刘洪青 刘翔 孙中寅

摘 要：瞬变电磁法在煤矿地质构造及富水性探测等方面得到了广泛的应用，并取得了令人满意的效果。本文介绍了瞬变电磁法在王晁煤矿南边界地质构造及富水性探测中的应用。

关键词：瞬变电磁;煤矿;井田边界;地质构造;富水性;探测

中图分类号：TD745.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）01-0169-02

0 引言

在煤矿采掘前查明整个采掘区域地质构造的发育程度及水文地质情况（查清水源、涌水通道及富水区等），以便于采取相应的防治措施，已成为煤矿关注的重点。瞬变电磁法作为一种新兴的物探方法，它具有体积小、分辨率高、对低电阻反应灵敏、与探测地质体有最佳耦合、受旁侧地质体影响小等特点，近年来其在煤矿探测复杂地质构造、查明水文地质情况等方面得到了广泛的应用。

利用矿井瞬变电磁法超前探测巷道掘进迎头前方的地质构造及其富水性，在煤矿安全生产中发挥了极其重要的作用。随着开采工艺和技术的不断发展提高，对巷道前方煤岩层和地质构造的富水性探测精度要求越来越高。特别是当前综采综掘开采技术的推广应用，对这方面的地质要求更高。岩层含（富）水性的一般探測方法有直流电法、电磁法等，探测方式既可以在地面探测也可以在井下探测。地面探测一般以直流电法、大地电磁法、地面瞬变电磁法为主;井下探测则以直流电法、音频电透视法、矿井瞬变电磁法为主。近几年来，随着矿井物探技术的发展和提高，矿井瞬变电磁法在矿井煤岩层的含（富）水性探测方面发挥了越来越重要的作用。由于采用小线圈测量技术，可有效降低其体积效应的影响，提高探查分辨率，特别是横向分辨率，另外，由于井下探测仪器装置距离地质异常体更近，可大大提高测量信号的信噪比。本项目利用矿井瞬变电磁法对205采区轨道巷迎头前方的地质构造及其富水性进行了精细探测，力争满足高产高效、安全生产的要求。

1 瞬变电磁法基本原理

它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次场间歇期间，利用回线或电偶极观测二次涡流电磁场的方法。其基本工作方法是：于地面或空中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，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于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。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。通过分析研究二次涡流电磁场的时空分布规律，来解决各种地质问题。

2 典型实例

本项目利用矿井瞬变电磁法对枣庄王晁煤矿有限责任公司南边界205采区轨道巷迎头前方的地质构造及其富水性情况进行探测。

2.1 测区地质概况

枣庄王晁煤矿有限责任公司205采区轨道巷沿12下煤层掘进，当该工作面掘至距井田南边界约150m，煤层倾角达15°以上，比矿区内12下煤层倾角5～10°有所增加，迎头有少量淋水，经取样水质分析，内含少量NO3阴离子，表明附近有人类活动，推测级索煤矿采空区积水已渗透至王晁煤矿205采区轨道巷迎头位置，级索煤矿曾越界开采王晁煤矿的煤炭资源，在采空区留下积水。按煤层底板标高与南部相邻矿井（级索煤矿）对比，推测原位于两矿之间的井田边界张坡断层（原认为张坡断层倾角70°、落差80m）可能不存在或落差大大减小。为进一步查清该掘进工作面前方地质构造发育情况及水文地质条件，采用井下瞬变电磁探测技术探明迎头前方150m，中心角50°的扇形区域范围内的地质构造发育及其富水性情况。

2.2 数据采集及处理

本次井下瞬变电磁法探测工作采用加拿大生产的TEM-47型矿井专用瞬变电磁仪。根据205采区轨道巷的实际空间条件，在掘进迎头测量时，采用中心偶极测量装置，发射线框从巷道中线方向偏左30°方向开始测量，依次为左30°—左25°—左20°—左15°—左10°—左5°—正前方0°—右5°—右10°—右15°—右20°—右25°—右30°。接收线框距离发射线框12m，与发射线框同方向同步旋转。为确保测量精度，共测量两遍。本次瞬变电磁法探测工作，共完成瞬变电磁物理点29个，其中测量物理点26个（13个×2遍），试验物理点3个。矿井瞬变电磁法在井下巷道中采用多匝数小回线测量装置，经现场试验，确定装置参数如下：回线边长：2m×2m;回线匝数：64;同步模式：线同步;重复频率：30门;发射电流：2.7A;关断时间：230μs;测量装置类型：迎头探测采用中心偶极测量装置。

经过对测量数据进行了处理，根据地层的电性特征，设计了多级表示视电阻率的色谱，形成了视电阻率色谱断面图。

2.3 成果及其验证情况

主要解译图件是二维电阻率断面图，该图件用于解译断层位置及煤岩层的富水性情况。依据前述地球物理特征，对电性特征进行研究，圈定了断层发育（见图1 205采区轨道巷瞬变电磁探测成果解译图）。其中：（1）迎头前方44～65m位置为一低阻异常区，异常区总体形态呈低阻串珠状，是典型的富水型断层异常，异常区（带）走向NNE～SSW，结合矿井地质构造发育规律，解译为正断层，倾向NWW，倾角60°，落差10～15m。该断层南与“张坡断层”相交。（2）张坡断层落差已减小至10～20m。级索煤矿12W105中运、12W103下材、12W103中运、12W101下材所揭露的落差5～8m的断点，应当是现张坡断层的断点。（3）据级索煤矿资料，12W105中运、12W103下材、12W103中运、12W101下材揭露“张坡断层”时，有较大淋水。现级索煤矿12W105、12W103、12W101工作面采空区已大量积水，其积水可通过“张坡断层”断层破碎带、12下煤层顶板砂岩裂隙等通道渗入补给本次所探明的断层破碎带，这是205采区轨道巷迎头淋水的主要原因。

瞬变电磁法工作成果经钻探验证，其与钻探结果吻合较好，为205轨道的安全掘进提供了可靠详实的地质资料。

3 结语

经探测实践表明，瞬变电磁探测法具有高精度、高分辨率的瞬变电磁仪器在选择合理的技术参数的情况下，在解决精细地质问题方面显示了独特的优势，能够较好的解决井下复杂地质构造及水文地质方面的地质问题，取得令人满意的效果。另一方面对于复杂地质构造及水文地质方面的探查，瞬变电磁法相较于其它方法是一种经济、快速，行之有效的物探方法，具有广泛的应用前景。