常杰

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河礦，山西晉城 048205)

瞬變電磁法巷道超前探測(cè)①

常杰②

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河礦，山西晉城 048205)

本文介紹了瞬變電磁法井下巷道超前探測(cè)的原理、技術(shù)、方法及應(yīng)用。巷道超前探測(cè)、超前預(yù)報(bào)對(duì)于煤礦的安全掘進(jìn)有著非常重要的作用。瞬變電磁法作為一種快速、高效、方便的探測(cè)方法，可以很好的滿足礦井巷道超前預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的要求。在實(shí)際工程勘探中，該方法可以準(zhǔn)確反映出巷道前方地質(zhì)體的空間特征，為礦井防治水害提供了依據(jù)。

礦井瞬變電磁法;巷道超前探測(cè);構(gòu)造賦水性

0 引言

隨著煤炭開(kāi)采由淺部向深部發(fā)展，構(gòu)造探測(cè)也出現(xiàn)了一些新情況、新問(wèn)題。由于深度增加，地表勘探的精度降低，發(fā)展井下近距離探測(cè)成為目前研究開(kāi)發(fā)的主要課題。巷道掘進(jìn)前方斷層及其破碎帶、裂隙發(fā)育區(qū)、巖溶、陷落柱等構(gòu)造的賦水性的快速準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)對(duì)巷道安全高效掘進(jìn)和預(yù)防水害事故的發(fā)生有著非常重要的作用［1］。近年來(lái)發(fā)展出來(lái)的礦井瞬變電磁技術(shù)憑借其體積效應(yīng)小、探測(cè)方向性強(qiáng)、分辨率高、對(duì)含水低阻體敏感、施工效率高等特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)適合礦井巷道條件的裝置形式，可以有效的解決工作面煤層頂?shù)装濉⒒夭擅簩蛹跋锏狼胺綐?gòu)造賦水性狀態(tài)。特別是在礦井巷道超前探測(cè)方面，瞬變電磁法有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)［2］。

1 瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Methods，簡(jiǎn)稱TEM)是一種建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的時(shí)間域人工源電磁探測(cè)方法。利用不接地回線(磁源)或接地線源(電偶源)向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)(一次場(chǎng))，在其激發(fā)下，地下地質(zhì)體中激勵(lì)起的感應(yīng)渦流將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)電磁場(chǎng)(二次場(chǎng))［3］。該二次場(chǎng)的大小及衰減速度與地下地質(zhì)體的導(dǎo)電性有關(guān)，如果巖石裂隙發(fā)育豐富，含水量較大，導(dǎo)電性好，則二次場(chǎng)衰減慢;反之，二次場(chǎng)衰減較快。根據(jù)二次場(chǎng)衰減曲線的特征就可以判斷地下地質(zhì)體的電性、規(guī)模、產(chǎn)狀等。

應(yīng)該指出，由于電磁場(chǎng)在空氣中傳播的速度比導(dǎo)電介質(zhì)中傳播的速度大得多，當(dāng)一次電流斷開(kāi)時(shí)，一次場(chǎng)的劇烈變化首先傳播到發(fā)射回線周圍地表各點(diǎn)，因此，最初激發(fā)的感應(yīng)電流局限于地表。地表各處感應(yīng)電流的分布也是不均勻的，在緊靠發(fā)射回線一次磁場(chǎng)最強(qiáng)的地表處感應(yīng)電電流最強(qiáng)。隨著時(shí)間的推移，地下的感應(yīng)電流便逐漸向下、向外擴(kuò)散，其強(qiáng)度逐漸減弱，分布趨于均勻。美國(guó)地球物理學(xué)家M.N.Nabighan對(duì)發(fā)射電流關(guān)斷后不同時(shí)刻地下感應(yīng)電流場(chǎng)的分布進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，感應(yīng)電流呈環(huán)帶分布，渦流場(chǎng)極大值最先位于緊靠發(fā)射回線的地表下，隨著時(shí)間的推移，該極大值沿著與地表呈30°傾角的錐形斜面(如圖1)向下、向外移動(dòng)，強(qiáng)度逐漸減弱。

圖1 地下感應(yīng)電流環(huán)帶分布圖

2 工作方法與探測(cè)技術(shù)

2.1 工作方法

礦井瞬變電磁探測(cè)方法依據(jù)所探測(cè)的目標(biāo)及探測(cè)場(chǎng)地的不同有兩種方式：偶極方式和中心方式，如圖2所示。若在井下巷道中對(duì)煤層頂?shù)装暹M(jìn)行探測(cè)時(shí)，由于巷道相對(duì)瞬變電磁探測(cè)要求的最小距離(5 m)要大的多，一般采用移動(dòng)式的偶極探測(cè)方式。通過(guò)在巷道內(nèi)移動(dòng)瞬變電磁系統(tǒng)和改變發(fā)射及接收線圈的方向，可以對(duì)煤層頂?shù)装宀煌较蜻M(jìn)行探測(cè)，得到一個(gè)扇形空間的探測(cè)信息。

巷道掘進(jìn)頭一般只有幾平方米大小，既無(wú)法采用共面偶極方式，也無(wú)法采用中心方式。因此，我們采用了一種不共面同軸偶極方式。如圖3所示，發(fā)射線圈(Tx)和接收線圈(Rx)分別位于前后平行的兩個(gè)平面內(nèi)，二者相距一定距離并處于同一軸線上。觀測(cè)時(shí)接收線圈貼近掌子面，軸線指向探測(cè)方向。對(duì)于巷道掘進(jìn)頭來(lái)說(shuō)，探測(cè)方向分別對(duì)準(zhǔn)巷道正前方、正前偏左、偏右等不同方向，這樣可獲得前方一個(gè)扇形空間的信息。

圖2 瞬變電磁系統(tǒng)偶極及中心工作方式

圖3 巷道掘進(jìn)頭TEM超前探測(cè)裝置方式

2.2 探測(cè)技術(shù)

采用迎頭超前探測(cè)的方案，在局部對(duì)巷道側(cè)邦及頂?shù)装暹M(jìn)行探測(cè)時(shí)，則采用偶極裝置的方案進(jìn)行構(gòu)造及富水性探測(cè)研究。掘進(jìn)巷道前方構(gòu)造及富水性探測(cè)研究超前探測(cè)方案，主要采用多方向水平探測(cè)，使探測(cè)范圍形成一個(gè)以迎頭為中心點(diǎn)的扇形區(qū)域。探測(cè)方向如下圖4所示。為了了解頂?shù)装迩闆r，也可采用垂直方向的探測(cè)方案，如下圖5所示。

圖4 水平方向探測(cè)方式布置示意圖

圖5 垂直方向探測(cè)方式布置示意圖

3 地球物理響應(yīng)特征

從電性上分析不同地層的電性分布規(guī)律為：煤層電阻率值相對(duì)較高，砂巖次之，粘土巖類最低。由于煤系地層的沉積序列比較清晰，在原生地層狀態(tài)下，其導(dǎo)電性特征在縱向上固定變化規(guī)律，而在橫向上相對(duì)比較均一。當(dāng)存在構(gòu)造破碎帶時(shí)，如果構(gòu)造不含水，則其導(dǎo)電性較差，局部電阻率值增高;如果構(gòu)造含水，由于其導(dǎo)電性好，相當(dāng)于存在局部低電阻率值地質(zhì)體。綜上所述，當(dāng)斷層、裂隙和陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育時(shí)，無(wú)論其含水與否，都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規(guī)律。這種變化規(guī)律的存在，為以巖石導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ)的礦井瞬變電磁法探測(cè)提供了良好的地質(zhì)條件［4］。

4 應(yīng)用實(shí)例

以寺河煤礦西一盤區(qū)回風(fēng)一巷構(gòu)造超前探測(cè)為例，本次礦井瞬變電磁探測(cè)，共分五輪進(jìn)行探測(cè)，前四輪為在迎頭進(jìn)行超前探測(cè)研究，第五輪在西軌大巷探測(cè)。每輪探測(cè)范圍如圖6所示。

1)第一輪探測(cè)：迎頭位于設(shè)計(jì)起始點(diǎn)處。瞬變電磁探測(cè)成果如下圖7、8所示。由上圖可見(jiàn)在迎頭前方約15～20m處出現(xiàn)高阻的條帶，可能為不富水?dāng)鄬悠扑閹У姆从场?/p>

圖6 礦井瞬變電磁探測(cè)范圍分布圖

圖8 瞬變電磁探測(cè)成果圖

圖9 瞬變電磁水平方向探測(cè)成果圖

圖10 瞬變電磁探測(cè)成果圖

2)第三輪探測(cè)：迎頭位于6橫川前7 m左右，即距此巷道探測(cè)任務(wù)起點(diǎn)170 m處。由圖9、10可見(jiàn)，在30～40 m處出現(xiàn)一高阻異常區(qū)域，前方巖體相對(duì)較破碎，也有可能為斷層破碎帶。

3)瞬變電磁探測(cè)成果

總結(jié)以上各輪探測(cè)成果，共計(jì)探測(cè)出兩處構(gòu)造異常區(qū)。如下圖11所示，一處為距3號(hào)橫川約17m處，可能為一斷層構(gòu)造。另一處距3號(hào)橫川約200m處，巖體可能破碎或存在斷裂帶。

圖11 西一盤區(qū)回風(fēng)一巷瞬變電磁探測(cè)成果圖

4)瞬變電磁探測(cè)工程驗(yàn)證

在實(shí)際掘進(jìn)前，對(duì)本次探測(cè)成果所圈定的異常區(qū)，進(jìn)行了進(jìn)一步的鉆探考證，逐一對(duì)各異常區(qū)進(jìn)行排查，以防止瓦斯突出及礦井水害的發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探及掘進(jìn)揭露情況分析，超前探測(cè)圈定的兩個(gè)異常區(qū)位置巖體較破碎，出現(xiàn)斷層構(gòu)造。實(shí)際鉆探及掘進(jìn)揭露情況與瞬變電磁探測(cè)結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

礦井瞬變電磁法在井下巷道超前探測(cè)方面具有施工方便、對(duì)施工空間要求不高、成本低、技術(shù)比較成熟、效率高的優(yōu)點(diǎn)，特別是可以在狹小的巷道迎頭空間中工作和數(shù)據(jù)采集效率高，不影響煤礦巷道的正常掘進(jìn)。

該方法可有效地預(yù)測(cè)巷道掘進(jìn)迎頭前方的含水異常，可提前預(yù)報(bào)前方斷層及破碎帶、裂隙發(fā)育區(qū)、巖溶、陷落柱等構(gòu)造的賦水性，保障了巷道的安全、快速掘進(jìn)。同時(shí)瞬變電磁法裝置簡(jiǎn)便、成本低、效率高，能夠短時(shí)間內(nèi)給出結(jié)果，為巷道的快速掘進(jìn)節(jié)約了大量的時(shí)間，提高了煤礦的工作效率，因此在礦井超前探測(cè)方面值得推廣。

［1］郭純，劉白宙，白登海.地下全空間瞬變電磁技術(shù)在煤礦巷道掘進(jìn)頭的連續(xù)跟蹤超前探測(cè)［J］.地震地質(zhì)，2006，9(3)：456－462

［2］姜志海，岳建華，劉志新.礦井瞬變電磁法在老窯水超前探測(cè)中的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2007，4(4)：291－293

［3］牛之璉.時(shí)間域電磁法原理［M］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2007

［4］李運(yùn)啟，李小明，李永軍，王洪德.頂板砂巖富水性的礦井瞬變電磁法探測(cè)［J］.地震地質(zhì)2009，(4)：39－42

Application of Transient Electromagnetic Method in Advanced Detection

CHANG Jie

(Sihe ore of Shanxi Jincheng Coal Industry Group，Jingcheng Shanxi048205)

The principle，technology，method and application of transient electromagnetic method in mine roadway leading pros pecting are introduced in this paper.It is very important for safely tunneling of roadway to apply advanced forecasting technology. TEM has the advantage of expedition，great efficiency，convenience，which is an effective way for the reuest of mine roadway leading prospecting.In a prospecting living example，the spatial feature of anomaly body can be reflected exactly using the TEM in advanced detection，thus it provides a foundation for mine water control.

mine transient electromagnetic method;roadway leading prospecting;water bearing structure

P631.3+25

A

1672－7169(2011)03－0004－04

2011－05－12

常杰(1973－)，男，山西晉城人，大學(xué)畢業(yè)，晉煤集團(tuán)寺河礦副總工程師，長(zhǎng)期從事礦井地測(cè)、生產(chǎn)技術(shù)及管理工作。