瞬变电磁在煤矿防治水工作中的重要作用

摘要：矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法原理基本一样，井下测量的各种装置形式和时间序列也相同。由于矿井瞬变电磁法勘探是在煤矿井下巷道内进行的，与地面比较，矿井瞬变电磁场应为全空间。矿井瞬变电磁法测量参数主要有回线边长大小、回线匝数、时间序列、叠加次数、终端窗口和增益等。本文主要探讨瞬变电磁在煤矿防治水工作中的重要作用。

关键词：瞬变电磁法 煤矿 防治水 重要作用

瞬变电磁法具有体积小、探测方向性强、分辨率高、对低阻区敏感、施工快速的优点，可以用来探测巷道掘进头前方及周围的含水构造、富水岩溶裂隙的位置及形态、评价巷道掘进时的水害安全性，圈定巷道易突水地段，确定注浆堵水的钻孔位置，为矿井的各种水害防治提供依据。

1矿井瞬变电磁法井下施工方法技术

矿井瞬变电磁法工作装置主要有重叠回线装置和偶极装置两种。应用重叠回线装置或中心回线测量，其优点是地质异常响应大、施工方便；缺点是线圈互感、自感效应强，一次场影响严重。采用偶极装置优点是收发线圈互感影响小，消除了一次场影响；缺点是二次场信号弱。矿井瞬变电磁法在煤矿井下巷道内进行，测点间距在2～20 m之间。根据多匝小线框发射电磁场的方向性，可认为线框平面法线方向即为瞬变探测方向。因此，将发射、接收线框平面分别对准煤层顶板、底板或平行煤层方向进行探测，就可反映煤层顶、底板岩层或平行煤层内部的地质异常，如图1所示。

矿井瞬变电磁法测量环境位于井下巷道内，离地面深度一般大于500 m，因此地面瞬变电磁法测量中的各种干扰对井下瞬变电磁法测量影响很小，可不予考虑。但矿井瞬变电磁法除了其电磁响应为全空间场外，其回线组合的尺寸比地面小得多（一般为2m左右），加上井下铁轨、工字钢支护、锚网支护和运输皮带支架等人文设施的影响，使得矿井瞬变电磁超前探测比地面复杂得多。

通过井下实际测量分析，影响井下瞬变电磁法超前探测的主要人文设施有：①巷道底板上的铁轨；②工字钢支护；③锚杆支护；④运输皮带支架等各种金属设施。这些金属设施在井下瞬变电磁法探测中能产生很强的瞬变电磁响应，如在巷道底板下采用重叠回线组合测量时，有铁轨地段比无铁轨地段瞬变电磁响应强几倍。因此，系统研究井下瞬变电磁超前探测中各种噪声的瞬变电磁响应特征，对矿井瞬变电磁法数据采集、资料处理和解释工作有着重要的实际意义。

巷道内铁轨、锚网支护、运输皮带及各种电缆在瞬变电磁中是一种低阻响应，使得实测视电阻率减小几个数量级，但此类影响在测线方向往往是均一的，可作为一种背景异常进行校正。对于巷道内的其他孤立的金属机电设备（如变压器、电机、密集钢梁支护等），在实测时应偏移测点位置尽量避开，同时做好记录，以便在资料解释时排除此类影响。

2实例分析

某煤矿探测预测掘进头前方 23～24m 为低阻区（深蓝部分）。实际钻探时朝巷道前方钻进，当钻进到 23.4m 时，钻孔出水，涌水量为6m3/h，过后不久水量增大到每小时十几立方米，矿里对钻孔及巷道进行注浆封堵。探测掘进头前方上部（+30o方向）均为高阻区，不存在明显的含水构造。探测预测掘进头前方（0o方向）14.7～16.2m 处为低阻区（蓝色部分），实际钻探时朝巷道前方钻进15m 时钻孔出水，水量约 1.5m3/h。探测掘进头前方下部（-30o方向），探测预测前方20～30m，深约17～28m的地段为相对低阻区，分析认为岩层破碎区，后经钻探证实，该地段岩层破碎、岩性相对较软，钻孔有少量水渗流出。

探测预测在测线长约261.4～264.7m（即探水巷第5测量点往前1～4.3m）处的底板下约14～21m地段为异常低阻区（深蓝部分），含水性很大，且为富水区，在测线长约170m（11测量点往后约7m）处、测线长约200m（9测量点往前约8m）处、测线长约280m（4 测量点及往后约 3m）处的底板下约 15～17m 地段为低阻区（墨绿部分），含水性较小。在异常低阻区（深蓝部分）地段实际钻探时朝底板往下钻，当钻进到 14.5m 时钻孔有较大的水涌出，后停钻处理孔口并关闭闸阀，为以后注浆堵水截流之用。

3结果分析

瞬变电磁法的资料解释步骤：首先对采集到的数据进行去噪处理，根据晚期场或全期场公式计算视电阻率曲线，然后进行时深转换处理，得到各测线视电阻率断面图，最后根据探测区的地球物理特征、TEM响应的时间特性和空间分布特征并结合矿井地质资料进行综合解释，划分地层富水区分布范围。

根据矿井瞬变电磁法基本原理和大量应用实例，可以得出如下对矿井瞬变电磁法应用条件和应用效果的一些认识：

①矿井瞬变电磁法是时间域电磁感应法的重要补充和完善。由于发射线圈和接收线圈布置在井下巷道中，全空间效应和巷道影响是巷道围岩介质中瞬变电磁场的两个基本特征，因此，巷道影响下的全空间瞬变电磁场分布变化规律是矿井瞬变电磁法理论基础。②在巷道有限断面内，发射和接收线圈的尺寸受到限制，为提高瞬变电磁场的强度，一般采用增加线圈匝数以扩大发射和接收面积的方法，实践表明，这种做法在提高探测信号信噪比方面确实有效，但随之带来因线圈自感和互感增大致使视电阻率计算值偏低的问题（在10～10.4数量级），与实际情况相差很大，需要进行校正。③巷道金属支护材料、铁轨、电缆和采掘机电设备等对观测结果产生较大影响，合理选择测点位置，采用多次叠加技术是保证井下观测质量的重要措施。④根据探测目标体的空间方位，合理地选择发射线圈和接收线圈的位置，对于提高地质应用效果至关重要。⑤应用实例表明，矿井瞬变电磁法对充水构造或充水岩溶等反映灵敏，加之巷道施工空间的选择余地较直流电法大。建立巷道影响下全空间瞬变电磁场的正演理论，系统研究采煤工作面不同方位地质目标体的地电异常特征，将大大扩大矿井瞬变电磁法的应用领域，在深部开采精细构造探测、工作面顶板岩层变形观测、高渗透应力条件下水与瓦斯突出的预测预报中具有良好的应用前景。

参考文献：

[1]李宏杰. 瞬变电磁探测技术在煤矿防治水中的应用[J].煤矿安全，2013（04）.

[2]王强，占文锋，李瑛，张品刚，李景新. 瞬变电磁法在断层富水性探测中的应用[J].有色金属（矿山部分），2012（06）.

[3]陈强.岩溶地区矿区水文地质评价与施工巷道突发性涌水预测预报[J].黑龙江水利科技，2012（11）.

[4]赵敏，甘志超.小线框瞬变电磁法在探测煤矿充水巷道中的应用[J].煤矿开采，2012（06）.