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矿井瞬变电磁法在青岗坪煤矿探水中的应用

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戴如金

摘要：钻孔突水事故影响井下生产安全，瞬变电磁法可对含水异常区进行有效预测。在青岗坪煤矿42105掘进巷道工作面迎头235 m处，使用矿井瞬变电磁法探测测区内各方向的导电及含水情况并圈定含水异常区，可以为后续的巷道掘进及安全生产工作提供有效指导。

关键词：煤矿;瞬变电磁法;超前探测

中图分类号：P631.325文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）29-0078-03

Abstract： The borehole water inrush accident affects downhole production safety， and the transient electromagnetic method can effectively predict the water-bearing abnormal area. In Qinggangping Coal Mine 42105 tunneling face at 235 m head-on， the mine transient electromagnetic method is used to detect the conduction and water content in all directions in the survey area and delineate the abnormal water content area， which can provide effective guidance for subsequent roadway excavation and safe production.

Keywords： coal mine;transient electromagnetic method;advanced detection

在煤礦开采过程中，承压水等水体沿裂隙及钻孔涌入工作区，严重影响矿井安全生产。煤层顶底板砂岩构造裂隙发育，其导电性受含水量的影响比较显著，电法勘探常用于解决水文地质和工程地质中的相关问题，它是以地壳中岩矿石间的电性差异为基础，通过观测和研究电磁场的空间与时间分布规律进行勘探的方法，能有效探测含水异常区[1]。其中，矿井瞬变电磁法使用的测量装置体积小、易携带、精度可靠，常用于完成井下富水区域的探测工作[2]。因此，为避免生产作业受到地下水体的影响，采用矿井瞬变电磁法对井下含水陷落柱、富水异常区、迎头前方突水构造等含水地质体进行探测，这样不仅能合理地设计巷道走向，还能在保证生产安全的同时提高社会经济效益，其在水文地质勘探中具有实际应用价值[3]。

1 矿井瞬变电磁法原理及特点

瞬变电磁法是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，该脉冲电磁场通过产生地下涡流可引起二次电磁场，然后用接收装置观测二次电磁场空间和时间分布的时间域电磁法[4-5]。根据工作环境不同，其使用的测量装置也有所差异。矿井瞬变电磁法是瞬变电磁法在井下环境中的特殊运用，其基本原理在于线圈产生的电磁场可等效为一个水平环状线电流的磁场[6]，而且煤层通常对电磁波不具屏蔽性，故矿井瞬变电磁可扩散至全空间，所测信号为线框周围全空间岩石电性的综合反映，再通过结合地质资料可判断地质异常体的空间位置。

矿井瞬变电磁勘探在井下巷道进行，因此在测量装置、资料处理和解释方法方面主要有以下特点[7-8]：装置多采用边长小于3 m的多匝小线框，体积小且轻便，工作效率高;采用更密的勘测点距（一般为2～20 m），可提高异常体的感应信号强度;小线框发射的电磁波具有方向性，可对顶、底板及迎头方向的含水异常体进行超前探测;受井下金属仪器设备的影响较大，须在后期的数据处理中进行校正;受关断时间的影响，矿井瞬变电磁法一般无法探测到更浅部的异常体，往往在浅部形成30 m左右的盲区。综合以上特点，在采用矿井瞬变电磁法进行探水时必须结合实际情况选择合适的探测装置，以达到最佳效果。

2 青岗坪煤矿4-2煤探测分析

2.1 测点布置及施工方法

矿井瞬变电磁法在井下巷道中采用多匝数小回线装置测量，参数选择是否合理直接影响测量结果，一般可通过增加回线匝数、加大发射电流来增大发射磁矩，从而提高发射功率，增加有效探测深度[9]。

陕西青岗坪煤矿采用矿井瞬变电磁法进行含水异常区的探测，其间使用重叠回线装置，发射线框和接收线框统一采用2 m×2 m矩形多匝回线，采样时窗定为1～34，叠加次数为64次，选用标准时间序列。探测测点布置于陕西青岗坪煤矿42105掘进巷道工作面迎头235 m处，由于该迎头处左、右两侧均为老空巷分布，故探测方向由左侧30°开始到右侧30°结束，具体测点布置与探测方向如图1、图2所示。

如图1所示，42105工作面掘进巷道235 m迎头共布置14个测点，每个测点根据图2所示的三个方向进行探测：D1、D3与巷道的倾角均为20°;D2平行于巷道倾向;三个方向共完成观测物理点42个，对迎头顶板、前方、底板的岩层电性变化情况进行充分勘测。

2.2 资料解释

瞬变电磁法的资料解释步骤是首先对采集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响应的时间及空间分布特征，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。此外，井下的许多金属设施如工字钢支护、锚杆支护等在矿井瞬变电磁法探测中能产生很强的瞬变电磁响应，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具有实际意义[10]。

42105工作面掘进巷道235 m迎头各方向视电阻率等值线断面图如图3所示。该图以巷道迎头中心点为坐标原点，沿探测方向的探测深度在垂直巷道走向上的分量为横坐标（单位：m），在平行巷道走向上的分量为纵坐标（单位：m）。

通过对各个探测方向视电阻率等值线断面图的分析，可圈定5个相对低阻异常区，通过异常区所在扫描线的区间及与迎头间的距离可初步确定其位置。5个低阻异常区所在方位如表1所示。各异常区的视电阻率值相对围岩视电阻率变化较小，在分布范围上，异常区三及异常区五分布范围较大，其余分布范围较小。

综合本次物探成果分析来看，几处低阻异常区视电阻率相对周围围岩视电阻率的差值为10～20 Ω·m，两者视电阻率变化均较小，推测其为强富水区的可能性较低。实际探测时，迎头处铁器等干扰物已清理干净，故推测异常可能为采空巷道金属干扰或采空巷道少量积水引起，在掘进过程中，矿方要予以注意。

3 结论

水体异常区探测在矿井掘进的过程中至关重要，通过合理的探测手段勘查水體异常区可在保障安全生产的同时提高生产效益。在井下探水工作中，矿井瞬变电磁法应用效果良好。本文分析了陕西青岗坪42105工作面掘进巷道235 m迎头采用矿井瞬变电磁法的探水结果，其在迎头顶板、底板及迎头方向共划分了5个含水异常区，造成异常的原因可能是巷道金属干扰或采空巷道少量积水。因此，在后续开采的过程中，要采取有效措施防止事故的发生。

电法勘探属体积勘探，具有体积效应，探测设备的参数选择应注意因地制宜，才能达到效果最大化，此外，在资料采集的过程中使用矿井瞬变电磁法时应尽量避免金属设备的干扰。由于影响地质推测成果的因素较多，存在不确定性，因此矿方要根据掘进及钻探情况进行实时分析并做出调整，保证该成果能有效地指导生产。

参考文献：

[1]刘天佑.地球物理勘探概论[M].北京：地质出版社，2007.

[2]孙二峰，郭峰伟.瞬变电磁法在煤矿井下探水中的应用[J].技术与市场，2011（9）：200.

[3]刘树才，刘鑫明，姜志海，等.煤层底板导水裂隙演化规律的电法探测研究[J].岩石力学与工程学报，2009（2）：348-356.

[4]严军，梁标，韩学长，等.瞬变电磁法在腾升煤矿探放水中的应用[J].科技创新导报，2009（25）：86.

[5]杨泽宇，周志浩，何俊杰.电法勘探在城区地面塌陷调查中的应用[J].科学技术创新，2020（25）：181-182.

[6]于景邨，刘志新，刘树才，等.深部采场突水构造矿井瞬变电磁法探查理论及应用[J].煤炭学报，2007（8）：818-821.

[7]刘志新，于景村，郭栋.矿井瞬变电磁法在水文钻孔探测中的应用[J].物探与化探，2006（1）：59-61.

[8]满在山，王档良，曾广东.矿井瞬变电磁法在新驿煤矿探水中的应用[J].煤炭科学技术，2009（4）：106-109.

[9]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（4）：177-182.

[10]程久龙，李飞，彭苏萍，等.矿井巷道地球物理方法超前探测研究进展与展望[J].煤炭学报，2014（8）：1742-1750.

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