關于瞬變電磁法在巷道超前探測中的應用探討

【摘要】煤礦安全生產受到了社會各界的廣泛關注，而在礦井各種災害事故中，巷道突水事故由于其發作兇猛、危害大等特點而成為煤礦安全領域研究的重點。目前在地下水文勘探中，使用較多、技術較成熟的是瞬變電磁法，該方法可以較為準確反映出巷道前方地質體的空間特征。本文針對該方法的基本原理和運行機制研究，并通過實際案例介紹了該方法在巷道超前探測中的具體操作環節，分析了相關的影響因素，總結了在操作過程中需要注意的關鍵問題，具有一定的推廣價值。

【關鍵詞】瞬變電磁法；巷道突水；水文勘探

1.引言

在井下煤礦開采和巷道掘進過程中，不可避免的會遇到一些威脅到井下安全的地質情況，如斷層破裂帶、裂隙發育區、巖溶等。這些地質構造一方面提高了煤層的開采難度，增大了開采工作量，更重要的是容易引發井下突水、冒頂等事故，尤其是井下突水事故，一旦發生就會造成災難性的影響，對巷道、煤炭資源、電氣設備甚至井下工作人員的生命安全都造成了嚴重的威脅。因此，必須采取有效手段，在巷道掘進過程中，超前預測前方地質構造，保障巷道安全。瞬變電磁法最早由加拿大地球物理學家提出一種礦井物探技術，經過幾十年的發展，目前該技術已經逐漸成熟，并形成了一套行之有效的應用方案。該方法可較好的勘探出巷道周圍空間不同形態的含水構造，且具有方向性強、分辨率高、對低阻區敏感等優點。利用該方法，可以迅速、高效且準確的超前探測巷道迎頭前方賦水狀態，大大減少了勘探所需的時間和工作量，節約了生產成本。

2.瞬變電磁法原理分析

瞬變電磁法利用不接地回線或接地線源在井下空降內發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。通過研究二次渦旋電磁場的時空分布特征來完成探測地質構造及含水特征等任務。

瞬變電磁法具有方向性，因此在探測時令線圈法線方向對準預定的被探方向發射階躍電流，然后利用接收線圈測量感應二次場。通過接收到的二次場的感應電動勢隨時間的變化特征，隨后經數據的解釋處理確定相關的地質特征，同時準確的圈定異常區域的距離、范圍等情況。在礦井中使用該技術時，在信號探測范圍內，介質巖層按電性特征的不同，各自反饋回信號響應，接收回線線圈接收到反饋后，按以下視電阻率演化公式進行計算：

該公式是在地面電磁數據處理方式的基礎上，加上了全空間響應系數C的影響，從而使其適用于井下探測的數據處理；S為接收回線線圈面積；N為線圈匝數；t為二次場衰減時間；V/I為接收的歸一化二次場電位場值。

3.影響因素分析

井下巷道結構多變，環境復雜，且具有較多的管道與設備，這些人工設施對測量工作帶來了一定的影響，必須在數據處理階段加以調節，抵消干擾影響，否則探測結果可能較大幅度的偏離真實值，給巷道的安全掘進埋下隱患。根據長期的勘探實踐和總結，影響井下瞬變電磁法超前探測中主要人文設施有：①巷道的鐵軌；②工字鋼支護；③金屬管路；④運輸皮帶支架。由以上分析可以看出，干擾源基本是由人工鋪設的金屬設施組成的，原因在于這些金屬物件在探測裝置發射出瞬變電磁場時會產生強烈的電磁響應，這些響應信號輻射至測試裝置的接受線圈后，會同正常反饋的探測信號相疊加，導致信號的異常波動，從而給信號處理帶來了較大的誤差。

4.應用實例

（1）地質概況 礦井屬于石炭二疊紀煤田，區內地勢平坦。地層自上而下依次為第四系、第三系、二疊系、石炭系、奧陶系。第四系主要為淺黃、褐黃色松散的黏土夾砂層。第三系以黏土為主，上部夾砂層，下部夾鈣質黏土等。二疊系為含煤地層之一，主要由泥巖、砂巖及煤層組成。石炭系主要由砂巖、泥巖、灰巖及煤層組成。奧陶系以石灰巖、泥灰巖、白云質灰巖為主。

（2）水文地質條件 由于工作面煤層埋藏較深，一般不受第四系含水層影響，主要是受煤系地層含水層以及奧陶系灰巖水影響。本次瞬變電磁勘查重點是要查明巷道掘進前方含水層和泥巖、泥灰巖互層含水層中的富水區域對巷道掘進的影響。

（3）探測結果 使用多匝重疊小回線裝置形式，線圈匝數為20匝，線圈邊長2m，根據井下防爆要求，發射電流采用2A，關斷時間約1.5ms，64次疊加，進行了順層方向的探測。橫坐標、縱坐標為從掘進頭始的超前探測距離。超前探測距離公式為：

其中：M為發送磁矩；ρ1為表層電阻率；η為最小可分辨電壓。由上式可知，瞬變電磁的探測深度與發送磁矩、覆蓋層電阻率及最小可分辨電壓有關。從圖1可以看出，距離迎頭正前方50～75m，距離右側側幫25～50m范圍內，視電阻率值降低；距離左側側幫30～55m，距離迎頭45m范圍內，視電阻率值降低，表明該范圍內巖層電性發生變化。結合地質資料，推測該范圍為老窯積水區。在掘進頭繼續向前掘進時順煤層打鉆，鉆孔涌水，證明該范圍確為積水區，探測結果得到較好驗證。

5.總結

瞬變電磁法經過多年的實踐摸索，已逐漸應用成熟。通過大量的實際案例證實，該方法具有探測深度較大、施工方便、探測操作簡單、耗費時間短、成本可控性高等優點，尤其是其探測具有方向性的優勢使得該方法特別適合于在類似井下巷道這樣的狹小空間內實施勘探，較好的滿足了當前煤礦水文地質勘探的需求。相信隨著我國煤炭工業的不斷發展，瞬變電磁法必將為我國煤礦安全生產提供更有力的保障。

作者簡介

宋兆勝，出生于1971年11月，男，山東省棗莊市人，中專學歷，工作于安徽省煤田地質局第三勘探隊地質科，主要從事野外地質編錄工作。