趙文曙，王俊奇，牟 義

礦井瞬變電磁法在探測頂板老空區(qū)中的應(yīng)用

趙文曙1，王俊奇1，牟 義2

(1.西山煤電集團西山圪堆煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042403;2.煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院，北京 100013)

以巷道掘進頭超前探測頂板上層煤采空區(qū)為例，通過采用礦井瞬變電磁法超前探測技術(shù)，在巷道掘進頭進行超前數(shù)據(jù)采集，進行數(shù)據(jù)處理、反演計算等，形成巷道掘進頭頂板視電阻率剖面圖，解釋了巷道掘進頭上層煤采空區(qū)的范圍和位置特征，該超前探測方法拓展了超前探測的范圍，建立了一套適合煤礦采掘過程中超前全方位探測的技術(shù)方法。結(jié)果表明：礦井瞬變電磁法拓展了傳統(tǒng)礦井物探方法的探測范圍，實現(xiàn)了礦井全方位的超前探測，不僅能探測前方，對頂、底板以及側(cè)幫都有較好的探測效果;礦井瞬變電磁法不僅可以反演形成剖面圖，還可以形成不同探測角度的順層切片圖，實現(xiàn)了多角度立體探測。

礦井瞬變電磁法;PROTEM瞬變電磁儀;超前探測;采空區(qū)物探;切片

由于各種礦產(chǎn)資源的開采，在地下形成了采空區(qū)。特別是各種小煤窯的泛濫開采，導(dǎo)致許多隱性采空區(qū)的存在，給煤礦鄰近煤層的掘進和回采產(chǎn)生安全隱患，特別是對下層煤的開采產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在三個方面：即遺煤自燃、老空區(qū)內(nèi)積水透水和采空區(qū)“活化”、頂板發(fā)生大面積垮落。如果下部煤層與老采區(qū)的距離大于下部煤層開采后覆巖破壞產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶高度，則老空區(qū)這些安全隱患對下部煤層一般不會造成直接影響;相反，如果距離小于導(dǎo)水裂隙帶高度，這三種安全隱患均會對下部煤層的安全開采造成不同程度的威脅。因此，必須對采空區(qū)的位置、范圍、邊界等進行勘探。采空區(qū)探測多采用物探方法，有時結(jié)合部分鉆孔資料進行驗證。目前，采空區(qū)的探測已經(jīng)成為一項重要的研究課題，但是仍處于發(fā)展階段。探測的物探方法很多，各有所長。例如，地質(zhì)雷達、淺層地震、高密度電法、TEM等都在采空區(qū)探測中發(fā)揮著重要作用。但在井下掘進巷道中對上層煤采空區(qū)進行探測，在國內(nèi)外還比較少見，本文以加拿大產(chǎn)PROTEM47礦用瞬變電磁儀為例，在掘進巷道中對上層煤采空區(qū)進行探測研究，以尋求新的解決煤礦安全開采的有效探測手段。

PROTEM礦井瞬變電磁儀由于儀器設(shè)備輕便、工作效率較高、方向性好、探測精度高，應(yīng)用越來越廣，不僅能夠在井下對富水性進行探測，而且能對采空區(qū)、斷層等構(gòu)造進行探測，成為地球物理探測方法中應(yīng)用前途最好的方法之一。瞬變電磁法能對工作面全空間多個角度探測形成視電阻率斷面圖，對煤層頂?shù)装宀煌疃冗M行高精度的數(shù)據(jù)解釋，解釋結(jié)果立體直觀，一目了然。本文以山西某煤礦總回風(fēng)巷頂板老空區(qū)的探測研究為例，對瞬變電磁法井下探測的應(yīng)用進行拓展研究。

1 工作面概況和地球物理特征

礦區(qū)批準(zhǔn)開采9、10、11號煤層，9+10煤總回風(fēng)巷位于井田中西部。本次井下物探施工位置主要位于9+10煤總回風(fēng)巷掘進頭位置，開采標(biāo)高約為970～980 m，巷道寬度約為4.2 m，巷道高度約為2.8 m，傾角約為7°～8°，距離后方10104回風(fēng)順槽大約40 m。沿著9+10煤總回風(fēng)巷掘進方向左側(cè)約35 m處為9+10煤集中軌道巷，左側(cè)約80 m處為9+10煤集中運輸巷;沿著9+10煤總回風(fēng)巷掘進方向右側(cè)為10104回風(fēng)順槽。9+10煤上距2號煤層平均約為82.5 m，上距 3 號煤層間距 73.05 ～74.36 m，平均73.85 m 左右，煤層厚度 6.93 ～9.67 m，平均 8.13 m，總回風(fēng)巷附近煤厚平均約為6.58 m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含2～7層夾石，層位穩(wěn)定，厚度變化不大，頂板為石灰?guī)r，厚度約為6～8 m，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，為穩(wěn)定可采煤層。

煤層賦存于成層分布的煤系地層中，煤層被開采后形成采空區(qū)，當(dāng)殘留巷道或覆巖冒落裂隙帶中未充水或少量充水，采空區(qū)將表現(xiàn)為高電阻率異常特征，一般要比正常巖層的電阻率高3～5倍，可達幾百上千Ω·m;而當(dāng)采空區(qū)完全充水后，水體不僅充填了老塘，而且也充填了冒落裂隙帶，因而在巖體破壞區(qū)，其電阻率又明顯降低，呈現(xiàn)低電阻率異常特征。通過探測地下巖層的電阻率及其變化，可以判定巖層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和含水狀況，這也是本次電磁法探測采空區(qū)的物理前提。

2 礦井瞬變電磁法原理與工作方法

2.1 工作原理

瞬變電磁法或稱時間域電磁法(Time domain electromagnetic methods)，簡稱TEM，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法［1］。簡單地說，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應(yīng)定律。礦井瞬變電磁法基本原理與地面瞬變電磁法一樣，采用儀器和測量數(shù)據(jù)的各種裝置形式和時間窗口也基本相同。受礦井瞬變電磁法勘探環(huán)境的限制，測量線圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般勘探深度小于150 m。地面瞬變電磁法為半空間瞬變響應(yīng)，這種瞬變響應(yīng)來自于地表以下半空間地層;而礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應(yīng)，這種瞬變響應(yīng)是來自于回線平面上下(或兩側(cè))地層。

2.2 工作方法

本次探測采用的儀器為加拿大PROTEM－47型瞬變電磁儀，該儀器具有抗干擾、輕便、自動化程度高等特點。數(shù)據(jù)采集由微機控制，自動記錄和存儲，與微機連接可實現(xiàn)數(shù)據(jù)回放。本次礦井瞬變電磁法探測采用專門用于井下的多匝矩形發(fā)射線框，邊長為2 m×2 m。采用偶極裝置進行探測，發(fā)射線框和接收線框是2個獨立的線框，探測時中間間隔一定距離。探測測點布置在工作面總回風(fēng)巷掘進頭位置。將線圈平面以任意方向、每個方向以任意角度放置于巷道中進行測量，探測線圈平面法線方向一定深度內(nèi)采空區(qū)的垂向和橫向發(fā)育規(guī)律，若發(fā)射線框和接收線框水平放置于巷道，則探測巷道正上方頂板或正下方底板一定范圍的電阻率分布;若發(fā)射線框和接收線框傾斜放置于巷道，則探測工作面上方頂板或下方底板一定范圍的電阻率分布，根據(jù)電阻率分布情況推斷頂板或底板采空區(qū)情況。

3 礦井瞬變電磁法探測實施方案

超前探是在總回風(fēng)巷掘進頭的位置(距離后方10104回風(fēng)順槽約40 m)進行，在掘進頭布置4個不同方向(0°、－45°、－90°和水平旋轉(zhuǎn)方向)的測點，前3個不同方向平面示意圖見圖1，每個方向測點按照13 個不同角度(90°、75°、60°、45°、30°、15°、0°、－ 15°、－30°、－45°、－ 60°、－75°、－90°)進行，其中 0°測點、－90°測點和水平旋轉(zhuǎn)方向測點示意圖分別見圖2，圖3，圖4。

4 資料處理與解釋

4.1 資料處理

井下采集的數(shù)據(jù)在室內(nèi)首先將儀器數(shù)據(jù)傳送到微機中進行預(yù)處理，即檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，剔除不合格數(shù)據(jù)，對測點進行編錄，整理成專用數(shù)據(jù)處理軟件所需要的數(shù)據(jù)格式。處理中用了TEM軟件處理，通過surfer和autocad的作圖功能，得到各測線的視電阻率剖面圖。

瞬變電磁法觀測到的數(shù)據(jù)是各測點各個時窗的瞬變感應(yīng)電壓，同一個測點不同時窗的感應(yīng)電壓不僅與某個深度的地層電阻率具有一定的相關(guān)性，而且和該深度上覆地層電阻率相關(guān)。瞬變電磁數(shù)據(jù)處理的目的是：

1)二次場歸一化感應(yīng)電壓由于信號小，容易受各種人文電磁干擾，去除非地層電性產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是瞬變電磁處理的首要目標(biāo)。采用了直接的畸變剔除和非線性濾波兩種方式。

2)盡管感應(yīng)電壓高對應(yīng)電阻率低，但不同時間的瞬變電磁二次常感應(yīng)電壓跨越了5、6個數(shù)量級(甚至更大)，而且不直觀。將歸一化瞬變感應(yīng)電壓換算成視電阻率、視縱向電導(dǎo)、視深度等直觀參數(shù)是瞬變電磁數(shù)據(jù)處理不可缺少的，也是最基礎(chǔ)的工作，它符合深度多少米電阻率多少的常規(guī)解釋要求。

4.2 解釋原則

根據(jù)掌握的本區(qū)地質(zhì)與地球物理資料，結(jié)合實測電阻率分布特點，把巖層完整性及含水程度與電阻率的一般對應(yīng)關(guān)系分為3個級別：

1)推斷含水巖層：對應(yīng)的電阻率小于40Ω·m。

2)推斷弱含水的實體巖層：對應(yīng)的電阻率小于200Ω·m或者范圍較大，對應(yīng)電阻率介于40～200 Ω·m。

3)推斷不含水的破碎巖層或采空區(qū)、巷道：對應(yīng)電阻率大于200Ω·m。

4.3 資料解釋

經(jīng)過反演處理以后，形成各測線的反演電阻率成像剖面數(shù)據(jù)文件和平面文件，以總回風(fēng)巷0°方向超前探測電阻率剖面圖為例，對照該圖對掘進頭前方地質(zhì)情況進行解釋。

圖5 0°方向測點正前方超前探電阻率剖面圖

0°方向測點上方電阻率剖面圖見圖5，該剖面圖坐標(biāo)原點為總回風(fēng)巷掘進頭，其中橫坐標(biāo)為總回風(fēng)大巷掘進頭沿0°水平方向，其中正值為0°方向前方，負值為沿0°方向后方，縱坐標(biāo)為總回風(fēng)大巷掘進頭垂直頂板方向。圖上所標(biāo)角度為該方向測點不同探測角度，其中又分為前上方和后上方不同方向。沿不同探測角度的有效探測深度為80 m，80 m以外采集數(shù)據(jù)不可靠，解釋結(jié)果僅供參考。

在有效探測范圍80 m之內(nèi)存在3處高阻異常和1處低阻異常，3處高阻異常和1處低阻異常幅度不明顯，結(jié)合該工作面的開采資料和視電阻率等值線梯度變化特征，在該剖面橫坐標(biāo)方向0～80 m、縱坐標(biāo)方向0～60 m和極坐標(biāo)后上方30°～前上方45°之間位置，局部視電阻率值在200Ω·m附近，產(chǎn)生較弱高阻異常，為高阻異常體1，推斷該位置是由于高阻巖層、構(gòu)造或電力干擾引起;在該剖面橫坐標(biāo)方向－20～0 m、縱坐標(biāo)方向20～60 m和極坐標(biāo)后上方60°～上方90°之間位置，局部視電阻率值在200Ω·m附近，產(chǎn)生較弱高阻異常，為高阻異常體2，推斷該位置是由于高阻巖層、構(gòu)造或電力干擾引起;在該剖面橫坐標(biāo)方向60～80 m、縱坐標(biāo)方向0～20 m和極坐標(biāo)正前方0°～前上方15°之間位置，局部視電阻率值在200Ω·m附近，產(chǎn)生較弱高阻異常，為高阻異常體3，推斷該位置是由于高阻巖層、構(gòu)造或電力干擾引起;在該剖面橫坐標(biāo)方向－40～－20 m、縱坐標(biāo)方向0～40 m和極坐標(biāo)后方0°～后上方60°之間位置，視電阻率值小于40Ω·m，產(chǎn)生較弱低阻異常，為低阻異常體1，推斷該位置是由于前方底板低阻巖層干擾、前方底板弱含水體干擾或電力干擾引起。

在有效探測范圍80 m之外存在2處高阻異常，異常幅度較明顯。結(jié)合該工作面的開采資料和視電阻率等值線梯度變化特征，在該剖面橫坐標(biāo)方向－100～－50 m、縱坐標(biāo)方向0～80 m和極坐標(biāo)后上方0°～前上方45°之間位置存在局部高阻異常，視電阻率值大于200Ω·m，為高阻異常體4，推斷該位置是由于采空異常、構(gòu)造異常、高阻巖層或由于電力產(chǎn)生干擾影響引起的;在該剖面橫坐標(biāo)方向－90～40 m、縱坐標(biāo)方向80～140 m和極坐標(biāo)后上方45°～前上方75°之間位置存在大范圍高阻異常，視電阻率值大于200Ω·m，為高阻異常體5，結(jié)合老空區(qū)分布層位，推斷該位置是由于采空引起，為采空異常區(qū)域。

5 結(jié)語

結(jié)合在山西部分煤礦的探測經(jīng)驗和礦井瞬變電磁法的特點，為了在巷道掘進過程中實現(xiàn)更全方位的超前預(yù)測預(yù)報，實現(xiàn)巷道的安全掘進，提出以下建議：

1)本文僅以巷道掘進頭頂板采空區(qū)探測為例，表明了礦井瞬變電磁法探測巷道頂板效果明顯，在其他實際應(yīng)用過程中，礦井瞬變電磁法對巷道掘進頭底板以及側(cè)幫都取得了非常明顯的效果。該方法拓展了傳統(tǒng)礦井物探方法的探測范圍，實現(xiàn)了礦井全方位的超前探測。

2)礦井瞬變電磁法采用發(fā)射線框(邊長2 m×2 m)和接收線框分別為匝數(shù)不等的2個獨立回線，采用中心回線裝置，與異常體產(chǎn)生最佳耦合響應(yīng)，提高信噪比，有利于異常的識別。該裝置與其它礦井物探方法相比，具有輕便、快速、探測深度大和對異常體反映靈敏等特點。

3)礦井瞬變電磁法采用不接地回線，可以實現(xiàn)多角度立體探測，這是高密度電法所不能實現(xiàn)的。

4)礦井瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理過程中采用最新的切片技術(shù)，不僅可以反演形成剖面圖，還可以形成不同探測角度的順層切片圖，可以實現(xiàn)多角度立體探測。

［1］ 李金銘.地電場與電法勘探［M］.北京：地質(zhì)出版社，2005：87－89.

［2］ 張昌達.空時間域電磁法測量系統(tǒng)：回顧與前瞻工程地球物理學(xué)報.2006，3(4)：269－273.

［3］ 劉樹才，岳建華，劉志新.煤礦水文物探技術(shù)與應(yīng)用［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2006：3－5.

［4］ 虎維岳.礦山水害防治理論與方法［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2005：18－19.

［5］ 蔣邦遠.實用近區(qū)磁源瞬變電磁法勘探［M］.北京：地質(zhì)出版社，1998：7－9.

［6］ 徐永圻.煤礦開采學(xué)［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999：135－137.

［7］ 岳建華，劉樹才.礦井直流電法勘探［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000：62－64.

［8］ 張金才，劉天泉.論煤層底板采動裂隙帶的深度及分布特征［M］.煤炭學(xué)報，1990，15(2)：46－55.

［9］ 高延法，李白英.受奧灰承壓水威脅煤層采場底板變形破壞規(guī)律研究［J］.煤炭學(xué)報，1992，17(2)：37－39.

［10］ 張紅日，張文泉，溫興林，等.礦井底板采動破壞特征連續(xù)觀測的工程設(shè)計與實踐［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2000，20(4)：1－4.

Application on Transient Electric Magnetic Method in Roof Goaf Detection of Coal Mine

Zhao Wen－shu，Wang Jun－qi，Mu Yi

The article takes advanced detection of the roof upper coal goaf in the tunnelling end as example，by adopting advanced detection technology of transient electric magnetic method of coal mine，carrying out the advanced detecting data collect in the tunnelling end，data handling，inverse calculation and etc.，forms the apparent resistivity section chart of the tunnelling end roof，explains the range and location characteristic of the upper coal goaf in the tunnelling end.The advancing detection method open up range of the advancing detecting，has built a set of the technology method of being suitable to the all－direction advancing probing in mining and digging process of coal mine.Result is indicated that transient electric magnetic method of coal mine has open up the tradition detecting range of geophysical prospecting in coal mine，has realized the all－ direction advanced detecting，not only the front，but also the roof，the floor and the side have better probing effect.Transient electric magnetic method of coal mine has not only inverse calculation to sectional drawing，also can form tier section pictures of the different probing angle，realize multiangle stereoscopic detecting.

Transient electric magnetic method of coal mine;PROTEM transient electromagnetic instrument;Advanced detection;Goaf geophysical prospecting;The section

TD163

A

1672－0652(2012)07－0030－04

2012－06－20

趙文曙(1972—)，男，山西長治人，1995年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，工程師，主要從事礦井技術(shù)管理及地質(zhì)測量工作(E －mail)1369292240@qq.com