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地下全空间瞬变电磁技术
在煤矿巷道掘进头的连续跟踪超前探测
郭 纯1) 刘白宙1) 白登海2)
1)焦作煤业( 集团)有限责任公司地测处，焦作 454002
2)中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029
摘 要：文中介绍了利用地下全空间瞬变电磁(UWTEM)技术在某煤矿-250排水巷道掘进过程中进行的连续跟踪超前探测试验。根据初探结果，采用不共面同轴偶极观测方式时，UWTEM在巷道掘进头前方的有效探测范围约为70m，巷道每掘进50m进行一次跟踪探测。试验表明，利用该技术可以有效地超前预测煤矿巷道掘进头前方30~50m范围的富水异常，为及时采取水害治理措施提供依据。 关键词：地下全空间;瞬变电磁;超前探测;水害预报;
0 引言
巷道掘进头前方的构造破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等富水区(体)对巷道的安全掘进构成了严重威胁，也是煤矿发生重大突水事故的主要原因。如何做到提前预报和及时防治，关键在于有效的超前预测。多年来这一问题一直困扰着煤矿的基层技术人员和施工人员。近年来，全空间瞬变电磁技术在中国得到了发展(白登海等，2003)，这一技术属于近距离观测，具有体积效应相对较小、方向性强、分辨率高、对低阻区敏感、施工快速的优点，为我们提供了一条新的探测途径。实践证明，通过设计合适的装置形式可以有效地超前预测巷道掘进头前方数十米范围内的水害危险性，目前该技术已成为我们预测煤矿水害的最佳选择。
瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Meh- tod，简称TEM)的原理是利用不接地回线向地下发射一次脉冲磁场，当发射回线中的电流突然断开后，地球介质中将激励起二次涡流场以维持在断开电流以前产生的磁场(即一次场)。二次涡流场的大小及衰减特性与周围介质的电性分布有关，在一次场的间歇观测二次场随时间的变化特征，经过处理后可以了解地下介质的电性、规模、产状等，从而达到探测目标体的目的(牛之链，1992;蒋邦远，1998)。地面TEM的发射框沿地面布设，有效探测范围为地下半空间。地下瞬变电磁技术采用多匝小回线，发射和接收面可在任意可能的方向布设，因而可以进行多方位探测。在地下观测时，由于巷道空间很小，观测面前后与上下都有介质存在，故被称为全空间瞬变电磁法(Underground Whole-space Transient Electroma- gnetic Mehtod，简称UWTEM)(白登海等，2003)。该方法目前采用的是共面偶极方式，这在巷道的底板、顶板和左右侧帮的探测中被证明是有效的，但却不能用于掘进头的超前探测。而超前探测是煤矿巷道和工作面掘进中最迫切需要的。为此，我们通过改变装置方式的办法试图把UWTEM方法用于巷道掘进头的超前探测。试验表明这样做可以取得相当理想的效果。
1 巷道掘进头超前探测方法
巷道掘进头一般只有几平方米大小，既无法采用共面偶极方式，也无法采用中心方式。因此，我们采用了一种不共面同轴偶极方式。如图1所示，发射线圈(Tx)和接收线圈(Rx)分别位于前后平行的2个平面内，二者相距一定的距离(要求>5m，实际中常采用10m)并处于同一轴线上。观测时接收线圈贴近掌子面，轴线指向探测方向。对于巷道掘进头来说，探测时分别对准巷道正前方，正前偏左、偏右等不同方向，这样可获得前方一个扇形空间的信息(图2)。
图1 巷道掘进头TEM超前探测装置方式 图2 巷道掘进头超前探测方式与探测范围 巷道掘进头的超前探测与顶、底板的探测不同，顶、底板探测是静态的，而超前探测是动态的，目标空间随巷道的掘进而变化。所以，超前探测除了装置方式的改变外，在时间上还应该是一个连续跟踪的过程。
2 巷道掘进头连续跟踪超前探测的效果
根据上述思路，我们在某矿-250排水巷道进行了一次探索性的试验。该巷道的围岩为石炭纪灰岩，裂隙和断层比较发育，水害是该巷道掘进的最大威胁。我们试验的目的是超前预测掘进头前方有无富水异常及富水异常的位置和范围，为巷道的安全掘进提供依据，同时检验全空间瞬变电磁法的可行性和有效性。根据初探，UWTEM方法在-250巷道掘进头的有效探测深度约为70m，所以我们设计留出20m的安全距离，巷道每向前掘进50m时进行下一次探测。从2004年9月开始至今我们已经连续进行了5次跟踪探测，取得了理想的效果。
2.1 第1次初探
第1次超前初探于2004年9月30日进行，结果发现掘进头前方30~40m为一低阻区(图3)，此低阻区来源于巷道正前偏左方向，正前偏右方向及右帮无异常。经矿方查阅地质资料，发现此处存在1个平面图上漏标的钻孔，此低阻区系钻孔漏水所致。后经钻探找到了该漏水孔，及时采取了排水措施。图3中侧帮平探采用共面偶极方式，掘进头前探采用不共面同轴偶极方式，然后把2个方向的探测结果作为同一剖面成图，所以图中结构实际上反映的是2个方向的情况。这样就可以在同一标准下比较不同方向上的电阻率分布，为分析掘进头前方的含水性提供依据。
图3 第1次初探结果 正前方表示朝掘进头的正前方探测;左30°表示探测方向从正前方向左偏转30°;右30°表示探测方向从正前方向右偏转30°;空心小圆圈表示观测位置。以下各图相同。
2.2 第2次跟踪探测
第2次跟踪探测于2004年11月8日进行，结果反映掘进头前方75m范围内岩性比较均匀，无明显低阻异常，虽然在60多米以外存在局部相对低阻区(图4顶部颜色较深的区域)，但电阻率普遍>40Ω•m(该地的富水区电阻率普遍<1Ω•m)，不大可能是富水区，因而我们预报为安全区，可以掘进。实际掘进过程比较顺利，没有遇到异常情况。
图4 第2次跟踪探测结果 2.3 第3次跟踪探测
第3次跟踪探测于2005年2月5日进行，结果发现掘进头前方25~45m之间有一低阻异常区(图5)，异常核心区位于巷道前方偏右部位。据此我们建议进行钻探落实。钻孔朝巷道正前、正前偏左、正前偏右方向布置。其中正前方钻孔进尺37m时出水，偏右方向钻孔水量(17m³/h)明显增大，岩层呈破碎状。经过预防治理，排除了突水隐患。
图5 第3次跟踪探测结果 2.4 第4次跟踪探测
第4次跟踪探测于2005年5月6日进行，结果发现掘进头正前方30~50m段为横贯巷道走向的低阻区(图6)，由于异常呈条带状连续分布，判断为断层。根据预报，巷道向前掘进18m时开始打钻(保持安全距离>10m)，钻探进尺18.5m(即位于探测时掘进头位置前方36.5m)时出水，水量75m³/h，及时采取了治理措施。最后掘进证实此区段是一破碎带。但UWTEM给出的异常区比实际揭露的破碎带要宽得多。这一方面是由于破碎带周围有渗水现象，另一方面反映了该方法的体效应特征。
图6 第4次跟踪探测结果 2.5 第5次跟踪探测
图7 第5次跟踪探测结果
第5次跟踪探测于2005年9月28日进行。探测结果反映掘进头前方偏左存在1个低阻异常区(图7)，虽然规模不大，异常区的电阻率也不很低(>1Ω•m)，根据经验，此区段不会有大危险，但也不能排除含水的可能性，所以我们预报为可疑区。实际情况表明，巷道在该区段的掘进过程比较顺利，没有揭露出明显的构造。由此可见，该方法给出的结果并不完全都是真实的，也可能给出假异常。产生这种现象的原因除了环境噪音外，发射框另一侧的异常构造很可能是一个重要因素。换句话说，虽然我们设定目标体位于探测面前方，但并不能排除探测面以外，特别是后方介质的影响。这是UWTEM方法的最大缺陷。值得庆幸的是，这个缺陷对预测煤矿水害来说影响不大，我们的目标是尽可能不遗漏异常。
3 讨论与结语
在这次试验中，我们依据跟踪探测结果随时预报了掘进头前方可能存在的水害隐患，矿方及时采取了防治措施，成功地排除了隐患，保障了巷道掘进的安全。实践证明，如果采用合适的观测方式，UWTEM技术可以有效地预测巷道掘进头前方的含水异常，为水害预报提供比较可靠的依据。
同时，通过这次试验我们也发现了UWTEM方法存在的问题。首先，巷道掘进头的实际情况既不同于半空间，也不是完全的全空间，因而数据处理结果在电阻率值和探测深度上都有一定的偏差，解释出的低阻异常区范围往往偏大。这种情况除了该方法本身的体效应外，全空间理论模型与实际环境的差异可能是一个重要原因。其次，虽然接收线圈位于探测面前方的掌子面上，探测面后方的异常仍然会产生影响，所以对异常体的定向仍然存在不确定性。第三，在装置上，为了减小互感的影响，发射线圈和接收线圈之间的距离需要>5m，这不但降低了有效信号的强度，也限制了该方法在空间较小的巷道的使用。所以在硬件上改善仪器设备性能，减小发射线圈与接收线圈之间的互感是提高该方法适用性的一个关键。
参考文献：
[1] 白登海，何兆海，卢建，等.2003.地下全空间瞬变电磁法及在煤矿水害预测中的应用[A].见：第六届中国国际地球电磁学术讨论会论文集.
[2] 蒋邦远.1998.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京：地质出版社.
[3] 牛之链.1992.时间域电磁法原理[M].长沙：中南工业大学出版社.
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| 添加日期：2013-11-13
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