水事故導致工作面被水淹沒，從而可以證明該礦煤層底板夾層水的分布不均勻，發育情況復雜，急需采取進一步的水文地質情況的勘探和解析的研究工作，從而使該礦井的防水治水工程項目能夠順利的實現。在收集野外資料的過程中，根據理論探測精度的要求，在勘探區域的范圍內按照20 m×50 m 的勘測網密度布置勘測網，發射的線圈采用550 m×550 m 的規格，供電的周期為75 ms，發射電流要超過11 A，電流的衰減范圍為8 ms 到8 μs。接收機采用100 μs，延遲收集時間。

通過觀察煤層底板砂巖周圍的視電阻率等值線，我們可以得到結論，低阻異常的位置位于勘測區域的東北部和中北部。推測該區域底板周圍的砂巖含水裂隙帶比較發育，除去F4 只有北部處于低阻區以外，其余5 個斷層都完全處在低阻異常區域范圍內，因此我們可以推測出以下結論：該層位的所有斷層中F1、F2、F3、F5 為相對富水，斷層F4 則為局部相對富水。由于煤層底板的裂隙含水帶不斷發育，在巷道的掘進過程中，會出現局部地區的淋水以及底板的出水現象。在近處的斷層更加嚴重，巷道的低洼處時不時有積水。煤層底板砂巖的含水層是煤礦的直接充水含水層。在12 點到24 點周圍，朝著F4 的方位打出4 個探孔，探孔的出水量在每小時上百方，斷層F4 正處于上述所指出的異常區內。

按照有疑必探的煤礦防治水原則，根據礦方提供已知資料，結合物探解釋結果，對巷道迎頭方向進行鉆探驗證，距離50 m 處鉆探見流水現象，在生產中采取疏通等安全措施，有效地保證了掘進工作面的安全生產。根據以上分析結果，可見礦井瞬變電磁法推斷異常積水區位置與鉆探揭露情況吻合，驗證了這種方法的有效性。與此同時，該煤礦在巷道掘進的過程中也證實了我們的推測，即異常區域確實存在于所圈定的范圍內。所以在此次煤礦勘探實例中，運用瞬變電磁法圈定出了影響煤層采出的含水區域，這次勘探也為煤礦防水、治水工程提供了理論依據。

4 結語

以陜西某煤礦透水事故為例，運用瞬變電磁法勘探該礦的煤層底板是否積水。勘測結果表明，煤礦瞬變電磁法測出該區域底板周圍的砂巖含水裂隙帶比較發育，除去F4 只有北部處于低阻區以外，其余5 個斷層都完全處在低阻異常區域范圍內證明該礦煤層底板夾層水的分布不均勻，發育情況復雜。由此，我們可以得出結論，礦井瞬變電磁法作為一種探測手段，能夠很好地應用于觀測礦井煤層底板附近的地質構造情況。綜上所述，在勘探深度合理的情況下，采用瞬變電磁法，可以達到不錯的導體反射能力，利用瞬變電磁法對斷層等根據地質勘探結果進行有效的探測和評價，做出聯合解釋，可以有效提高工作的準確性和可靠性，具有良好的社會效益和經濟效益[3]。由于水文勘探工作十分復雜，勘探人員有必要在總結已有經驗的基礎上，加強新技術、新方法的研究，從而提高煤礦水文勘探水平。