瞬变电磁技术在探测陷落柱中的应用

摘要：以恒源煤电公司任楼煤矿Ⅱ51轨道大巷隐伏陷落柱的超前探测为例，阐述了利用瞬变电磁法在探测矿井隐伏陷落柱工作中的应用效果。研究探测结果表明，在矿井隐伏陷落柱超前预测的特殊区域，充分利用瞬变电磁法物探技术，可以迅速查明异常性质、确定异常的空间展布位置，为钻孔验证提供了很好的靶区，后期陷落柱的治理有了更加充分的安全技术依据。

关键词：瞬变电磁法；超前物探技术；隐伏陷落柱Abstract: In Hengyuan coal and Electricity Co. Renlou Coal Mine II 51 track roadway hidden collapse column advanced detection as an example, expounds the application of transient electromagnetic method of collapse column in coal mine concealed detection. The survey results show that, special area forecast the collapse column in coal mine concealed, make full use of the transient electromagnetic method of geophysical prospecting technology, can quickly identify the abnormal properties, determine the spatial distribution of abnormal location of target area, provides good for drilling verification, later subsided column treatment with security technology based on more fully. 

Keywords: Transient electromagnetic method; advanced geophysical technology; hidden collapse column

中图分类号：O441 文献标识码：A文章编号：

1.前言

安徽恒源煤电股份有限公司任楼煤矿Ⅱ51轨道大巷道掘进到G33-32m迎头位置，在巷道迎头右侧帮布置锚杆时，从锚杆孔内涌出水量最大达20m3/h，经过几天连续水质化验，水的硬度逐渐增高，有灰岩水补给可能。为查明巷道迎头前方含水构造发育情况，采用加拿大生产的PROTEM最新矿井瞬变电磁仪器在Ⅱ51轨道大巷G33-32m迎头位置进行超前探测，在迎头向后250m范围向两侧帮及其底板进行探测。依据矿井瞬变电磁法探测结果，结合矿井水文地质资料综合分析，对巷道迎头前方及两侧帮底板构造发育情况及赋水性进行预测预报，为布置验证钻孔和防治水工作提供资料。

2. 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。

3．矿井瞬变电磁法基本理论

瞬变电磁法或称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，简称TEM，它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：于地面或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。

由于电磁场在空气中传播的速度比导电介质中传播的速度大得多，当一次电流断开时，一次场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地表各点，因此，最初激发的感应电流局限于地表。地表各处感应电流的分布也是均匀的，在紧靠发射回线一次磁场最强的地表处感应电流最强。随着时间的推移，地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散，其强度逐渐减弱，分布趋于均匀。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1所示）。

图1瞬变电磁场的烟圈效应

3.1施工技术、测线及测点布置

1）超前探测测线布置：

⑴II51轨道大巷探测以迎头G33点前22m左帮为1号点，在迎头断面以1m间距向右帮布置4个测点，两帮各布置3个测点，共9个测点，一水平角、俯角30°、俯角45度三个探测角度。

2）侧帮探测测线布置：

⑴II51轨道大巷：G35点至迎头探测走向长250m，两巷各按0度、俯角30度两个方向探测。探测频率为25HZ。布置示意图如下图所示：

图2II 51轨道大巷迎头超前及侧帮探测示意图

3.2成果资料解释分析

根据本次矿井瞬变电磁法超前探测结果和以往探测经验，综合矿井地质和水文地质资料分析，得出如下结论：

1）超前探测成果资料解释

（1）对比Ⅱ51轨道大巷G33-30m迎头三方向探测结果分析，迎头前方55m左右以远、底板下15～100m范围赋水裂隙发育。6月9、10号探测成果在迎头前方35～115 m(G3366.5m～146.5m)存在低阻异常，重点异常位于巷道迎头右前方位置。

2）侧帮探测成果资料解释

（1）Ⅱ51轨道大巷G35点至迎头探测左侧帮及其底板探测结果，横坐标在G35点前35～85m、115～215(重点180～190m)之间位置、巷道左侧帮外底板下20～70m内赋水裂隙发育。

（2）Ⅱ51轨道大巷G35点至迎头探测右侧帮及其底板探测结果，横坐标在G35点前35～85m、115～165m、205～245m之间位置、巷道右侧帮外底板下15～60m内赋水裂隙发育。

3）探测结论

综合II51轨道大巷迎头及后路侧帮探测成果认为:

1、Ⅱ51轨道大巷（G33-30m）迎头三方向探测结果分析，迎头前方55m左右以远、底板下15～100m范围赋水裂隙发育，迎头前方35～115 m(G3366.5m～146.5m)存在低阻异常，在浅部时异常重点右前方底板，深部时异常重点在左前方底板。

2、II51轨道大巷G35迎头巷道两侧帮底板探测: 在G35点前35～85m、115～165m、205～245m之间位置、巷道右侧帮外底板下15～60m内赋水裂隙发育；在G35点前35～85m、115～215(重点180～190m)之间位置、巷道左侧帮外底板下20～70m内赋水裂隙发育，与深部岩层有水力联系。

4．探测工程验证

经井下施工的补4-3孔在钻进至46米时，孔内出水，水量达到30m3/h，此时巷道迎头则不再出水，而施工的4-1孔、补4-2孔层位正常未出现异常情况，因此确定赋水异常区位于巷道上帮，与瞬变电磁探测的异常具有较好的吻合性。根据钻孔出水水质、水温、水量等情况分析认为此范围内存在沟通灰岩水的导水通道，为预防导水通道扩大或以后采动破坏而导致突水酿成灾害，确保矿井安全正常生产并为下一步工作创造条件，经研究决定：对该巷道进行封堵。里段长度148m，砌里挡墙，外段长度35m，砌外挡墙。中间采用碎石充填至巷顶，空隙用碎石子，并布设注浆管路进行注浆加固，避免了透水事故的发生，为该巷道的安全施工赢得了宝贵的时间。

图2II 51轨道大巷迎头超前及侧帮探测异常成果图

5．结束语

矿井瞬变电磁法在井下巷道超前探测方面具有施工方便、对施工空间要求不高、成本较低、技术比较成熟、效率高的特点，特别是在狭小的井下巷道空间中工作和数据采集效率较高，不影响巷道的正常掘进。

超前探出陷落柱体的空间展布位置，保障了巷道的安全、快速掘进。为钻探探查提供较小的布孔靶区，减少钻探工作量，避免了透水事故的发生，为隐患排除及恢复生产赢来宝贵时间。

该设备采用小线圈测量，点距更密（一般为2～20m），降低体积效应的影响，提高勘探分辨率，特别是横向分辨率。因此数据采集劳动强度小，测量设备轻便，工作效率高，成本低。

线圈置于巷道底板测量，探测巷道底板下一定深度内含水异常体垂向和横向发育规律，也可以将线圈直立于巷道内，当线圈面平行巷道掘进前方，可进行超前探测；当线圈面平行于巷道侧面煤层，可探测工作面内和顶、底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律。

参考文献：

[1]刘天放，李志聃. 矿井地球物理勘探［M］.北京：煤炭工业出版社，1993

[2]霍金明,等．瞬变电磁法在煤矿水害预测防治中的应用[M]．西安：西北工业大学出版社，1994

[3]刘树才，岳建华，刘志新．煤矿水文物探技术与应用［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2005

[4]吴玉华等．矿井水害综合防治技术研究［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2005

[5]岳建华，刘树才．矿井TEM探测导水陷落柱及检测注浆效果［J］．徐州：江苏煤炭，2002（4）：7