用瞬变电磁法探查综放工作面顶板水体的研究

摘 要：地下水灾害是煤矿正常生产的威胁因素之一，寻求一种效果显著并且切实可行的探测技术查清矿井的水文地质条件是矿井行业的当务之急。本文介绍了矿井瞬变电磁法的工作原理、布置方法和技术特点。并结合实例说明矿井瞬变电磁法能有效查明煤层顶板水害体的发育位置，为井下布置探放水钻孔提供依据。

关键词：工作面；矿井瞬变电磁法；顶板岩层含水性；电阻率

中图分类号：X752 文献标识码：A

0引言

目前主要通过钻探方法来确定工作面顶板隐伏含水构造，该方法测试结果可靠但耗时耗力，花费高且打钻具有危险性；而矿井直流电法和音频电透技术由于煤层的电阻率通常高于顶板岩层，使得其构建的煤层顶板内物理场很难延展到含水体的冒落带区域，而且其电极需布设在巷道顶板处，施工存在难度。矿井瞬变电磁法是近年来发展起来的一种新型的矿井探测技术，依靠其简便高效的优点，成为地下水害探测不可多得的好办法，在探查工作面顶板水害体方面效果显著。

1、矿井瞬变电磁法基本理论

1.1瞬变电磁法原理

瞬变电磁法建立在电磁感应的原理基础上，是一种人工源电磁探测方法。它利用一个不接地的回线或磁偶极子向地下发送一次脉冲磁场，称为一次场。在一次场的激发下，地下地质体中会产生感生的涡流，将产生随时间变化的感应电磁场，称为二次场。人们可以利用专门仪器观测这种涡流产生的电磁场的强弱。该二次场的大小及衰减速度与地下地质体的导电性有关， 当探测地下良导电地质体时，发送回线中通过一定的脉冲电流，这样使得回线中间及周围一定区域内产生稳定磁场，如果一次电流突然中断，则一次磁场随之消失，良导电地质体内部由于磁通量的变化而产生感应电动势，感应电动势在良导电地质体中产生二次涡流，二次涡流又由于焦耳热消耗而不断衰减，其二次磁场也随之衰减。

图1TEM信号扩散示意图

瞬变电磁法测量装置由发射回线和接收回线两部分组成，工作过程分为发射、电磁感应和接收三部分。

2、矿井瞬变电磁法的特点

矿井瞬变电磁采用同地面瞬变电磁法相同的工作原理，但是又区别与地面瞬变电磁法勘探。与其相比，矿井瞬变电磁法勘探具有以下特点。

由于其探测工作在巷道或者迎头，因此其测量装置受巷道宽度限制，不能采用地面瞬变电磁系统的大回线（边长大于50m）A装置，只能采用边长＜3m 的小回线多匝线圈发射，探头或者线圈接收的共中心、重叠装置；

井下探测装置距离目标体更近，且为全空间响应，井下测试信号强度比地表等同有效面积的相同装置测试信号强10-100 倍，具有较高的信噪比；

（3） 矿井瞬变电磁法可依据测试目标置的区别灵活的布置回线的方位和装置选择。如研究巷道底板下含水异常体横向和纵向特征时，可将回线布设于底板上进行探测，当回线面平行巷道掘进前方，可进行超前探测，当回线面平行于巷道侧帮是，可由倾斜角度来探测顶底板含水低阻区的情况。另外矿井瞬变电磁法对高阻层的穿透能力强，对低阻层有较高的分辨能力。在高阻地区由于高阻屏蔽作用，如果用直流电法勘探要达到较大的探测深度，须有较大的极距，故其体积效应就大，而TEM在高阻地区用较小的回线可达到较大的探测深度，故在同样的条件下TEM较直流电法的体积效应小得多。

根据瞬变电磁的基本原理和全空间理论。推导出矿井瞬变电磁法的晚期视电阻率计算公式为

2、顶板突水机理及方法选择

煤层回采后，由于煤层的开挖和顶板的变形、破坏，在顶板中形成导水裂隙带。当裂隙带延伸到含水层时，在煤层顶板会出现多条导水通道，含水层中的水将沿着裂隙带涌向采空区，发生突水事故。此外，煤层开采引起原有的张性断裂构造活化，垮落断裂带高度会显著升高，甚至超出理论的防水煤柱高度，破坏顶板隔水层，连通充水层，也会造成水害危险。

煤层电阻率比较高，砂岩其次，粘土岩类最低。因煤系地层的沉积排序比较明晰，在原生地层情况下，其电阻率特征纵向上有固定的变化规律，而在横向上相对比较单一。当存在构造破碎带时，若构造不含水，则其导电性较低，局部电阻率升高；若构造赋存水，因其导电性好，等同于存在局部低阻地质体。当工作面煤层顶板岩层异常构造发育时，都会改变地层电性在横纵向的变化规律，当断层和裂隙含水是，与围岩导电性将有更大差别，为矿井电磁法探测提供了可以施展的地质环境。

矿井瞬变电磁法设备布置形式多样，为探查工作面顶板的赋存水情况，即顶板上的电性变化规律，可选择天线的法线方向朝向探测的顶板区域，同时天线与煤层保持一个夹角，其角度的取值由回采工作面的宽度所决定（一般取450），这样所接收到的信号即煤层顶板在测量范围内地层介质的综合响应，如图1。将其综合具体水文地质资料即可对富水区定位，并对富水程度定性评价。而在装置选取方面，采取多匝线框，回线规格一般为2m*2m回线匝数通常为发射线框 100匝，接收线框 200匝；而时间序列、叠加次数、增益情况等装置参数需根据实际情况多几次试验来确定。

实例分析

淮南某矿某工作面主采煤层为8-1 煤，此工作面走向长度约为 1270m倾向距离为 200m，水文地质条件较复杂，断层发育，顶板约60m以下为砂岩地层。根据此矿及周边矿区采矿经验可知，该区50%以上在防水煤柱线内。该区在掘进过程中，顶板常出现较大涌水现象，严重影响了工作面的正常生产。由于富水区一般为低电阻率值区，尤其在砂岩中，不含水区域拥有明显的高阻值，而富水区电阻率值明显较低，具有显著的电性落差，可用瞬变电磁法进行探测。在该工作面现场沿机巷和风巷按10m 点距完成瞬变电磁数据采集任务，共完成约255个测点，测深方向为斜向面内顶板 450。现场采用多匝重叠装置，每个物理测量点探测了斜向面内顶板方向岩层的富水性。进行数据处理，得到该工作面的视电阻率拟断面图（图 2）。

根据现场实地资料记录，此次探测区域内，胶带机顺槽无明显淋水情况，局部地段可见少量滴水现象。而回风顺槽一侧探测区域前1100m范围内普遍存在滴水现象，局部淋水严重。表明探测区域内回风顺槽相对胶带机顺槽，其顶板浅部岩层含水裂隙发育，与图2 探测区域内煤层顶板岩层电性分布特征基本相符。结合地质资料以及视电阻率等值线形态及其梯度变化情况，确定该工作面以8为高电磁感应区域，即为相对低阻异常区，则图中可见 4个相对低阻区，分别定义为 D-1 区、D-2 区、D-3 区和 D-4区。前3个区域位于回风顺槽一侧，其中D-1.区D-2区向面内延展约50M左右，电阻率值较低，且区域内存在多条落差大于或等于 2M的断层。分析这2处煤层顶板岩层受断层影响，裂隙发育，具有一定富水性。D-3区走向展布大、向面内延展约40M，该处电阻率值较小，推断该处煤层顶板岩层裂隙发育，含水。D-4 区面内延展范围大，该处电阻率值是测试断面内电阻率值最低区域，分析该区富水性强。后期矿方通过钻孔注放水验证，80%以上的较大水量钻孔在圈定的富水区内,出水量小的钻孔基本在圈定的富水区之外。后经注浆加牢，含水区域的突水系数均降至安全线内。该工作面探测表明.矿井瞬变电磁法轻便、快捷，可一定程度指导工作面疏水减压钻孔的布置。

结束语

（1）瞬变电磁仪器具有高信噪比、高自动化等优势；数据测量由微机控制，可实时进行数据回放。通过改变回采装置的平面倾角，可以实现对巷道任意方向的探测。

瞬变电磁法能有效定位采掘面顶板富水区的范围，从而为后期煤层防治水工作提供了可靠的技术依据。

（3）由于矿井环境电磁干扰因素较多，将探测区域附近金属体清理干净、断电的同时，还要调高电流强度，为瞬变电磁探测提供有利的环境。为提高探测精度，建议使用多种方法相互对比，补充验证。

参考文献：

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［4］薛国强.李貅.底青云.瞬变电磁法理论与应用研究进展［J］地球物理学进展.,2007