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(1.福州华虹智能科技开发有限责任公司;2.新汶矿业集团地质勘探有限责任公司)
(1.福州华虹智能科技开发有限责任公司;2.新汶矿业集团地质勘探有限责任公司)
摘 要：瞬变电磁勘探对低阻充水区域具有反映特别灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高等优点，在赵官煤矿1701E下工作面底板的探测中为矿井防治水提供技术支持和保障。赵官煤矿探测迎头前方受断层影响，可能存在导水裂隙或含水构造，在地球物理上表现电性差异，因此采用瞬变电磁法探测迎头前方电性分布情况，为巷道安全掘进提供可靠水文地质参数。
关键词：瞬变电磁、赋水区、导通性
1 引言
赵官煤矿隶属于新坟矿业集团有限责任公司，设计年生产能力90万t。该矿为地质构造复杂， 为进一步了解赵官煤矿1701E下工作面底板含水层的富水性，受山东新矿赵官能源有限责任公司委托，对该工作面的底板进行了瞬变电磁法勘探。本次探测使用仪器为福州华虹智能科技开发有限责任公司研制的YCS40(A)型瞬变电磁仪。
2 瞬变电磁探测方法技术
2.1 探测地球物理条件
从岩性物性差异的角度，一般变化规律认为泥岩、粉砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩到煤层、灰岩，电阻率逐渐增高，即煤层、灰岩相对其它岩层为高电阻率阻层，若岩层含水，则随着其含水率的增加电阻率值减小，因此岩层电阻率发生变化除与岩层岩性本身有关外，其含水性也起决定作用，故在灰岩等高阻地层中，地层含水，表现为低电阻率值;相反，则表现高电阻率值。
2.2 基本原理
瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。其探测原理是：在发送回线上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向掌子面传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。如按不同的延迟时间测量二次感生电动势V(t)，就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程;当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而发现导体的存在(如图1)。瞬变电磁场在大地中主要以“烟圈“扩散形式传播(图2)，在这一过程中，电磁能量直接在导电介质中传播而消耗，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。
1 引言
赵官煤矿隶属于新坟矿业集团有限责任公司，设计年生产能力90万t。该矿为地质构造复杂， 为进一步了解赵官煤矿1701E下工作面底板含水层的富水性，受山东新矿赵官能源有限责任公司委托，对该工作面的底板进行了瞬变电磁法勘探。本次探测使用仪器为福州华虹智能科技开发有限责任公司研制的YCS40(A)型瞬变电磁仪。
2 瞬变电磁探测方法技术
2.1 探测地球物理条件
从岩性物性差异的角度，一般变化规律认为泥岩、粉砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩到煤层、灰岩，电阻率逐渐增高，即煤层、灰岩相对其它岩层为高电阻率阻层，若岩层含水，则随着其含水率的增加电阻率值减小，因此岩层电阻率发生变化除与岩层岩性本身有关外，其含水性也起决定作用，故在灰岩等高阻地层中，地层含水，表现为低电阻率值;相反，则表现高电阻率值。
2.2 基本原理
瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。其探测原理是：在发送回线上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向掌子面传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。如按不同的延迟时间测量二次感生电动势V(t)，就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程;当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而发现导体的存在(如图1)。瞬变电磁场在大地中主要以“烟圈“扩散形式传播(图2)，在这一过程中，电磁能量直接在导电介质中传播而消耗，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。
图1 良导体瞬变电磁感应原理图
图2 全空间电磁场“烟圈”扩散示意图
2.3 仪器设备
矿用瞬变电磁仪对低阻充水区域反映特别灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高，且施工方便、快捷、效率高等优点，既可以用于煤矿掘进头前方，也可以用于巷道侧帮、煤层顶、底板等探测，为煤矿企业在生产过程中水患和导水构造的超前预测预报提供技术手段。
除在硬件设备上具有较多优点外，在软件解析中除集成了经典和专家的时间域瞬变电磁法勘探理论、技术与方法外，还添加了矿井信号校正方法及更为独特有效的信号分析处理方法。利用一次场波形发射和二次磁场接收，结合软件分析解释，可以进行复杂的含水地质构造探测。
3 探测布置
3.1 工作装置的现场布设
根据多匝小回线发射电磁场的方向性，可认为线框平面的法线方向即为瞬变电磁探测方向。因此，将发射、接收线框平面对准底板方向进行探测，便可反映巷道底板的地质异常。根据这个原理结合本次的探测目的，对底板探测时可将重叠回线装置平行于巷道底板，使线框平面的法线与底板垂直。具体探测方向如图3所示。
矿用瞬变电磁仪对低阻充水区域反映特别灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高，且施工方便、快捷、效率高等优点，既可以用于煤矿掘进头前方，也可以用于巷道侧帮、煤层顶、底板等探测，为煤矿企业在生产过程中水患和导水构造的超前预测预报提供技术手段。
除在硬件设备上具有较多优点外，在软件解析中除集成了经典和专家的时间域瞬变电磁法勘探理论、技术与方法外，还添加了矿井信号校正方法及更为独特有效的信号分析处理方法。利用一次场波形发射和二次磁场接收，结合软件分析解释，可以进行复杂的含水地质构造探测。
3 探测布置
3.1 工作装置的现场布设
根据多匝小回线发射电磁场的方向性，可认为线框平面的法线方向即为瞬变电磁探测方向。因此，将发射、接收线框平面对准底板方向进行探测，便可反映巷道底板的地质异常。根据这个原理结合本次的探测目的，对底板探测时可将重叠回线装置平行于巷道底板，使线框平面的法线与底板垂直。具体探测方向如图3所示。
图3 瞬变电磁法探测方向示意图
3.2探测区域及完成工作量
探测区域为1701西工作面底板，共布置264个测点，每个测点探测一个方向，探测底板方向120m范围内的富水情况。
探测区域为1701西工作面底板，共布置264个测点，每个测点探测一个方向，探测底板方向120m范围内的富水情况。
表1 完成工作量表
|
探测时间 |
探测区域 |
测点数 |
探测方向 |
观测窗口数 |
|
|
1701E下工作面 |
267 |
1 |
40 |
|
合计 |
|
267 |
1 |
40 |
|
物理点数总计 |
267×1×40 =10680 |
|||
4 数据处理及结果解析
4.1 瞬变电磁数据处理
本次瞬变电磁探测数据处理采用YCS40(A)型矿井瞬变电磁仪配套的MTem2.0处理系统，其处理主要流程为：数据上传—格式转换—数据滤波处理—计算晚期视电阻率—正反演计算—结果成图。
4.2 瞬变电磁结果解析
通过矿井瞬变电磁专业软件处理后，得到图4的结果，是对1701E下工作面底板瞬变电磁探测的视电阻率拟断面图，图中不同的颜色代表不同阻值的变化，表示底板一定深度上电性横向变化的情况，遵循从冷色调到暖色调表示阻值从低到高变化的一种趋势。
依据上述约定原则，根据1701E下底板的瞬变电磁探测结果可以看出，低阻异常区域主要集中在1701E下巷分别在：异常区1：测线50-70m段，深度55-95m段，此区段呈局部低阻，主要集中在三灰和四灰之间，推断为砂岩弱赋水异常区;异常区2：测线145-200m段，深度50-90m段，此区段低阻区域主要集中在三灰，推断为局部赋水异常，弱赋水性;异常区3：测线280-320m段，深度55-100m段，此区段可以看出三灰和四灰有一定的连通性，但三灰相对四灰阻值更低，推断此区段三灰较四灰赋水性强，整体弱赋水性;异常区4：测线620-810m段，深度55-110m段，此区段阻值在5Ω一下，且开口向下，说明三灰和四灰有一定的导通性，且四灰的赋水性较三灰强，表现出相对较强富水性;异常区5：测线1130-1150m段，深度40-80m段，此区段呈条带状分布，最小阻值在三灰附近，向深部异常幅度减小，说明三灰有一定的富水性，四灰富水性相对较差，但三灰和四灰有一定的导通性。1701E下巷前830米视电阻率剖面图见图4，840米至1190米视电阻率图见图5。
图4 1701E下巷前830米视电阻率剖面图
图5 840米至1190米视电阻率图
1701E上巷分别在：异常区6：测线260-320m段，深度30-110m段，此区段为一个闭合区域，表现为局部异常区，推断三灰、四灰弱赋水性;异常区7：测线370-500m段，深度40-110m段，此区段为一带状分布，异常主要分布在三灰和四灰附近，三灰和四灰有一定的赋水性，异常幅度值向深部减小，说明下部地层富水性差，但和下部地层有一定的导通性;异常区8：测线550-660m段，深度40-130m段，此区段为一带状分布，异常主要分布在三灰和四灰附近，三灰和四灰有一定的赋水性，异常幅度值向深部减小，说明下部地层富水性差，但和下部地层有一定的导通性;异常区9：测线720-840m段，深度50-95m段，低阻区域主要集中在三灰和四灰附近，分析为局部赋水异常带，推断为弱赋水性; 1701E上巷视电阻率图见图7。 1701E切眼处无异常，视电阻率图见图6。
图6 1701E切眼处视电阻率图
图7 1701E上巷视电阻率图
1701E下工作面异常区解释成果平面图见图8。
特别提出本次现场探测时的盲区为20m，注意该区段的富水区域。
图8 1701E下工作面异常区解释成果平面图
4 结论及建议
通过本次瞬变电磁底板探测结果，并结合该掘进巷道区域地质资料，得出如下结论：
综合底板方向上的探测结果分析，在该底板出现低阻的区域主要是集中在底板的三灰和四灰层位的局部区域，在1701E下巷测线620-810m段(异常区4)，深度55-110m段，此区段阻值在5Ω一下，且开口向下，说明三灰和四灰有一定的导通性，且四灰的赋水性较三灰强，表现出相对较强富水性。在1701E上巷测线550-660m段(异常区8)，深度40-130m段，此区段为一带状分布，异常主要分布在三灰和四灰附近，三灰和四灰有一定的赋水性，异常幅度值向深部减小，说明下部地层富水性差，但和下部地层有一定的导通性;在回采过程中应注意这些低阻区域的影响以及断层裂隙和回采扰动的影响。
建议：
(1) 建议在巷道掘进过程中，应加强地质编录，可进一步提高对探测区域的解释精度。
(2) 实际生产过程中，如发现水文异常，应及时通知相关技术人员，以便采取加密观测及防治措施。
(3) 针对提出的异常体区域，做好提前预防的准备。
(4) 建议矿方在探测结果显示的低阻异常区域进行打钻。
(3) 针对提出的异常体区域，做好提前预防的准备。
(4) 建议矿方在探测结果显示的低阻异常区域进行打钻。
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