矿井瞬变电磁探测方法的特点与应用
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【摘 要】随着煤矿综合机械化的不断发展，对地质工作的要求越来越高，在煤矿生产过程中，综采工作面内的局部小构造、含水性等都会影响煤矿的生产安全，其主要原因是细微的地质构造不清楚，传统的地质方法又无能为力。因此将地面物探移到井下，发展更适合于矿井特殊条件和工作环境的勘探方法和技术，以近距离解决煤矿井下的具体问题势在必行。矿井瞬变电磁法是目前开展井下物探的重要手段之一，它是利用井下各种岩石的电性差异来完成地质任务的一种物探方法。
一、工程概况
本次瞬变电磁探测工作分为两个部分，第一部分于2011年3月20日完成，在丁6—23160采面机巷内布置测线，探测采面顶板及煤层富水性情况；第二部分于2011年3月21日完成，在丁6—23160采面风巷内布置测线，探测采面顶板及煤层富水性情况。本次探测以丁6—23160采面顶板富水情况为主要探测目标，采用矿井瞬变电磁（TEM）超前探测技术，查明异常情况。
二、瞬变电磁探测方法
1.探测地球物理条件
从岩性物性差异的角度，一般变化规律认为泥岩、粉砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩到煤层、灰岩，电阻率逐渐增高，即煤层、灰岩相对其它岩层为高电阻率阻层，若岩层含水，则随着其含水率的增加电阻率值减小，因此岩层电阻率发生变化除与岩层岩性本身有关外，其含水性也起决定作用，故在灰岩等高阻地层中，地层含水，表现为低电阻率值；相反，则表现高电阻率值。
2.矿井瞬变电磁探测特点
由于井下特殊施工环境，矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法以及其它的矿井物探方法有很大的不同，主要有以下几方面的特点：
（1）受井下巷道施工空间所限，无法采用地表测量时的大线圈（边长大于50m）装置，只能采用边长小于3m的多匝小线框，因此与地面瞬变电磁法相比具有测量设备轻便，工作效率高，成本低等优点，可用于其他矿井物探方法无法施工的巷道（巷道长度有限或巷道掘进迎头超前探测等）；
（2）由于采用小线圈测量，点距更密（一般为2～20m），体积效应降低，横向分辨率提高，再者测量装置靠近目标体，异常体感应信号较强，具有较高的探测灵敏度；
矿井瞬变电磁法同样面临全空间电磁场分布的问题。因煤层通常为高阻，电磁波易于通过，所以煤层对TEM来说就没有像对直流电场那样的屏蔽性，故TEM所测信号为线框周围全空间岩石电性的综合反映。但可利用小线框体积效应小、电磁波传播具有方向性的特点，通过改变线框平面方向并结合地质资料来判断地质异常体的空间位置。
三、仪器设备
本次探测使用仪器为YCS40（A）型矿井瞬变电磁仪，该矿井瞬变电磁仪对低阻值充水区域反映特别灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高，且有施工方便、快捷、效率高等优点，既可以用于煤矿掘进头前方，也可以用于巷道侧帮、煤层顶、底板等探测，为煤矿生产过程中水患防治和导水构造的超前预测预报提供了有效的技术手段。针对探测目标体的深度和范围，YCS40（A）型矿用瞬变电磁仪具有多套功能参数设置，可进行针对性的选择合适的一套参数设置。
四、现场探测布置及数据采集
本项目于2011年3月20日和2011年3月21日完成数据采集工作，主要是探测丁6—23160采面顶板的富水情况。在丁6—23160采面机巷左帮沿停采线位置到切眼处布置一条测线，探测75个测点，测点之间间隔10m，每个测点探测3个方向，分别探测丁6—23160采面机巷左帮正上方顶板、斜上45°顶板和顺层的富水情况，共采集225组数据；在丁6—23160采面风巷右帮沿三片盘位置到切眼处布置一条测线，探测73个测点，测点之间间隔10m，每个测点也探测3个方向，分别探测丁6—23160采面风巷右帮正上方顶板、斜上45°顶板和顺层的富水情况，共采集219组数据。
五、数据处理
1.矿井瞬变电磁数据处理结果
2.结果分析
1）从本次矿井瞬变电磁探测的晚期视电阻率结果对比分析可以看出，丁6-23160采面上方顶板及煤层晚期视电阻率大体上呈南高北低、东高西低的趋势。图5-1为23160采面机、风巷正上方晚期视电阻率计算结果，相比其他整体阻值偏低，因此，可以判定，23160工作面顶板方向为相对富水性较强。由于23160工作面上方可能被小窑破坏，因此，需要在开采时密切注意顶板的淋水情况。
2）在23160工作面机巷多处出现淋水点，其具置如图5所示。在判断其他异常区时可以参照淋水区的视阻值。在23160工作面开切眼处阻值偏低，与淋水位置处的阻值基本相同，造成阻值异常的原因可能为开切眼右侧受一水平丁七采空区及小窑影响，而显现富水性相对较强的结果。在判断时，需要考虑一水平丁七采空区的排水情况，是否有积水及积水量的大小。
3）在煤层中的阻值分布较为稳定无显著异常。
综上所述，瞬变分析结果和现场调研的结果较为吻合，问题集中在三个区域，一是开切眼及开切眼右侧区域，二是顶板淋水区，三是向斜轴区域。瞬变探测结果无法确定水量大小，需要结合现场实际观测分析，防患于未然。
六、建议
1.调研一水平丁七采空区的排水情况，及是否有积水，是否对23160工作面造成突水隐患。分析论证，并进行必要的钻探验证。
2.在23160工作面开采时，尤其在直接顶的初次垮落期间，安排专职人员密切注意工作面的淋水情况。主要考虑到工作面回采过程中直接顶的初次垮落和老顶初次来压导致顶板裂隙与采空区、小窑沟通，造成透水事故。
3.在23160工作面老顶初次来压期间，也应安排专职工作人员，密切注意工作面机巷和风巷的淋水情况，加强顶板淋水区的观测，发现异常及时和技术部门沟通。
4.在向斜轴附近安置排水泵，以防突发灾害。同时，发现水文异常，应及时通知相关技术人员，以便采取相应的处理措施。
参考文献
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