瞬变电磁技术在煤矿地质探测中应用研究

1、瞬变电磁技术在煤矿地质探测中应用研 究章月花 大同煤矿集团公司忻州窑矿摘要：为丫探测216上01工作面含水情况，应用瞬变电磁技术，对216上01工作面底 板隔水层的完整情况进行探测，圈定底板隔水层裂隙发育带和富含水异常区， 通过物探和钻探资料的综合分析，推断ys1地震异常区附近底板岩层弱富水或 不富水，为工作面防治水工程的实施提供参考依据。关键词：瞬变电磁技术;地球物理;工作而;探测结果;作者简介：章月花(1966-)，女，工程师，毕业于黑龙江科技大学，主要从事 矿井地质工作。收稿日期：2017-09-08received： 201709-081概述216上01工作面北为二水平东翼大巷，西邻2

2、16±02工作面(未掘)，南到df5 断层，东为井w边界。该工作面北部巷道的标高较低，大部分都低于奥灰水位线, 同时该工作面内构造较为发育，在巷道掘进过程中除揭露落差大于5 m的df5 (n50° e, sez45° , h=7 m)、df6 (n20° e, sez63° , h=425m)、df23 (n73° w, swz65° , h=8. 5 m) 3条正断层外，还揭露了落差在0. 42. 5 m之间不等的小 断层。sb2褶曲、yc1地震异常区也在该工作面内发育。受地质构造的影响，煤 层顶底板较为破碎，裂隙较为发育

3、。井巷工程穿过df23和df6断层时均出现滴 淋水现象。2地球物理前提本区地层沉积序列清晰，地层相对稳定，正常组合条件下，各层位电性在纵向 和横向上都有固定的变化规律可循。一般情况下，地层的岩性从泥岩、粉沙岩、 细砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩到煤层、灰岩，电阻率值是逐渐增高的。在地质构造较发育的区域，断层及摺曲构造会破坏地层的完整性，造成一定范 围内地层裂隙发育，从而为岩层水体的富集提供丫有利空间或通道。由于矿井裂 隙水具有良好的导电性，在纵向与横向上都会打破原有电性的固有变化规律。奥陶系地层以厚层石灰岩为主，当岩溶不发育时，电阻率很高;当岩溶发育时，富水性强或岩溶发育规模大;岩溶裂隙体内充填有

4、泥质物时，电阻率又会明显下 降。上述物性变化为以电性差异为棊础的井下瞬变电磁法的应用提供y良好的地球 物理条件。3矿井物探工作3.1井下瞬变电磁测深法瞬变电磁法（transient electromagnetic methods）是以岩石的导电性差异为 基础，利用接地或不接地回线向地下发送脉冲电流作为场源，激励探测目的物 感生二次电流，在脉冲间隙测量二次场随时间的响应，从而了解地下介质的电 性变化情况m。井下瞬变电磁勘探一般采用多匝重叠冋线装置，选择多匝重叠冋线的优点是:它 可实现与探测地质对象的最佳耦合，重叠回线装置响应曲线形态简单，具有较 高的接收电平、较好的穿透深度及异常便于分析解释等特

5、点1-2。由于特殊的井下施工环境，矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法和比有很大的不 同，主要表现在以下几方面：（1）由于受到井下巷道空间的限制，井下瞬变电 磁法勘探采用多匝小冋线的装置进行井下测量，冋线边长一般小于3 m,浅部地 层的信息不同程度地受到一次场影响，会在浅部形成一定范围无法分辨的盲区。 （2）井下瞬变电磁勘探在井下巷道内进行，探测装置靠近目标地质体，将会大 大提高异常体的感应信号强度。（3）井下瞬变电磁勘探采用多匝小回线装罝， 为了满足井下防爆要求，发射电流不能过大，其勘探深度与地面瞬变电磁相比 相对较小。（4）瞬变电磁接收装置在矿井环境下接收到的信号不单是来自接收 线圈法线方向上的

6、信号，而是整个巷道空间的所有信号的叠加，这种响应给异 常体位置确定带来了一定困难。（5）井下巷道内通常存在工字钢、锚杆、锚网、 铁轨、输电线和其它各种金属管道，对井下瞬变电磁场的干扰严重，有时使探测 资料无法利用。（6）相比地面瞬变电磁而言，巷道边界将对矿井瞬变电磁电磁 场产生较强的无地质意义的畸变影响。3.2测点布置井下瞬变电磁探测区段位于二水平东翼hl风大巷往工作面切眼方向1 450 m的范 围，与井下音频电透视的探测区段重合。由于工作面的宽度达240 m,为了详细 査明工作面底板的含富水情况，设计在每个测点以与工作面呈30°、45°、60°、90°

7、的方向进行探测，即每个测点采集4个方向的数据。由于工作面宽度 较大，要想使工作面中部不产生盲区，沿30°角探测方向的深度至少要达到 150 m,为此需合理地选择探测装置形式。井下瞬变电磁探测方向如图1所示。图1井下瞬变电磁探测方向示意下载原图 矿井瞬变电磁法测量参数的选择主要是:发射电流、发射频率、发射电压、发射 接收回线边长、发射接收回线匝数、叠加次数、接收道数、仪器的关断时间、增 益等。根据地质任务，如果设计探测深度为150 m,根据煤系地层视电阻率值的 变化范围，其发射天线的磁矩应设计为900 am左右，天线的边长设计为2 m，发 射电流控制在23 a之间，因此，发射天线的匝数

8、应不小于20匝。由于线圈的 自感和互感信号的影响，根据现场测试，本装置的最小可分辨深度在1520 m 之间，即所设计的天线装置有效探测深度在2（fl50 m范围方可满足本次井下电 法勘探的需要。木次井下瞬变电磁勘探数据采集的主要技术参数如下：（1）工作装置：中心回线 装置。（2）发射线圈:2mx2mx20匝、0.5mm特制铜质电缆。（3）接收装置: 专用磁探头，有效接收面积450 m。 （4）发射电流:2 a。 （5）发送频率:6.25 hz。 （6）叠加次数:200次。井下瞬变电磁探测区段位于二水平东翼hl风大巷往工作面切眼方向1 450 m的范 围，分别在辅运、回风顺槽各布置测点73个，测

9、点间距20 m,每个测点分別以 与工作面夹角0°、30°、45°、60°的方向进行探测。4资料处理与探测结果讨论分析按照前述资料解释方法和原则，对井下瞬变电磁探测资料进行处理，可形成相 对应的辅运、回风顺槽视电阻率等值线剖面图。4.1井下瞬变电磁资料处理与解释瞬变电磁井下数据采集完成后，经数据整理，输入井下瞬变电磁专用软件处理， 可得到辅运、回风顺槽向工作面底板探测方向的视电阻率等值线断面图。井t高 分辨直流电法和井下瞬变电磁法均是在井下全空间建立电磁场，探测的信号既 包括顶板，也包括底板的地质信息。216 ±01工作面煤层平均厚度9. 56

10、m，属较厚煤层。煤层的视电阻率相对顶底板 为高阻电性层。该电性的存在对井下瞬变电磁法的资料解释具冇积极的意义。据 此并结合煤层顶板电性层、井下探测环境综合分析，可得以下结论：（1）由于6 ±煤层为高阻电性层，煤层对电场有强烈的排斥作用，电场主要分布在工作面的 底板，顶板的电磁场成分和对较少。（2） 6 ±煤层顶板为泥岩、粗砂岩，经井下 顶板探放水工程验证，顶板探放水孔大部分无水，即使少部分有水，水量的衰 减也很快，不存在明显的电性异常区，可间接说明顶板的电性相对均一，顶板 电性层所产生的电磁场可看作井下瞬变电磁法资料解释的背景场。通过以上分析，井下瞬变电磁法所解释的低阻异常

11、区主要反映的是煤层底板下 部岩层的电性不均匀变化。井下瞬变电磁法不同角度测深布置如图2所示。216 h 01工作面阁2井下瞬变电磁法不同角度测深布置下载原阁本次瞬变电磁法探测在辅助运输顺槽、回风顺槽内施工，分别与工作面底板成 0°、30°、45°、60°方向进行探测。4. 2探测结果分析(1) 216:01工作面辅助运输顺槽井下瞬变电磁法0°、30°、45°、60°方向 探测的视电阻率等值线断面(局部)如图3所示。s/b属oos/謹oo3hj 初 一图3 216上01工作面辅助运输巷井下瞬变电磁视电阻率等值线断面

12、下载原 图通过对图3的对比分析，视电阻率低阻异常区主要位于420、2434、78100 号测点附近，其屮在418号测点附近异常区相对较强，底板岩层的隔水性相对 薄弱。(2) 216 ±01工作面回风顺槽井下瞬变电磁法0°、30°、45°、60°方向探测 的视电阻率等值线断面(局部)如图4所示。3«300280260图4 216上01工作面回风顺梢井下瞬变电磁视电阻率等值线断面下载原图测深八n含 色 叁测深/m±l_<=» tis-bis iis lis !s +工s 1 g :爸碧:苕：塞:图4 216上01

13、工作面回风顺槽井下瞬变电磁视电阻率等值线断面下载原图通过对图4的对比分析，视电阻率低阻异常区主要位于1217、2025、3034、 5(tl00号测点附近。其中在1217、5672号测点附近异常区相对较强，底板岩 层的隔水性相对薄弱。4.3异常性质分析瞬变电磁法异常区位于底板下4ct100 m附近，该处异常区己被井下钻孔验证。 通过对比物探、钻探资料，推断回风顺梢、胶运顺梢靠近主lel撤通道附近(开口 向工作面内340 m附近)底板岩层隔水性相对薄弱，il局部相对富水。井下瞬变电磁测深在靠近主冋撤通道附近即1217号测点附近底板隔水岩层及 深部砂岩、奥灰顶界面岩层附近均存在较为明显的异常区。通过钻探验证，该区 段底板岩层相对富水，与该异常区特征相似的异常区段还有：回风顺槽2124、3034、5(fl02号测点附近、辅助运输顺槽418、2432、80120号测点附近。 推断上述异常ix段底板岩层隔水性相对薄弱且在底板下5080 m附近砂岩及奥灰 顶界面附近岩层相对富水。5结论经处理、解释、分析瞬变电磁探测资料，得到如下儿点探测结论:本次井下瞬变 电磁勘探在0匕断层附近没有发现较明显的异常区，已有钻孔资料显示断层附近 弱富水或不富水，通过物探与钻探资料推断，即6断层