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许时昂，孙松，韩鹏飞，胡雄武，张平松
(安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001)
摘要：利用瞬变电磁法在掘进工作面开展连续重叠覆盖的超前探水方法试验研究，通过相似模拟试验结果表明，该观测系统采集数据量大，能够较准确地探查采掘工作面前方富水异常区域和范围，为井下水害预报和防治提供有效的技术指导。
关键词：瞬变电磁；超前探水；连续重叠覆盖；掘进工作面
1 引言
矿井水害是影响矿井安全高效生产的五大灾害之一。随着我国各大矿区矿井开采的深部化，生产过程所出现的地质问题越来越复杂，巷道掘进过程中所面临的防治水任务也越来越艰巨。就巷道掘进突水的超前预测来说，其常规钻探方法探测准确，但施工周期长、成本高，不能够确定富水区范围，并且钻探在施工中存在潜在的突水危险；直流电法超前探测技术为接触式探测，布极、移站的效率低，且控制距离难以满足生产需求；而瞬变电磁法则凭借其非接触式布极方式、分辨率高、方向性强、对低阻区敏感、施工快捷等优点在煤矿水害防治中被广泛应用。
针对掘进工作面现有瞬变电磁超前探水的单次探测方法，文章设计了一种连续重叠覆盖的探水系统，形成对前方地质体的无缝对接探测。通过构建室内模型，并进行连续探测，获得了相应的探查认识。
2 瞬变电磁技术原理
瞬变电磁法(简称TEM)属时间域电磁感应方法。其探测原理是：通过发射线框供入I1的脉冲电流，在脉冲后沿下降瞬间可以在该线框周围建立频率与相位都相同的瞬变一次磁场。当该一次磁场穿过地下良导体，由于电磁感应产生二次感应电流I2(为涡旋电流)。这个电流随之周围空间建立一个衰变的感应电磁场(二次场)。二次场的大小及衰减特性与周围导电岩体的电性分布差异有关，用接收线框观测二次场随时间变化及剖面曲线特征，对观测的数据进行分析和处理，预测前方地质异常情况 (图1)。
瞬变电磁在地下介质中衰减的过程一般分为三个时期，即早、中和晚期。早期的电磁场由浅部感应电流产生，衰减较快，趋肤深度小，反映浅层的地电信息；而晚期电磁场主要由深部感应电流产生，衰减较慢，趋肤深度大，反映深层的地电信息。通过测量断电后不同时间段的二次场随时间的变化特征，可以得到不同深度的地电信息，从而了解地下导电介质的赋存位置和形态等电性特征，达到探测异常目标体的目的，结合地质资料实现对地下地质条件的相关解释。
 图1 地下感应电流环带分布示意 3 连续重叠覆盖探测模拟实验 3.1 模型构建
实验室中模拟自然界的某种物理现象所遵守的准则，在物理模拟中称之为相似准则。由于实际测试的需要，有必要进行室内相关模拟实验。对于电磁法的物理模拟所遵守的相似准则，从麦克斯韦方程推出，基本的有两条。同时遵守着两条准则进行模拟试验，称之为全模拟。对于频率域电磁法，这两条准则为：
 （1）  （2）  （3）
在介质只导电而不导磁的情况下，即式（3）简化为：
 （4）
所以在模拟试验中需要首先考虑线性比例尺，要求小尺寸的模型需有足够高的电导率，并使电导率与线型长度之平方的乘积为常数，那么实验室模拟的响应特征与相应的野外条件下的响应特征基本一致。
3.2 测试试验
在本次室内模拟试验中，选取直径为8cm、电导率为0.993s／m的圆形铝球模拟掘进巷道前方一定区域低阻异常区。线框采用中心回线装置方式，发射线框和接收线框分别采用边长为9cm和16cm的规格，直径0.2mm的漆包线，模拟巷道瞬变电磁探测2m×2m线框，引线为内径2mm、长度为200cm绝缘软铜线，建立相似实验条件。模拟环境3m×3m断面实际巷道并通过计算得到相似比例，确定模型长×宽×高为60cm×20cm×20cm。通过对试验系统进行数据采集比较，确定6.25Hz作为数据采集频率。
数据采集时，按目前井下常用的扇形扫描观测系统进行布置，在实验巷道掘进工作面按水平方向共布置11个测点(图2)。并按测点编号依次完成水平方向和竖直方向的数据采集，通过多测道感应电动势剖面，可分析异常分布特征。
 图2 水平方向巷道布置示意  图3铝球探测布设 铝球布置示意如图3所示。沿巷道掘进方向，模拟进行重叠覆盖式探测，以铝球相对线框反向移动，模拟随巷道掘进的连续探测方式，并实施掘进重叠覆盖实验，铝球以贴近模拟线框位置，相对于线框向后移动，移动距离为每次10cm。 通过连续追踪探测，形成探测数据的连续性与对比性，消除存在探测的盲区地段，来准确反映前方含水异常地质构造的特征。经过参数校正，剔除背景噪声后，获得探测视电阻率结果剖面(图4)，横坐标反映探测控制深度，其中以色标区域作为低电阻率区域进行判断。图4(a)为铝球放置在线框前方0cm时，对应结果剖面，可见1～10cm域内显示相对低阻，图4(b)为铝球放置在10cm处时结果剖面，显示在10～30 cm段为低阻异常，图4(c)为铝球放置在20 cm处结果，显示在20～35cm段为低阻异常。图4(d)为不放置铝球即前方无低阻介质时，高阻区域延伸置30cm左右。由于模拟线框的边长限制，其对前方的控制程度在一定范围内有效。这一过程模拟巷道掘进过程中前方含水异常体出现的不同距离，探查分析结果表明，随着前方异常体位置的改变，所获得探测结果剖面中低阻异常区间在不断地向前推移，即可以对前方不同距离异常体进行探查，两者结果较为一致。但是受模型设备限制，随着探测距离的增加，瞬变电磁超前探查的判断精度有所降低。
 图4连续重叠探测成果示意 在实际的巷道掘进探测过程中形成连续的重叠覆盖(图5)，通过对掘进迎头方向的探测覆盖，使得监测数据连续，增加了超前的信息采集量和采集数据对比、分析、判断的可操作性。
 图5连续重叠覆盖探测系统示意
模拟实验表明，采用瞬变电磁法在掘进工作面进行连续重叠覆盖超前探水具有较强的可行性。通过现场探测条件跟进，进行重叠覆盖测试与分析，获得巷道前方煤岩层连续的电阻率分布特征，进一步根据剖面电阻率低值异常评价煤岩层含水特性，预报前方异常位置和特征。其对于目前复杂的地质条件勘探活动来说，不仅可以获取大量的数据信息，提高勘探精度，而且有利于完善多次对比与解释的工作方法。
随着瞬变电磁探测技术的进一步完善，该方法在巷道掘进工作面超前探查富水异常中将会发挥重要作用，具有较广阔的应用前景。
摘自《工程地球物理学报》2014年1月第11卷第1期
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| 添加日期：2014-10-15
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