瞬变电磁法在煤矿防治水工作中的应用

瞬变电磁法在煤矿防治水工作中的应用

赵卫博

陕西澄合华宇工程有限公司 陕西省 渭南市 715200

摘要：在矿井开采方面，水害已成为制约矿井安全生产的主要灾害之一。从目前我国煤炭开采的现状来看，开采深度在持续增大，其增长速度已经达到20m/a，并且随着深度的增大，井下水文地质条件变得更加复杂。加之历史原因，部分矿井由于水文地质资料不全、不清楚等原因，造成了防灾减灾工作的基础十分薄弱。目前，煤矿井下监测水害，主要采用了井下直流电法和暂态电磁法。矿山中采用的直流电方法虽比较多，但在实际运用中，存在着工艺成熟程度不高，运用效果差的问题；而采用瞬变电磁法，则是因为它的体积更小、操作更灵活、更高效、更广。所以，对暂态电磁测量仪在矿井水害防治中的运用进行了深入的研究，具有一定的现实意义。

关键词：瞬变电磁法；煤矿防治水；应用

1瞬变电磁法在煤矿防治水工作中的应用原理

1.1矿井地球物理特性

在煤层中，煤层和岩层具有明显的电性特征，总体上煤层的电阻率最高，其次是砂岩，泥岩的电阻率最低。由于整个煤层都是层状的，因此，在垂直方向上，地层的导电率呈现出一种固定的变化模式，而在水平方向上，则普遍比较均匀。当煤系地层中有陷落柱、裂隙、断层等地质结构时，如果没有水，其导电性能就会变得很差，与周围的围岩相比就会呈现出高电阻。相反，如果它包含了地质层的水，由于它的导电性能比较好，所以它的电阻比周围的岩石要小。另外，如果地层中的陷落柱、裂缝和断裂等结构比较发达，不管有没有水，都会破坏地层的横向和纵向的电性规则。这一变化规律的突破，将为瞬变电磁场应用于矿山勘查提供充足的物理条件，同时也为矿山地球物理勘查工作中的地质解释工作奠定了基础。

1.2瞬变电磁法工作原理

煤矿瞬变电磁法，英文简称：MTEM，它的工作原理是根据电磁场的感应规律而建立的。在矿山中使用不接地线圈，在一次脉冲电磁场的间歇阶段进行发射，然后二次应用不接地线圈对涡流场进行观测，通过二次涡流场的空间分布规律来探测矿山地质。该技术的应用是：在矿井巷口放置一线圈，利用该线圈受电流的影响，在被测对象上形成一种电磁场，从而引起被测对象的感应电流；其次，在断路后，所产生的感生电流呈现出一种损失态，损失过程可分为三个阶段：早、中、晚。在初期，电磁辐射损失迅速增加，而在后期，电磁辐射损失则逐渐变得缓慢。在此基础上，依据后期相变的特点，分层次地分析次级场随时间的变化。在煤矿井下，电磁场会呈现出一种空间形态。矿区内的储层层通常不易离散，其导电性在水平方向上比较均匀，纵向变化比较平稳。若储层完好，或结构破坏，不含水层，则会导致电阻率增大，形成微弱的涡流；当储层结构破坏，而水体富集时，电阻率减小，形成强烈的涡流。经以上分析，得出：煤底板、顶层及发掘前方存在裂缝、塌落及断层等地质结构时，无论地层结构含水与否，均会在某种程度上破坏地层在横、纵两个方向上的电流的流动规律，从而使瞬变电磁探测工作得以顺利开展。

2井下瞬变电磁探测影响因素

根据井下瞬变电磁法的工作原理可知，井下现场采集数据时测量信号的信噪比的高低决定了探测结果的好坏。掘进工作面积水、金属设备设施、电磁干扰是信噪比高低的主要影响因素。掘进工作面积水主要有施工水、顶板淋水等，瞬变电磁探测作业区域积水将导致数据成果图中出现假的低阻异常区，影响探测结果真实性；掘进工作面金属设备设施主要有金属网、锚杆、锚索、单体支柱、综掘机、装岩机、胶带架、钢轨等，其中一些金属设备设施由于数量少、体积小，对探测结果影响不大，但综掘机、装岩机、胶带架等大型设备设施则会对探测结果产生较大影响，需要向碛头后方移动15m以上；掘进工作面为综掘机、胶带输送机、装载机等供电的动力电缆产生的电磁干扰对探测结果影响大，探测时需要对除监控电缆以外的电缆进行断电处理。

3瞬变电磁法在煤矿防治水工作中的具体应用

某项目的地貌是以中低山、丘陵为主，在地表遭受侵蚀后，沟谷纵横交错。项目包含工区地层、含水层、隔水层。本区除了新生界呈角度不整合与不同岩层之外，其它每个目的层的层位都较为固定，在正常情况下每个层位的电性在横向上的分布都较为均匀。当局部存在异常个体，如裂缝带、局部断层等，其导电水体也存在异常，如果断层地带缝隙没有充、导水时，下横线为高阻异常区。地层中各个电性层间：咋砂岩和砂岩裂缝之间含有水层，奥灰岩岩溶和致密灰岩发育间存在明显差异，这是本次TEM探测完成地质目标的物理基础。

3.1井下干扰情况及相关的处理技术

根据本次煤矿井下测量情况，对瞬变电磁法使用效果有：巷道底板上安装的铁轨、巷道支护所用的锚杆和工字钢、运输胶带支架、巷道掘进机与钻机及巷道中使用到的金属管线等。在应用瞬变电磁法时，这些设备将引起相当大的瞬变电磁场反应。比如，采用交叠式线圈法，在有轨道的情况下，所能得到的TEM信号比没有轨道的情况下要多好几倍。根据瞬变电磁技术的应用，金属管道、运输胶带支架、支撑锚杆、运输轨道等，在瞬变电磁技术的作用下，均呈现出低阻特性，从而造成了电阻率与真实值之间的偏差。但就所造成的影响而言，在整个测线方向上都比较均匀，所以，在应用瞬变电磁法时，可以将其当作本底异常加以修正。而对井下其它金属-机械装置，如钻机、掘进机、电动机、变压器等，则是对TMS应用有较大影响的强干扰体，严重影响TMS数据的处理和解释。因此，在实际的测量中，应该对测点进行适当的位移，尽量避免干扰物；而且还必须要将所有的数据都记录下来，这样才能在数据分析的时候，最大限度的消除这些对象的影响。

3.2数据处理解释及数据体处理

瞬变电磁法在检测次级电场时，极易受到变压器、高压线路等工业电磁场的影响。在采集过程中，采用高功率发射装置，延长数据收集时间，提高信噪比，改善数据质量。针对这一问题，本文提出了一种新的方法——滤波。针对预处理过程中出现的失真现象，采用人工滤波和三点滤波等多种滤波算法。资料体处理采用自行研制的地震波衰减曲线及两个测点，根据所得的资料，制作出咸亨拟视电阻率剖面图，并与已有的地质资料相结合，对其进行全面的研究。

3.3施工方法

根据目前矿井瞬变电磁测量仪的应用，测点布置通常采用“U形”、“半圆形”和“扇形”三种方式。通过3种方法分析，得出“扇形”测点布设能有效地避免采场周围的金属干涉，并能在纵向和横向上进行超前探查。这是目前在工作面上进行超前探测比较常用的一种测点布置方法。为此，在这一次的瞬变电磁法应用中，我们采用了“扇形”的测点排列，并对其进行了纵向和横向的两个方向的测量。横向、横向、横向扫描时，每50度为一个测量点，每10度为一个测量点；在此基础上，共设11个监测点。在纵向上，每隔10°设1个测点，在纵向上也设11个测点。

4结论

瞬变电磁法在掘进工作面水害超前探测中可以发挥成本低、效率高等优势，通过超前探测视电阻率的研判分析，初步圈定富水低阻异常区位置，再通过钻探验证精准掌握掘进工作面前方水害特征，两者相互印证，提高了预测分析的准确性，为掘进工作面水害防治提供了技术支撑，可有效避免掘进过程中水害事故发生。

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