煤矿现代化 ２０１ ７年第５期 总第１４０期 瞬变电磁法在矿井采掘过程中的应用研究 田海波 （山西潞安集团潞宁孟家窑煤业有限公司，山西宁武０３６７００） 摘要通过分析瞬变电磁法的工作原理和矿井地质异常体的电磁场响应特征，提出应用矿井瞬变 电磁法对常规物探方法较难探测的工作面顸、底板富水构造和巷道迎头超前富水构造的发育情况进 行探测，并在某工作面巷道掘进头进行应用试验，应用结果与地面三维地震所确定的陷落柱位置及范 围相吻合，能够有效指导生产实践。 关键词 瞬变电磁法；矿井采掘；超前探测；灾害防治 中图分类号：Ｐ６３ １．３２５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９—０７９７（２０１ ７）０５—００３９—０３ Ｔｉａｎ Ｈａｉｂｏ Ｓｔｕｄｙ Ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｏｆ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍｅｔｈｏｄ Ｉｎ Ｍｉｎｉｎｇ （Ｓｈａｎｘｉ Ｌｕ’ａｎ Ｇｒｏｕｐ Ｌｕ Ｎｉｎｇ Ｍｅｎｇｊｉａ ｋｉｌｎ ｃｏａｌ Ｃｏ．Ｓｈａｎｘｉ Ｎｉｎ￣ｖｕ ０３６７００） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｈａｒａｅｔｅｒｉｓｌｉｅｓ ｏｆ ｇｅｏｌｏｇｉ— ｃａｌ ａｂｎｏｒｍａｌｉｌｉｅｓ，ｐｕｔｔｉｎｇ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｏ ＵＳｅ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｒｉｃｈ ｗａｔｅｒ ｓｔｒｕｔ。ｌｕｒｅ ｉｎ ｌｏａｆ ｏｒ ｆｌｏｏｒ，ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｉｎ ｔｈｅ ｒｏａｄｗａｙ ｏｆ ａ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｇｒｅｅ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｌｌａｐｓｅ ｃｏｌｕｍｎ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ３Ｄ ｇｒｏｕｎｄ ｓｅｉｓｍｉｃ，ＳＯ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍｅｔｈｏｄ；Ｍｉｎｅ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ：Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；Ｄｉｓａｓｔｅｌ’Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ 频发的矿井突水事故已成为制约我国煤炭行 业健康发展的关键囚素，目前矿井突水预测和防治 仅局限于开拓前的钻探和突水后的治理 矿井突水 事故会造成Ｔ作面停产，甚至整个矿井被淹的严重 周同介质的电阻使感应电流随时间逐渐减弱，快速 衰减的磁场又将感应 新的更加微弱的涡流场，这 样的过程场不断持续，直到大地电阻的热耗尽（如 图ｌ所示）。随着地下感应电流逐渐向周罔介质扩 散，感应电流的强度逐渐减弱，分布趋向更加均匀， 后果。我国曾发生多起重大透水事故。其中最为典 型的是２０１０年发生在王家岭矿的特大透水灾害， 整个矿井仅２０个小时就被全部淹没，造成３８名矿 Ｔ遇难。惨痛教训说明在矿井巷道开拓和采掘过程 量 废弱囱：懋瓣懋 畸 ：雷 、 ～ 中需要准确判断并预报突水可能发生的位置。 ｌ 矿井瞬变电磁法工作原理 煤矿井下应用地面常用的瞬变电磁法对常规 曩 物探方法较难探测的采掘Ｔ作面顶、底板富水构造 和巷道迎头超前富水构造的发育情况进行探测的 方法被称为矿井瞬变电磁法。该方法利用不接地回 线向地下发射脉冲磁场，在脉冲磁场间歇期间，利 用线圈观测二次涡流场的感应电流，热消耗和采场 ２０ｌ４（１１）：５９． 图ｌ 瞬变电磁法（ＴＥＭ）的瞬态过程示意图 Ｉ５ Ｊ陈外信，田银素，王志峰，王富强，崔石磊．厚煤层柔模快 速沿空留巷工艺在神东矿区的应用［Ｊ１．煤炭工程，２０１６ （１２）：ｌ一４． 『２１魏吉祥．金凤煤矿柔模泵注混凝土全断面沿空留巷技术 的应用…．煤矿现代化，２０１４（５）：６０—６２，６５． 【３１田臣，刘英杰．神东矿区沿空留巷应用技术研究［ＪＪ．煤炭 工程。２０１６（Ｓ１）：５０—５３． 作者简介： 韦瑜（１９８２一），男，本科，助理工程师，安徽临泉县人，毕 业于中北大学。 （收稿日期：２０１７－３—２０） ・【４１尚玉明，华宝锋．柔模泵送混凝土沿空留巷技术应用…． 煤炭科学技术，２０１２（Ｓ１）：４２—４４． ３９・ 煤矿现代化 ２０１７年第５期 总第１４０期 扩散方向通常沿着与地表成３０。倾角的锥形斜面 （如图２所示）向下和向外移动，且强度逐渐减弱…。 Ｃ删罐磺飘｝辩 ＇黼瞧皤 电磁法探测陷落柱时，超前探测的结果将受到多种 因素的影响。断层倾角越小，瞬变电磁的响应时间 越短，低阻响应特征越接近于正常岩层。 ２．２采空区及空巷 当各向同性的均匀电介质充满整个电场时，若 采空区与空巷富水，当涡流环扩散到富水采空区 时，其扩散速度会逐渐降低，就如同受到吸引。这也 间接表明涡流场在良导体中密度大、衰减慢，即通 常表现为低阻异常体，但这是在整个煤矿采空区空 洞部分充满水的情况下的结论。而煤矿充水采空区 瞬变电磁法勘查探测的原理是利用体积效应，也就 是采空区充水引起的特殊反应。所以，充水采空区 瞬变电磁法勘测与周围岩石（煤系地层）相比会有 图２ ＴＥＭ信号向地下扩散示意图 较大的电阻率，与充水采空区相比，不含水的采空 与地面瞬变电磁法相比较，矿井瞬变电磁法具 区会引起感应电动势下降ｐ１。 有如下特点【 Ｉ：①因井下测量环境而只能使用 边长小于１．５～２ｍ的多匝小线圈；②较小的线圈边 长使得测量点距一般为５—１０ｍ，提高了横向分辨 率的测试精度；③在大于３０ｍｓ的时间段，井下干扰 ３矿井瞬变电磁法的应用 间断时间、收发距、回线边长和匝数是矿井瞬 变电磁法的主要测量参数，发射框边长越小，发射 的磁矩越小，接受的感应信号强度也就越小。在回 信号几乎为零，有助于识别异常信号；④矿井瞬变 电磁法可以探测线圈平面法线方向即采场四周一 定深度内含水异常体垂向和横向的发育规律。 矿井瞬变电磁法具有低阻响应特征越明显、断 层倾角越小，响应时间越短的优点，低阻响应特征 越接近于正常岩层，不含水采空区引起的高阻异常 越明显。线圈平面的法线方向即为瞬变电磁探测的 目标异常体方向，且探测方向可调整。 线边长相同的情况下，发射功率和信号强度随线圈 匝数的增多而增强。在具体应用过程中，一般按照 固定的点距在工作面进、回风巷道和开切眼内布置 系列测点进行逐点测量。根据电磁波的发射方向可 以改变的特性，采用瞬变电磁法对矿井工作面进行 多方向探测，接受回线的平面法线方向就是瞬变电 磁探测的目标异常体方向【４１。实际探测中可由探测 目标体的空间位置设置回线的探测方向，矿井瞬变 电磁法在巷道掘进头超前探测的装置如图４所示， 该装置发射线框所处平面和接收线框所处平面平 行，线框中心线同轴。 图３矿井瞬变电磁法探测方向示意图 ２矿井地质异常体的电磁场响应特征 ２．１断层及陷落柱 厩极 井田内主要的富水地质异常体通常为断层及 陷落柱，在这些地质异常体的周围通常伴生有导水 通道及导水裂隙带，极易引发水害事故。断层、陷落 柱等地质异常体的瞬变电磁响应特征比较明显，但 其响应特征不仅受构造本身性质的影响，还与巷道 环境及具体施Ｔ布置有关。在井下巷道内采用瞬变 ・图４矿井瞬变电磁法超前探测装置 在掘进头探测时，由于受巷道空间所限，探测 所用线框边长为２～３ｍ。为了探测目标异常体的特 征，可通过调整回线同巷道顶底板之间的夹角来改 变回线法线的方向，从而获取巷道迎头前方不同地 层的电性信息。当回线如图５（ａ）所示放置时，法线 ４０・ 煤矿现代化 ２０１７年第５期 总第１４０期 方向朝向顶板，即顶板探洲，呵探测顶板方向一定 深度的禽水异常体分布规律；当回线如图５（ｈ）所示 放置时，法线方向指向掘进头，即顺层探测，可探测 巷道迎头 前方向含水异常体的分ｌ布位置；当【Ⅱ１线 如网５（ｃ・）昕永放置时，法线方向朝向底板，即底板 探测，叮探测底板方向一定深度含水异常体的分布 规律：每次探洲时，测点没置在巷道两侧帮与迎头 处，逐点对巷道左右帮、迎头（分左右两侧）进行探 测．获取 褴的探测方向深：部地层电性信息 。 顶扳 顶扳 图５ 巷遭掘进头矿井瞬变电磁法超前探测布置图 本成用区域位于某矿正在掘进Ｔ 作面，瞬变电 磁法施Ｉ ，ＬｒＬ 迎头布置测线５条，通过移动发射接收 线圈形成５条测线的实测剖面。采用多匝小回线的 发射和接收装置形式，沿运输巷道掘进方向探测运 输巷道左帮和右帮；沿窝头向开切眼方向探测运输 巷道迎头前力 及左帮： 巷道迎头 图６矿井瞬变电磁法超前探测测点布置图 表１工作量统计表 在瞬变电磁数据处卵过程中，对数据进行后沿 改正，缩短关断时间，减小探测肓［ｘ二；针对 区地质 特点选择合婵的成像及微分方式，满足高信噪比、 高分辨率的处理要求，绘制了品质较好的视电阻率 拟断而Ｉ ７为该Ｔ作而运巷左帮瞬变电磁探洲视电 阻率拟断面网，其整体视电阻率数ｆｆｆ大丁３０１１・ｍ 局部范Ｉ＿｛＝；ｌ低于２０１）－『ｎ，为相对低 常 域。此低 阻异常区域共有２个（冈中红色圈定 域），一个ｆ 于横 标１０～２５ｍ，纵坐标４０～１ＯＯｍ范 １人】；第二个 化于横坐标８０～１ＯＯｍ，纵坐标３０～ｌ０（）ｍ范 内 图７运巷左帮瞬变电磁探测视电阻率拟断面图 ４结 论 本次探测结 ， 在该Ｔ怍【ｆｌｆ运 左帮低阻 异常区域３个探洲力‘向的对心关系很好，ｆ１－与地 维地震所确定的陷落柱位置及范ｆ嗣ｌ卡ｆ１吻合．能够 有效的指导生产实践 说明瞬变电磁泼对煤矿井下 良导电介质具有较好的响应能力，通川于断裂破碎 带的富水性评价、陷落柱的探测以搜煤层顶底板含 （隔）水层划分等，并且结果可靠＝ 参考文献： ［１ｌ郝相龙．底板含水构造瞬变 乜磁勘探研究【－ｌＩｌ煤炭工程． ２００９（９）：５８—６０． ｆ２ｌ姜志海，岳建华．刘树才．多匝重叠小回线装置的矿井瞬变 电磁观测系统【ＪＪ＿煤炭学报，２００７（１ Ｉ］：ｌ Ｉ５２—１ １５６ ｌ３ｌ王凯．瞬变电磁法探测煤矿充水采空区响应特征分析『【】】． 太原理＿Ｙ－大学，２０ｌ２． 【４ｌ于荣， ，刘志新，汤佥云，等．用瞬变电磁法探查综放工作 面顶板水体的研究ｌ Ｊ１．中国矿业大学学报，２００７（４）： ５４２－５４６． 【５ｊ徐佳，朱鲁，翟培合，等．三维电法超前探在巷道掘进水害 防治中的应用…．煤炭技术，２０１４（１ ２）：５８—６０． 作者简介： 田海波（１９８７一），男，山西朔州人，本科，毕业于山西大问 大学，助理工程师，从事煤炭生产采掘管理Ｘ－－作 （收稿日期：２０ｌ７－３—１５） －４１・
