安徽淮南矿业集团潘一矿东区地测科 陈常兴

摘 要：瞬变电磁探测技术是近年来广泛应用于煤矿井下地质探查工作的物探技术。本文在对瞬变电磁法探测原理的分析研究的基础上，对瞬变电磁探测的工作方法进行了研究。该探测方法对低阻体反映灵敏，尤其是在矿井水文探测时，受全空间影响，信噪比提高，可对井下巷道顶底板及超前水体进行探测；利用YCS40(A)型矿井瞬变电磁仪在潘一矿东区的部分巷道进行赋水性探测，深度-电阻率反演结果的解释与实际基本吻合，探测深度和解释方法可供参考。为巷道掘进提供了及时可靠的理论依据，缩短了巷道工期，在矿井水文地质探测中具有广泛的推广应用前景。
关键词：瞬变电磁矿井瞬变电磁富水性探测巷道超前探
0.引言
    水害是影响矿井安全生产的五大灾害之一。在矿井开采过程中，查明采掘工作面前方及顶板富水异常区位置是煤矿安全生产亟待解决的水害问题。钻探方法准确但速度慢、成本高，难以圈定富水区范围，且打钻时存在危险;传统的直流电法等物探技术虽效率高、成本低，但因体积效应大等原因造成准确率和探测距离难以满足生产需求；矿井瞬变电磁法是近几年来发展起来的在煤矿井下巷道内探查其周围空间不同位置、不同形态含水构造的矿井物探方法之一，瞬变电磁法存在着很多其他物探方法所不能比拟的优点，凭借其近距离观测、体积效应小、方向性强、分辨率高、对低阻区敏感、施工快速的优点，可以有效地探测巷道周围100m范围内的老空水，已成为煤矿水害探测的最佳选择。通过选择合适的装置形式，应用瞬变电磁法探测井下采掘工作面前方及顶板的含水性。本文主要在分析瞬变电磁理论的基础上，通过时深转换技术总结出在数据处理解释中常见的问题的解释技巧总结，最后通过给出一些井下瞬变电磁连续跟踪超前探测的例子来说明上述问题。
1.矿井瞬变电磁原理
1.1 矿井瞬变电磁理论及其原理
    瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method，简称TEM)是一种人工源的时间域电磁法。它的基本原理是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，即在导电率为σ导磁率为μ的均匀各向同性大地表面敷设面积为零的矩形发射回线，在回线中供以 的阶跃脉冲电流，将产生一个向地下传播的一次瞬变磁场，在该磁场的激励下，在地质体内产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度。在一次场消失后，涡流不能立即消失，它将有一个过渡衰减过程，如图1。

图1 瞬变电磁二次场衰减示意图

    随之将产生一个衰变的感应电场(二次场)向地表传播，在地表用接收线圈或接地电极所观测到的二次场随时间变化及剖面曲线特征，它将反映地下导电体的电性分布情况，从而判断地下不均匀体的赋存位置、形态和电性特征。在瞬变过程的早期阶段，频谱中高频成分占优势，因此涡旋电流主要分布在地表附近，由于趋肤深度的高频效应，阻碍电磁场向地下深部传播，因此早期阶段的瞬变场主要反映地层的浅部地质信息。在晚期阶段，高频成分被导电介质吸收，低频成分占主导地位，在这一阶段，局部地质体中的涡流，实际上全部消失，而各层产生的涡流磁场之间的连续相互作用使场平均化，这时瞬变场的大小主要依赖于地电断面总的纵向电导。
1.2 时间深度转换技术
    瞬变电磁法数据解释是将回线组合测量到的不同时间感应电位函数换算成反映地下导电介质电性分布规律的不同时间视电阻率函数。根据换算出的时间视电阻率曲线只能解释不同时间地下导电介质的电性分布特征，但不能反映地下电性介质的具体位置(深度)，无法满足实际需要。因此，必须将时间视电阻率曲线转换成深度视电阻率曲线，对解决实际问题更具指导意义。由于地面各种噪声的影响，地面瞬变电磁法探测极限深度一般为发射回线的2倍左右。井下一般采用2m左右的发射回线，根据地面探测极限深度只有4m左右，而实际井下采用多匝数、大电流测量，探测深度可达100m左右，由于矿井瞬变电磁法回线组合形式和背景干扰与地面不同，其探测深度与地面也不同。在计算深度时必须增加校正系数，通过理论模型和实际资料验证，计算电磁场垂改扩散速度时加上0.4、0.6的校正系数，会取得十分理想的时间深度转换。
    同时在时间深度转换时存在几种不同的转换方式。常见的有3种时间深度转换方式：
    ①全区间转换单点转换，每个测点分别转换为各自的深度。
    ②特征点转换。取所有测量点中一个点作为深度转换点，把其深度作为整个测量工区所有测点的深度。
    ③区间转换。
    取测区内一个范围内点作为标准点，取其平均视电阻率作为转换标准，并把其深度作为整个测量工区的深度。
2.矿井瞬变电磁法应用
    瞬变电磁在矿井探水，探测构造中的解释原则：主要从电性上分析不同地层的电性分布规律。煤层电阻率值相对较高，砂岩次之，粘土岩类最低。由于煤系地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，其导电性特征在纵向上固定的变化规律，而在横向上相对比较均一。当断层、裂隙和陷落柱等地质构造发育时，无论其含水与否，都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律。这种变化规律的存在，表现出岩石导电性的变化。当存在构造破碎带时，如果构造不含水，则其导电性较差，局部电阻率值增高；如果构造含水，由于其导电性好，相当于存在局部低电阻率值地质体，解释为相对富水。根据MTEM视电阻率拟断面图，综合地质和水文地质资料，可确定横向水平深度和垂向深度电性变化情况。
3.矿井瞬变电磁法应用实例
    以淮南矿业集团潘一矿东区对FS2断层和1252(1)轨顺底板巷瞬变电磁连续超前跟踪探测为例。
3.1 工程概况
    西一(11-2)采区轨道上山为潘一矿东区第一次揭露FS2断层，三维地震解释该断层落差在10m左右，通过对巷道实际揭露资料分析，该断层带附近可能富水；1252(1)轨顺底板巷为潘一矿东区首采面的主要巷道之一，在掘进过程中巷道出现短期淋滴水现象，初步分析该巷前方也可能富水。根据矿井安全生产要求，应做到“有疑必探，先探后掘”。为确保巷道安全掘进，需采用巷道超前探测，主要查明巷道前方及巷道周边是否存在富水区，是否存在大的断层导水通道。根据集团公司要求，应采用物探与钻探相结合，水害威胁。本次探测采用瞬变电磁法勘探。
3.2 实地探测
    (1)2010年12月15日：西一(11-2)采区轨道上山探测结果：

图2 西一(11-2)采区轨道上山掘进迎头TEM超前探测视电阻率剖面图

图3 西一(11-2)采区轨道上山掘进迎头TEM超前探测顺层方向视电阻率剖面结合地质资料解释

    本次探测共沿迎头探测三个方向：为超前顶板方向、超前顺层方向、超前底板方向。目的是为了探测迎头三个方向的水文地质情况。现场采集点距0.2m；此次探测每个Tem物理点均采用2m×2m的重叠回线工作装置，采集频率为本安型瞬变电磁仪内设8.3Hz。
    本次数据处理时，以2010年12月15日巷道迎头位置为零点，地测点G18前10米。以掘进方向为X轴正方向，建立空间坐标系，因此所得结果位置与掘进巷道实际控制一致。
    结论：对比三个方向视电阻率剖面图可见，沿现在巷道掘进方向，顶板方向的视电阻率值略高于顺层及底板方向的视电阻率值。顶板方向30～70m段偏左侧视电阻率值低于6Ω.m；顺层方向在34～70m段偏右侧视电阻率值在4～6Ω.m之间，表现为相对低阻；底板方向在24～70m段偏右侧岩体的视电阻率值较低，低于6Ω.m，局部小于4Ω.m，表现为低阻异常。
    此次探测结果表明：
    ①巷道前方偏左侧30～70m范围顶板方向电阻率值相对偏低，可能表现为砂岩层电性特征反映，预计该段岩体裂隙发育，局部含裂隙水。
    ②巷道前方偏右侧24～70m范围顺层及底板方向电阻率值较低，可能相对富水。
通过钻探及巷道实际揭露验证，自探测迎头位置向前100m范围内巷道顶板有淋滴水现象，由于提前预报了该段顶板的富水性，所以在施工时加强了对顶帮的支护管理，对巷道成形起了较准确的指导意义，大大消除了因为顶板淋水对巷道的工期延误。
    (2)2011年1月11日：1252(1)轨顺底板巷
    本次探测与巷帮成40°仰角方向及与巷帮成8°仰角方向，目的是为了探测底板巷顶板方向水文地质情况。沿巷帮(左帮)由GD28号测点退后3m为物探起始位置，采集点距3m，数据采集量为23个，探测范围：GD28-3m～GD28+63m，总长66m；此次探测每个Tem物理点均采用2m×2m的重叠回线工作装置，采集频率为本安型瞬变电磁仪内设8.3Hz。
    结论：瞬变电磁探测结果以电阻率成像图表示，红色(暖色调)为高电阻率值，蓝绿色(冷色调)为低电阻率值，视电阻率值越低富水性越强。

图4

    图4(a)为与巷帮成40°仰角方向瞬变电磁探测结果剖面图，图4(b)为与巷帮成8°仰角方向瞬变电磁探测结果剖面图，反映近巷帮前方岩体的视电阻率分布情况。
    图4(c)为瞬变电磁结果地质解释图，为8°仰角方向的探测结果。本次探测有效深度为60m，巷帮前方0～10米为探测盲区。
    对比两个方向视电阻率剖面图可见，巷帮由GD28-3m～GD28+63m段有4个区域视电阻率值小于5Ω.m，为相对低阻异常，预计该区域岩体裂隙比较发育，含裂隙水。
    通过巷道实际揭露验证，探测段巷道顶板裂隙发育，确有淋滴水现象，由于提前预报了该段顶板的富水性，所以在施工时采取了针对性的措施，加强了对顶帮的支护管理，对巷道掘进起了较准确的指导意义，大大消除了因为顶板淋水对巷道的工期延误。
4.结束语
    本文通过矿井瞬变电磁理论推导和矿井水文地质探测研究与实践，得出如下结论：
    (1)本文对瞬变电磁法的基本原理、水文地质探测的工作方法等进行了研究和技术总结，从而形成了一套较为完整的用于水文地质勘查的技术方法与路线。
    (2)对于资料解释问题，本文重点总结了一些解释的方法和技巧，通过各种数据的解释和验证，通过结果图上视电阻率的分布变化情况，结合地质资料加以解释，可做为以后解释的参考。
    (3)最后的实例表明，瞬变电磁探测对煤矿生产具有一定的指导意义，从某种程度上大大缩短了施工工期，节省了较大的资源，该法的推广使用也有着广阔的前景。