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疆镬爨 瞬变电磁法在煤矿某巷道采空区积水超前探测中的应用 唐宗源 石家庄经济学院 随着我国经济建设的发展， 对工程与环境的要求越来越高， 而隐患 勘探与监测工作显得尤为重要。 针对水害类型， 采取有效防治措施。 根 据一靠管理， 二靠工程投资， 三靠科学技术进步的煤矿水害防治的基本 原则， 在提高经济效益的同时强化行业管理， 依靠科技进步， 加强技术 管理， 加大工程投入。 煤矿防治水规定 第一章第三条规定 防治水 工作应坚持 “ 预测预报、 有疑必探、 先探后掘、 先治后采”的原则， 采取 “ 防、 堵、 疏、 排、 截” 的综合治理措施。 其中 “ 先探后掘” 中的探即在巷道掘进过程中在迎头利用直接或间 接的方法向前一定范围内进行探测 超前探测 ， 查明前方及其采动影 响范围内是否存在赋含水地质构造、 导含水通道或采空积水区， 为煤 矿的防治水工作提供详细的地质资料。目 前用于超前探测的直接方法 为钻探方 法， 钻探 结果 比较 直观 ， 但 施 工周期较长 ， 对巷 道的正常掘 进 生产影响较大。 用于探测的间接方法即采用地球物理勘探的方法进行 探测， 主要方法有 矿井直流电法 三点三极超前探测方法 、 矿井瞬变 电磁法、 瑞雷波法和矿井地质雷达探测法。 其中瑞雷波法主要解决地质 构造界面的问题， 对构造的赋水性或采空积水区的解释精度较低； 矿井 地 质雷达现 在 主要处 于研 究试 用阶段 ， 主要是 由于其探测 深度相 对较 ， J 、 。 1 ， 瞬变电磁法的理论研究 瞬变电磁法 T E M 是利用不接地回线向地下发射脉冲式一次电磁 场， 用线圈观i贝 l】 由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的 空间和时间分布， 从而来解决有关地质问题的时间域电磁法 脉冲场 源 。 瞬 变电磁法最早起 源于 美国科学 家L． w． B l a n 于1 9 3 3 提 的 “ E l t r a n ” 法。 并由最初的针对地表半空间均匀层状介质的瞬变电磁场 逐步实现了瞬变电磁法一维正、 反演、“ 烟圈” 理论、 以及后来提出的有 限元、 有限差分、 积分方程等二维反演方法和三维正反演算法， 从而地 面瞬变电磁法的基本理论已较为完善。 简单地说， 瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。 其基本工作 方法是 于地面或空中设置通以一定电流的发射线圈， 从而在其周围空 间产生一次电磁场， 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 的电磁场相当干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。 在电流断开之 前， 发射电流在回线周围的大地和空间建立起一稳定的磁场。 瞬变电磁法是时间域电磁法之一， 随时域方法而出现， 它是发展在 后 而发展很快的电法勘 探分支方法。 将瞬变电磁信号用于地质勘探的设想， 早在2 0 世． g 3 0 年代就有人 提出。 最早的时域电磁法在西方称为E l r t n a 法， 它基于L _W． B l n a 在1 9 3 3 年获得的发明专利， 该法利用电磁脉冲激发供电偶极形成电磁场， 用电 偶极测量 电场 。 矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法一样， 采用仪器和测量数据的各 种装置形式和时间窗口 也相同。 由于矿井瞬变电磁法勘探环境的限制， 测量线圈大小有限， 其勘探深度不如地面深， 一般深度在1 0 0 m左右。 地 面瞬变电磁法为半空间瞬变响应， 这种瞬变响应来自 于地表以下半空间 地层， 而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应， 这种瞬变响应是来自 干回 线平面上下 或两侧 地层， 对确定异常体的位置带来困难。 在探测富水区的位置及其分布范围等方面， 瞬变电磁法是目前最 有效的方法之一， 其物理基础是富水区相对于周围地层有明显的电性 差异。 理论上讲， 干燥岩石的电阻率值很大， 但夹际上地下岩石孔隙、 裂 隙总是含水的， 并且随着岩石的湿度或者含水饱和度的增加， 电阻率急 剧下降， 即赋水性的不均匀程度在瞬变电磁参数图件上反映为电阻率 的高低变化； 当岩层完整时其电阻率较高， 受构造运动或地下水作用的 影响， 部分地段岩层破碎或裂隙发育， 破碎程度及其含水的饱和度越大 砂岩、 灰岩富水性增强 ， 岩石的导电性会显著增强， 地层电阻率会明 显 降低 ， 断面 图上会有 明显 的低阻异常反映 2 ， 瞬变电磁法在矿井超前探测中的应用 矿井瞬变电磁法进行超前探时， 要求掘进巷道掘进迎头断面整 齐， 巷道空间高度大于2 米， 距离巷道迎头1 0 米范围内没有较大的金属体 如掘进机械等 ， 以减少其对瞬变电磁场的影响。 利用矿井瞬变电磁法超前探测， 每次的施工时间约4 0 分钟， 施工 结束第二天能够提供初步的探测成果。 因此， 可利用工人换班时间进行 工作， 不影响巷道掘进工作的正常进行。 由于受巷道迎头空间的限制， 矿井瞬变电磁法的发射和接收线圈 的几何尺寸受到的一定的制约， 只能采用多匝小回线的发射和接收装 置形式， 即边长为2 3 m。 测点布置在巷道迎头空间位置， 即从巷道迎头 左侧开始， 首先使发射、 接收天线的法线垂直巷道左侧面进行测量， 然 后按一定角度旋转天线， 使天线的法线方向与巷道的左侧分别成1 5 0 、 3 0 0 、 4 5 0 、 6 0 0 、 7 5 0 N 9 0 0 的夹角进行探测， 当天线的法线方向与巷道迎 头界面垂直时， 根据其主迎头断面的宽度布置2 3 个测点， 到巷道迎头 右侧时再旋转天线， 使法线方向与巷道右侧分别成9 0 0 、 7 5 0 、 6 0 0 、 4 5 0 、 3 0 0 D 1 5 0 的夹角进行探测。 即在多个角度采集数据， 从而获得尽可能完 整的前方空间信息， 故称之为扇形测深技术。 矿井瞬变电磁法是在井下巷道内有限的空间进行， 瞬变电磁场呈 全空间分布。 煤层一般情况下为高阻介质， 电磁波易于通过， 瞬变电磁 法接收线圈接收到的信号是来自 发射线圈周围全空间岩石电性的综合 反映。 巷道迎头正前方煤层连续性较好， 无明显低阻地构造异常， 但在 巷道两 侧分别 存在第一和 第二相 对低 阻异常 区。 低 阻异 常可以理 解为 构造局部裂隙发育， 且被低阻泥岩介质充填的反应。 结论 总体分析这三个方向对应的视电阻率等值线图可知， 在某测点前 3 2 米掘进迎头处超前探测结果如下 第一处低 阻异常区位于巷道迎头 左前方 左侧1 0 3 0 米， 前方 7 O l l 0 米所圈定范围 ， 为对应范围内F 2 断层构造局部裂隙发育， 且被 低阻泥岩介质充填的反应。 从视电阻率值的相对大小分析， 其富含水性 较弱或不含水。 第二处相对低阻异常区位于巷道迎头右前方 右N2 o 6 0 米、 前方 5 0 1 0 0 米所圈定范围 ， 主要来 瓯 煤层方向。 根据两个低阻异常区的具体影响范围， 建议矿方重点对第二处相 对低阻异常区进行钻探验证工作， 以保证煤矿绝对安全生产。 参考文献 [ 1 ] 黄立 军， 陆桂 福 ， 刘瑞德 ． 电性 源瞬变电磁 法在煤 田水文地质调 查中 的应用【 J J ． 工程地球 物理报 ， 2 0 0 4 ， 1 ． 【 2 】 于景邮． 矿井瞬变电磁法理论与应用技术研究[ D 】 ． 徐州 中国矿业大 学， 2 0 0 1 ． 【 3 1 于景邮． 矿井瞬变电 磁法勘探【 M ] ． 徐州 中国矿业大学， 2 0 0 8 ． 【 4 】 刘志新． 瞬变电磁场分布规律与应用研究【 D 】 ． 徐 州 中国矿业大 学， 2 0 0 8 ． [ 5 ] Z星明 ， 白军会 ， 翟彩兰． 物探勘察煤矿采空区方法技 术研 究与应 用 [J ] ． 石油仪器， 2 0 0 8 ， 5 ． 【 6 】 岳 建华 ， 姜 志海 ． 矿井瞬 变电磁 探 测技 术 与应 用f J ] ． 能 源技 术管 理， 2 0 0 6 ， 5 7 2 7 5 ． [ 7 】 静 恩杰， 李志聘． 瞬变电磁 法野外工作 方法【 J 】 ． 中国煤 田地 质， 2 0 0 5 ， 7 ． [ 8 】 成剑文， 刘鸿福， 刘艳 华等． 瞬 变电磁 法在划定煤矿采 空区中的应 用 [ J ] ． 科技情报开发与经济， 2 0 0 5 ， 7 1 4 0 1 4 1 ． 【 9 】 张保祥 ， 刘春 华． 介 绍一种 电探新 方法 瞬变电磁 法[ J ] ． 工程物 探 ． 1 9 9 5 ． [ 1 O ] 方文藻． 工程及水文物探教程 [ M ] ． 西安 西安工程学院应用地 球 物 理教研室， 1 9 9 7 ． 2 0 2