YCS40矿用本安型瞬变电磁仪的物探原理及其井下应用
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摘要：文章分析了ycs40矿用本安型瞬变电磁仪的工作原理，介绍了YCS40矿用本安型瞬变电磁仪探测矿坑采掘工作面的使用方法及其适用范围，能准确有效地探测到适用区域内的异常区，为工作面设计提供了翔实的地质资料。可以肯定，运用YCS40矿用本安型瞬变电磁仪进行井下物探，是一种非常便捷、有效的技术手段。
关键词：瞬变电磁仪；探测方法；工作面探测
中图分类号：P631 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）09-0051-02
煤矿井下生产中，准确、快速地摸清采掘工作面区域内的各种构造，合理进行采掘设计，就可以避开采掘工作面内部构造及采空积水区对生产的不利影响，提高生产效率。山西煤炭运销集团大通煤业有限公司是典型的兼并重组整合矿井，井田内小矿破坏区多，采区积水区资料不详细，影响矿井基建的顺利进行，为保证矿井的基建进度，保障安全。必须加强矿井地质资料的收集管理，提高地质工作人员的素质，因此采用先进的探测设备，掌握详细的地质资料，是矿井井巷工程开展的先决条件。
1 YCS40矿用本安型瞬变电磁仪的应用原理及适用范围
瞬变电磁法的激励场源主要有两种：一种是回线形式（或载流线圈）的磁源，另一种是接地电极形式的电流源。下面以均匀大地的瞬变电磁响应为例，来讨论回线形式磁偶源激发的瞬变电磁场，从而阐述瞬变电磁法测深的基本理论。
在导电率为σ、导磁率为μ的均匀各向同性大地表面敷设面积为S的矩形发射回线在回线中供以阶跃脉冲电流：
在电流断开之前（t
由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将迅速衰减，由它产生的磁场也随之迅速衰减，这种迅速衰减的磁场又在其周围的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流。这一过程继续下去，直至大地的欧姆损耗将磁场能量消耗完毕为止。这便是大地中的瞬变电磁过程，伴随这一过程存在的电磁场便是大地的瞬变电磁场。
YCS40矿用本安型瞬变电磁仪主要是为了解决矿井中的水害问题，通过发射线圈向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用接收线圈测量地下介质引起的二次感应涡流磁场，从而达到探测介质电阻率的目的，最后分析得到数据并反演成图解释地质体含水情况。
瞬变电磁法对电阻率的灵敏度高、分辨率强，近些年来，许多矿井地质情况比较复杂，主要适用的探测对象有以下六种：
（1）回采工作面隐伏导水构造（陷落柱、封闭不严的钻孔等）。
（2）顶板导水破裂带、上层采空区等。
（3）底板岩溶含水层、岩溶陷落柱等。
（4）掘进头隐伏导水构造、破碎带及小窑边界。
（5）采空区及废弃的充水小窑突水。
（6）顶板垮塌或富集水的采空区。
2 YCS40矿用本安型瞬变电磁仪透视探测方法
YCS40矿用本安型瞬变电磁仪属于精密地质勘探仪器，接收和发射二合一线圈是仪器配套的部件，在现场施工时必须正确地安装与使用，做到轻拿轻放，不得磕碰，避免划伤，以免影响其性能或造成损坏。
工作之前必须认真检查仪器是否能够正常工作、仪器内部的电池电量是否充足、需要组件（发射/接收线圈等）是否配齐。接收和发射二合一线圈等部件每次用完需要清理干净，并且整理放置好。
2.1 测量参数确定
测量深度h和供电电流I及线圈边长b的关系，测量深度h和供电电流大小线圈连长有关。同供电电流的关系，一般电流增大32倍，测量深度只增加2倍，发射线圈边长b，一般实际勘测深度h取同发射线圈边长b和电流I有关。从经验上勘探深度h≈3b。
经验说明：（回线电流≥10A）勘探深度为回线边长的3倍以上（经验）。回线边长一般取100～400m，常用200m。
2.2 供电频率的选择
供电频率的选择一般和勘探深度及抑制50Hz工频干扰有关。就50Hz工频来说，一般选择供电频率应是50Hz的约数或是50Hz的倍数（指我国工业电多用50Hz）。常选用的频率有2.5、6.25、25Hz三种。
2.3 供电方式的选择
常用的一般选择方式1，为双极性占空比为1∶1方波，有利消除多种干扰。
2.4 线圈组合装置的选择及其克服干扰措施
常用的重叠回线装、中心回线装置、大定源回线装置，为了克服强电磁干扰（天电干扰和人为干扰）及为减弱覆盖层耦合，采用双回线组合装置（发射接收电缆
分开）。
大通煤业井下二期辅助回风大巷开拓工程是我矿与刘家庙主风井贯通的重点工程，根据地质报告显示，该巷道要穿越采空区，但具体的地质资料不详细，为保证安全生产，我矿严格按照“物探先行，钻探验证”探放水原则，利用YCS40矿用本安型瞬变电磁仪进行超前探测，再利用钻探的手段进行验证，来查明采空积水区的情况。
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分别成90°、75°、60°、45°、30°、15°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15°、30°、45°、60°、75°和90°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。
在实际工作过程中对于每个发射点，也可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。本次矿井瞬变电磁法探测测点布置在辅助回风大巷联络巷口+120M处迎头及其左右两侧帮位置，测点布置为左帮开始为第一个测点，与迎头左帮夹角分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°；正前方顺巷道掘进方向布置3个测点，右帮与左帮对称，共15个测点。分别采用顺煤层和向煤层顶、板两个方向进行探测（斜向上45°、顺层方向、斜向下45°方向）。
通过对比分析三个方向的视电阻率拟断面图，可以看出顶板方向迎头右侧90°-30°，纵坐标20M-40M范围内；45°-30°，纵坐标40M-60M范围内；顺层方向90°-60°，纵坐标20M-40M范围内；底板方向60°-15°，纵坐标20M-40M范围内，均显示相对低阻异常，可能为赋水裂隙发育。
我矿采用ZYJ-700/250型钻机进行了钻探，在巷道中偏左25°约71m处探出采空区，充分验证了YCS40矿用本安型瞬变电磁仪在井下的有效使用。
4 结语
大通煤业目前正处于矿建阶段，井巷工程处于二期工程，受兼并重组矿井限制，采空积水区资料不详细，所以必须摸清掘进工作面地质情况才能合理地设计，保障基建任务的完成。YCS40矿用本安型瞬变电磁仪为大通煤业井巷工程提供了很好的技术保障，技术比较成熟，具有很高的推广价值。
作者简介：刘来旺（1975―），男，山西煤炭运销集团大通煤业有限公司副总工程师，国家注册安全工程师。