论文部分内容阅读
[摘 要]瞬变电磁法是矿井防治水害的主要技术手段之一，本文介绍了瞬变电磁法的基本原理和该方法在巷道超前探测上的方法技术，论述了矿井瞬变电磁技术在探测巷道掘进头前方水的有效性，并结合实例证明该方法可以准确反映巷道前方地质体的空间特征，为防治掘进巷道水害提供了依据，很好地满足矿井巷道超前探测预报的要求。
[关键词]矿井瞬变电磁法；煤矿水害； 超前探测； 防治水
中图分类号：R767 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）29-0224-02
0 前言
在煤矿开采过程中经常会碰到一些较大的灾害性地质构造如断层破裂带、裂隙发育区、岩溶陷落柱及其伴生构造等。不仅破坏了煤层的连续性，还可能诱发矿井突水、瓦斯突出、冒顶等事故给煤矿的安全生产造成严重威胁。因此，超前预测巷道前方地质构造具有非常重要的意义，矿井瞬变电磁法是近年来发展起来的在煤矿井下巷道内探查其周围空间不同位置，不同形态含水构造的矿井物探方法之一，其凭借体积效应小、方向性强、分辨率高、对低阻区敏感等一些优点，已成为煤矿水害探测的最佳选择方法[1]。
传统钻探方法虽然准确，但其效率低、成本高、很难圈定富水区范围，并且具有很强的盲目性，而矿井瞬变电磁超前探测可以高效、准确地探测巷道迎头前方赋水状态，可以提高煤矿生产效率，缩短巷道掘进所花费的时间，节约成本。根据矿井巷道复杂的探查环境，选择矿井瞬变电磁法进行超前探查，实践表明，矿井瞬变电磁法对掘进巷道前方构造具有较好的探查效果[2-3]。
1 地质-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[4]。
2 矿井瞬变电磁原理
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，感应电流由于热损耗而随时间衰减。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。
研究结果表明，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）。
“烟圈”的半径r、深度d的表达式分别为：
（1）
（2）
式中a为发射线圈半径，。当发射线圈半径相对于“烟圈”半径很小时，可得，故“烟圈”将沿47度倾斜锥面扩散（如图1），
从“烟圈效应”的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电性的垂向变化。
3 施工技术及测点布置
超前探测主要是在掘进巷道迎头利用直接或间接的方法向巷道掘进方向进行探测，探测前方是否存在地质构造或富水体及导水通道，为巷道的安全掘进提供详细的地质资料。
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2～3m。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，然后旋转天线，使天线的法线方向与巷道的左侧形成一定夹角进行探测；当天线的法线方向与巷道迎头界面垂直時，根据其主迎头断面的宽度布置1～2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形成一定夹角进行探测，同时调整天线的法线与巷道底板的夹角大小，以探测巷道顶板、顺层和底板方向的围岩变化情况，其探测方向如图2所示，测点间距2～5m，共布置个物理点，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。
4 应用实例
图3为迎头位置矿井瞬变电磁超前探测（TEM）视电阻率拟断面图：横坐标在0～150之间对应巷道左侧帮，150～250之间对应巷道迎头位置，250～400之间对应巷道右侧帮，纵坐标为沿探测方向距离，单位均为m。左图为向顶板方向探测结果，中图为顺巷道掘进方向探测结果，右图为向前方底板探测结果。根据TEM视电阻率拟断面图，综合地质和水文地质资料，可确定横向、水平深度和垂向深度电性变化情况。
分析顶板探测结果中视电阻率等值線变化规律可以看出，纵坐标小于40m、横坐标在0～40范围，对应迎头前方及两侧帮顶板范围，视电阻率等值线横向变化差异小，等值线分布均匀，横向基本呈平行分布，等值线数值大于，为明显高阻反映，说明迎头顶板对应探测范围内赋水性弱。横坐标在0～10之间和25～40之间位置、纵坐标在40～125m之间范围，对应迎头位置左右两侧帮顶板，视电阻率等值线横向变化差异大，纵向变化小，视电阻率等值线值在左右。横坐标在15～25之间、纵坐标在40～95m之间范围，视电阻率等值线横向变化差异大，视电阻率等值线值小于，比两测帮低，为明显低阻异常反映，说明迎头前方顶板对应探测范围局部赋水性较强，纵坐标在95～125m之间，等值线数值大于，说明顶板对应探测范围赋水性较弱。 分析顺掘进方向探测结果中视电阻率等值线变化规律可以看出，纵坐标小于35m、横坐标在0～40范围，等值线数值大于，为明显高阻反映，说明迎头前方对应探测范围内赋水性弱。纵坐标在35～70m之間，等值线横向变化较大，等值线数值小于，为相对低阻异常反映，特别是右侧帮反映最明显，说明迎头右侧帮对应探测范围局部赋水裂隙发育。分析视电阻率等值线沿探测方向变化特征，纵坐标在35m左右位置，等值线出现明显扭曲现象，等值线数值由高阻突然减小到低阻，为构造发育反映，局部赋水裂隙发育。
分析向底板探测结果，纵坐标小于35m、横坐标在0～40范围等值线数值大于，为明显高阻反映，说明迎头前方底板对应探测范围内赋水性弱。纵坐标在35～70m之间，等值线横向变化较大，等值线数值小于，为相对低阻异常反映，特别是右测帮底板反映最明显，迎头右侧帮底板对应探测范围局部赋水裂隙发育。分析视电阻率等值线沿探测方向变化特征，纵坐标在35m左右位置等值线出现明显扭曲现象，等值线数值由高阻突然减小到低阻，同样为为构造发育反映，与顺层方向探测有联系，局部赋水裂隙发育。
综合矿井地质和水文地质資料分析，得出如下结论：迎头位置侧帮外30m左右位置构造发育，前方25～45m之间、顶板上15～35m之间局部富水裂隙发育，底板赋水性相对弱。
5 结论
通过研究以及实例展示，可以看出瞬变电磁法探测深度相对较大、施工方便、工作效率高及地质效果好，能够适应目前矿井水文地质勘探工作要求。矿井瞬变电磁法在井下巷道超前探测方面具有很多优点，特别是可以在狭小的巷道迎头空间中工作和数据采集效率高，不影响煤矿巷道的正常掘进，是其它方法所不具备的，该方法可有效地预测巷道掘进迎头前方的含水异常，可提前预报前方断层及破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等构造的赋水性，保障了巷道的安全、快速掘进，但是我们也应看到，要实现瞬变电磁法在这个领域的成熟应用，还需要一段过程，这就需要我们对瞬变电磁法的理论和资料处理进行更深入的研究和探索，从而更好地为矿井水文地质勘探工作服务。
参考文献
[1] 于景邨.矿井瞬变电磁法勘探[M].徐州中国矿业大学出版社：2007.
[2] 于景邨.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：2001.
[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] 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，2007，32（8）：818-821.
[5] 姜志海，岳建华，刘志新.矿井瞬变电磁法在老窑水超前探测中的应用[J].工程地球物理学报，2007，4（4）：291-293.
[6] 李貅.瞬变电磁法在煤田矿井涌水通道勘察中的应用[J].西安工程学院学报，2000，22（3）35-38.
[7] 郭纯，刘白宙，白登海.地下全空间瞬变电磁技术在煤矿巷道掘进头的连续跟踪超前探测[J].地震地质，2006，9（3），456-462.
[关键词]矿井瞬变电磁法；煤矿水害； 超前探测； 防治水
中图分类号：R767 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）29-0224-02
0 前言
在煤矿开采过程中经常会碰到一些较大的灾害性地质构造如断层破裂带、裂隙发育区、岩溶陷落柱及其伴生构造等。不仅破坏了煤层的连续性，还可能诱发矿井突水、瓦斯突出、冒顶等事故给煤矿的安全生产造成严重威胁。因此，超前预测巷道前方地质构造具有非常重要的意义，矿井瞬变电磁法是近年来发展起来的在煤矿井下巷道内探查其周围空间不同位置，不同形态含水构造的矿井物探方法之一，其凭借体积效应小、方向性强、分辨率高、对低阻区敏感等一些优点，已成为煤矿水害探测的最佳选择方法[1]。
传统钻探方法虽然准确，但其效率低、成本高、很难圈定富水区范围，并且具有很强的盲目性，而矿井瞬变电磁超前探测可以高效、准确地探测巷道迎头前方赋水状态，可以提高煤矿生产效率，缩短巷道掘进所花费的时间，节约成本。根据矿井巷道复杂的探查环境，选择矿井瞬变电磁法进行超前探查，实践表明，矿井瞬变电磁法对掘进巷道前方构造具有较好的探查效果[2-3]。
1 地质-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[4]。
2 矿井瞬变电磁原理
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，感应电流由于热损耗而随时间衰减。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。
研究结果表明，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）。
“烟圈”的半径r、深度d的表达式分别为：
（1）
（2）
式中a为发射线圈半径，。当发射线圈半径相对于“烟圈”半径很小时，可得，故“烟圈”将沿47度倾斜锥面扩散（如图1），
从“烟圈效应”的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电性的垂向变化。
3 施工技术及测点布置
超前探测主要是在掘进巷道迎头利用直接或间接的方法向巷道掘进方向进行探测，探测前方是否存在地质构造或富水体及导水通道，为巷道的安全掘进提供详细的地质资料。
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2～3m。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，然后旋转天线，使天线的法线方向与巷道的左侧形成一定夹角进行探测；当天线的法线方向与巷道迎头界面垂直時，根据其主迎头断面的宽度布置1～2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形成一定夹角进行探测，同时调整天线的法线与巷道底板的夹角大小，以探测巷道顶板、顺层和底板方向的围岩变化情况，其探测方向如图2所示，测点间距2～5m，共布置个物理点，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。
4 应用实例
图3为迎头位置矿井瞬变电磁超前探测（TEM）视电阻率拟断面图：横坐标在0～150之间对应巷道左侧帮，150～250之间对应巷道迎头位置，250～400之间对应巷道右侧帮，纵坐标为沿探测方向距离，单位均为m。左图为向顶板方向探测结果，中图为顺巷道掘进方向探测结果，右图为向前方底板探测结果。根据TEM视电阻率拟断面图，综合地质和水文地质资料，可确定横向、水平深度和垂向深度电性变化情况。
分析顶板探测结果中视电阻率等值線变化规律可以看出，纵坐标小于40m、横坐标在0～40范围，对应迎头前方及两侧帮顶板范围，视电阻率等值线横向变化差异小，等值线分布均匀，横向基本呈平行分布，等值线数值大于，为明显高阻反映，说明迎头顶板对应探测范围内赋水性弱。横坐标在0～10之间和25～40之间位置、纵坐标在40～125m之间范围，对应迎头位置左右两侧帮顶板，视电阻率等值线横向变化差异大，纵向变化小，视电阻率等值线值在左右。横坐标在15～25之间、纵坐标在40～95m之间范围，视电阻率等值线横向变化差异大，视电阻率等值线值小于，比两测帮低，为明显低阻异常反映，说明迎头前方顶板对应探测范围局部赋水性较强，纵坐标在95～125m之间，等值线数值大于，说明顶板对应探测范围赋水性较弱。 分析顺掘进方向探测结果中视电阻率等值线变化规律可以看出，纵坐标小于35m、横坐标在0～40范围，等值线数值大于，为明显高阻反映，说明迎头前方对应探测范围内赋水性弱。纵坐标在35～70m之間，等值线横向变化较大，等值线数值小于，为相对低阻异常反映，特别是右侧帮反映最明显，说明迎头右侧帮对应探测范围局部赋水裂隙发育。分析视电阻率等值线沿探测方向变化特征，纵坐标在35m左右位置，等值线出现明显扭曲现象，等值线数值由高阻突然减小到低阻，为构造发育反映，局部赋水裂隙发育。
分析向底板探测结果，纵坐标小于35m、横坐标在0～40范围等值线数值大于，为明显高阻反映，说明迎头前方底板对应探测范围内赋水性弱。纵坐标在35～70m之间，等值线横向变化较大，等值线数值小于，为相对低阻异常反映，特别是右测帮底板反映最明显，迎头右侧帮底板对应探测范围局部赋水裂隙发育。分析视电阻率等值线沿探测方向变化特征，纵坐标在35m左右位置等值线出现明显扭曲现象，等值线数值由高阻突然减小到低阻，同样为为构造发育反映，与顺层方向探测有联系，局部赋水裂隙发育。
综合矿井地质和水文地质資料分析，得出如下结论：迎头位置侧帮外30m左右位置构造发育，前方25～45m之间、顶板上15～35m之间局部富水裂隙发育，底板赋水性相对弱。
5 结论
通过研究以及实例展示，可以看出瞬变电磁法探测深度相对较大、施工方便、工作效率高及地质效果好，能够适应目前矿井水文地质勘探工作要求。矿井瞬变电磁法在井下巷道超前探测方面具有很多优点，特别是可以在狭小的巷道迎头空间中工作和数据采集效率高，不影响煤矿巷道的正常掘进，是其它方法所不具备的，该方法可有效地预测巷道掘进迎头前方的含水异常，可提前预报前方断层及破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等构造的赋水性，保障了巷道的安全、快速掘进，但是我们也应看到，要实现瞬变电磁法在这个领域的成熟应用，还需要一段过程，这就需要我们对瞬变电磁法的理论和资料处理进行更深入的研究和探索，从而更好地为矿井水文地质勘探工作服务。
参考文献
[1] 于景邨.矿井瞬变电磁法勘探[M].徐州中国矿业大学出版社：2007.
[2] 于景邨.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：2001.
[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] 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，2007，32（8）：818-821.
[5] 姜志海，岳建华，刘志新.矿井瞬变电磁法在老窑水超前探测中的应用[J].工程地球物理学报，2007，4（4）：291-293.
[6] 李貅.瞬变电磁法在煤田矿井涌水通道勘察中的应用[J].西安工程学院学报，2000，22（3）35-38.
[7] 郭纯，刘白宙，白登海.地下全空间瞬变电磁技术在煤矿巷道掘进头的连续跟踪超前探测[J].地震地质，2006，9（3），456-462.