瞬变电磁法在益晟煤矿的应用

【摘要】从电性上分析不同地层的电性分布规律为：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...

【摘要】采用矿井瞬变电磁法勘探查明采区内地层含水性及富水区域和构造分布是煤矿安全开采的必要前提。查明是否存在裂隙、溶洞、断层等对开采极可能带来的影响，对煤矿安全开采起着极其重要的作用。运用矿井瞬变电磁法探测并圈定的低视电阻率异常区相对比可以分析出矿井岩层的富水性和井下积水，为煤矿生产提供了安全保障。

【关键词】瞬变电磁法；探查；采空区；分析

前言

近些年，随着矿井物探技术的发展和提高，矿井瞬变电磁法在矿井岩层的富水性和井下积水探测方面发挥越来越重要的作用。因此，地煤地测防治水管理部根据益晟矿确定的勘探任务要求，在矿领导和技术人员的大力支持和积极配合下，采用YCS160矿用本安型瞬变电磁仪，在益晟矿进行矿井瞬变电磁法水文地质探查。

1.地质――地球物理特征

从电性上分析不同地层的电性分布规律为：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。

综上所述，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，为以岩石导电性差异为物理基础的矿井瞬变电磁法探测提供了良好的地质条件。

2.矿井瞬变电磁法基本理论

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是：于井下设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

2.1基本原理

在导电率为σ、导磁率为 的均匀各向同性大地表面铺设面积为S的矩形发射回线，在回线中供以阶跃脉冲电流 ，

在电流断开之前，发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场（如图3-1所示）。在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会即刻消失。由于介质的热损耗，直到将磁场能量消耗完毕为止（见图3-2）。

图3-2 瞬变电磁法感应电磁场转换原理示意图

研究结果表明，任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场。在发射电流刚关断时，该环状线电流紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。等效电流环象从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此，人们将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”（如图3-3所示）。

式中a为发射线圈半径， 。当发射线圈半径相对于“烟圈”半径很小时，可得 ，故“烟圈”将沿47度倾斜锥面扩散，其向下传播的速度为：

3.施工技术及工作量

由于受巷道迎头空间的限制，矿井瞬变电磁法的发射和接收线圈的几何尺寸受到的一定的制约，只能采用多匝小回线的发射和接收装置形式，即边长1.5 m。

本次矿井瞬变电磁法勘探某工作面巷道向面外探测；共布置测点16个，每个点测2个方向，共16×2=32个数据。设计探测方向与巷道顶板所在岩层呈45°左右夹角向上探测、顺岩层方向探测（见图4）。

图4瞬变电磁法探测方向示意图

4. 某工作面巷道向面外探测资料分析与解释

根据物探结果其中一个扇形图探测方向为顺层探测，另一个探测方向与岩层呈45°角向顶板探测。图中不同颜色线区域分界线上的数值代表地下岩层导电性强弱，数值愈大，导电性愈弱；数值愈小，导电性愈强，对应岩层赋水性愈强。

依据本次矿井瞬变电磁法两个方向探测结果，某工作面巷道向面外探测结论如下：

顺层方向探测结果的扇形图面左侧横坐标-60～-100m、纵坐标20～40m范围内等值线数值小于30Ω・m；面正前方横坐标-30～30m、纵坐标50～100m范围内等值线数值小于30Ω・m ；面右侧横坐标在40m～100m、纵坐标在10～80m范围内，等值线数值小于30Ω・m，为明显低阻异常，说明对应探测位置岩层赋水裂隙发育。其他探测区域相对视电阻率相对较高，富水性相对较弱。其中面正前方面横坐标-20～20m、纵坐标50～100m范围内等值线数值小于20Ω・m ；面右侧横坐标在60m～90m、纵坐标在60～80m范围内，等值线数值小于20Ω・m，为最低阻值区，说明该区域岩层赋水裂隙发育较其他区域更强，为重点异常区域。

顶板方向探测结果图顶板方向根据探测结果视电阻率呈较高反应，富水性相对较弱。

物探结果显示可以看出等值线分布变化明显，等值线横向和纵向变化较大，说明对应探测面外60m以外位置岩层局部赋水裂隙发育；顶板方向探测结果图中80m范围内等值线无明显波动，等值线横向和纵向变化较小，且顶板方向视电阻率呈较高反应，说明对应探测面外顶板岩层裂隙赋水性相对较弱。

5.结语

本次物探结果为益晟煤业技术资料参考提供了有力保证，并要求矿方严格执行“有掘必探”，防治水安全工作务必以钻探验证为主。矿方针对物探异常区加强钻探验证，并做好钻孔监测记录台账。

参考文献

1.杨振华.张飞.矿井瞬变电磁法在探测顶板富水性中的应用[J].煤矿安全，2012（5）

2.吴有信.瞬变电磁法及其在煤矿水文物探中的应用[J].西部探矿工程，2006（4）

3. 孙银行，朱鲁，盖利亚.瞬变电磁法在矿井水文地质勘探中的应用口[J].工程勘探.2009（4）

4. 吴有信.瞬变电磁法及其在煤矿水文物探中的应用口[J].西部探矿工程，2006（4）