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张恒正
（枣庄市煤矿安全监察执法支队，山东 枣庄 277800）
摘 要：富安煤矿地处滕南煤田，开采12煤层受上覆三灰及上部砾岩含水层水威胁，易发生采空区滞后性突水，通过采前对12105工作面进行瞬变电磁探测，查明了工作面顶板富水性，此工作面的瞬变电磁工作对其他煤矿开采上覆含水层的安全生产具有一定的借鉴意义。
关键词：物探 瞬变电磁 电阻率 富水性
富安煤矿12煤层位于太原组中部，工作面顶板三灰是煤系地层中富水性较强的含水层，三灰富水性不均一，单位涌水量0.00002～4.136L/ (s.m)，富水性弱～强，为矿井主要充水含水层，易发生采空区滞后性突水，对工作面后期回采安全威胁较大。
1 瞬变电磁基本原理
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(见图1)。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向工作面传播，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。瞬变电磁场在大地中主要以“烟圈”扩散形式传播(见图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。
2 井下瞬变电磁探测特点
(1)受井下施工空间所限，无法采用地表测量时的大线圈(边长大于50m)装置，只能采用边长小于3m的多匝小线框，因此与地面瞬变电磁法相比具有测量设备轻便，工作效率高，成本低等优点，可用于其他矿井物探方法无法施工的(长度有限或掘进迎头超前探测等)；(2)由于采用小线圈测量，点距更密(一般为2～20m)，体积效应降低，横向分辨率提高，再者测量装置靠近目标体，异常体感应信号较强，具有较高的探测灵敏度；(3)由于小线框发射电磁波的方向性明显，井下超前探测时，探测目标区域更具针对性；(4)受发射电流关断时间的影响，早期测量信号畸变，无法探测到浅层的地质异常体，一般存在10～20m左右的浅部探测盲区；(5)井下施工时，测量数据容易受到金属物(采煤机械、变压器、金属支架、排水管道等)的干扰，需要在资料处理解释中进行校正或剔除。
矿井瞬变电磁法同样面临全空间电磁场分布的问题。因煤层通常为高阻，电磁波易于通过，所以煤层对瞬变电磁法来说就没有像对直流电场那样的屏蔽性，故瞬变电磁法所测信号为线框周围全空间岩石电性的综合反映。但可利用小线框体积效应小、电磁波传播具有方向性的特点，通过改变线框平面方向并结合地质资料来判断地质异常体的空间位置。
3 井下观测系统布置
本次12105工作面富水性探测主要是探测12105工作面顶板的富水性，结合探测现场情况及要求，在每个测点上布置4个探测方向。现场测点布置为每10m一个测点，共布置测点250个，每个测点均探测4个方向；在12105工作面运输巷布置测点125个，弃点0个，每个测点探测4个方向；12105工作面轨道巷布置测点125个，弃点3个，每个测点探测4个方向。每组数据选择80个时间窗口，具体采集数据量见表1。
表1 2014年6月9日现场瞬变电磁探测工作量统计表 
4 数据处理及结果解析
4.1 数据处理
本次瞬变电磁探测数据处理采用YCS512矿用本安型探水仪配套的处理系统，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 结果解析
经上述数据处理，获得12105工作面顶板各方向瞬变电磁剖面结果，图中用不同色调代表岩层不同的视电阻率值，从冷色(蓝)到暖色(红)的变化，分别反映出岩层视电阻率从低到高的变化情况。本次12105工作面瞬变电磁探测视电阻率值在0Ωm～40Ωm之间，定义视电阻率值在4Ωm以内为低阻异常区。
 图3 12105工作面运输巷瞬变电磁顶板各方向视电阻率拟断面图 图3反映的是12105工作面运输巷顶板探测四个方向的视电阻率值拟断面图，图中横坐标表示为测线长度(联络巷旁A7点为0m)，纵坐标表示为探测深度(巷道顶板为0m)。
 图4 12105工作面轨道巷瞬变电磁顶板各方向视电阻率拟断面图 图4反映的是12105工作面轨道巷顶板探测四个方向的视电阻率值拟断面图，图中横坐标表示为测线长度(联络巷开口处为0m)，纵坐标表示为探测深度(巷道顶板为0m)。根据12105工作面运输巷、12105工作面轨道巷的瞬变电磁探测结果，对数据处理后得出以下结果：
通过对以上异常区的位置对比可以看出，12105工作面轨道巷顶板各方向相对低阻区，深度分布不均匀，且具有一定连通性，其中YC19、YC24、YC30、YC35可能为同一低阻异常区，YC22、YC27、YC31、YC36可能为同一低阻异常区，YC32、YC37可能为同一低阻异常区，YC23、YC28、YC33、YC38可能为同一低阻异常区，YC29、YC34为同一低阻异常区，这些区域视电阻率值较低，分析为顶板砂岩水或者灰岩水引起的视电阻率异常，不排除顶板金属支护的干扰。
5 结论
根据12105工作面运输巷、12105工作面轨道巷的瞬变电磁探测结果，得出如下结论：
 图5 12105工作面顶板富水性探测异常区图 (1)本次12105工作面顶板瞬变电磁探测结果共存在10处低电阻异常区域(见图5)，其中轨道巷附近顶板方向共有5个异常区，分别为DY1、DY2、DY3、DY4和DY5异常区，其中运输巷附近顶板方向共有5个异常区，分别为DY6、DY7、DY8、DY9和DY10异常区。(2)根据《煤矿防治水规定》的相关规定：物探方法作为煤矿现场工作的辅助手段，采取物探和钻探相互结合的方式才能满足实际生产需要。因此建议要针对低阻异常区进行钻探验证，确保生产安全。(3)富水异常区划分的主要依据是视电阻率值的高低，但引起视电阻率变化的因素是多样的，因此所划分的富水异常区仅是视电阻率变化的反映，异常区的实际富水性还需结合钻探验证结果综合分析。
文章摘自：
《山东煤炭科技》2014年第10期
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