瞬变电磁法在掘进工作面超前探测中的应用

 引言
影响煤矿安全生产的主要因素之一就是水害，必须对其加强治理和防范。了解掘进工作面前方一定范围内岩层的赋存、导水性以及分布情况不仅能够有效的避免水害事故的发生，更为巷道的安全掘进和预防水害事故发生起到了关键的作用。
我国煤矿井下巷道超前探测主要包括地质雷达、直流电法以及瑞雷波等物探技术。使用瑞雷波、地质雷达技术可以探测巷道的前方和侧方，但是测量距离近并且适应性较差，一般仅能探测10多米，并且无法判别是否异常含水；对于电法超前探测技术主要用于探测掘进头正前方隐伏构造，虽然此法具有简便实用、测距大、对水敏感以及异常探出率高等优点，但是还具有控制范围小、仅能预测巷道掘进头正前方有无含水构造，并且探测工作量大以及对高产高效矿井掘进效率影响较大等缺点[1]。瞬变电磁法具有定向性好、探距大、分辨率高以及对水敏感性强等突出优点，尤其探测侧方和侧下方含水结构效果良好，是探测矿井井下含水构造的有效方法[2]。因此，利用瞬变电磁法能够准确高效的探测出掘进工作面前方的赋水状态，能够为矿井的安全生产提供参考依据。
1 瞬变电磁法简介
瞬间电磁法又称时间域电磁法，简称TEM，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，利用线圈或接地电极在一次脉冲磁场的间歇期间观测二次涡流场的方法[3]，即电磁感应定律是瞬变电磁法的基本原理。
1.1 基本原理 矿井瞬变电磁法一般采用两个线圈，即一个发射，一个接收，探测方向就是发射线圈平面的法线方向。探测时，架设线圈使其法线方向对准巷道中所要探测的目标体，在发射线圈中通以阶跃电流而后瞬间关断。通电期间大地中便建立了一次磁场，断电后在巷道围岩中激发了以发射线圈法线方向为中心的涡旋感应电流场。在发射电流刚关断时，该环状线电流紧接发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间推移，该电流环向前、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。等效电流环很像从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此，将涡旋电流沿发射线圈法线方向向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”（如图1所示）。根据接收到瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测巷道前方岩层的电性变化，达到超前探测的目的。
1.2 方法技术 矿井瞬变电磁法受到巷道空间的限制，一般采用边长2-3m的小回线装置形式，为了满足探测深度的要求，可以通过增加线圈匝道的方法加大发射磁矩和有效接受面积从而增大信噪比。由于线圈的法线方向可看作探测方向，由于采用了小回线装置形式使其探测方向性更强。在井下施工的过程中根据探测任务要求，为了获取巷道掘进头前方不同水平层位上的电信息，可以通过调整线圈与巷道底板之间的角度以改变法线指向。如图2-a所示，当以仰视角度架设线圈时，探测方向指向顶板即顶板探测，可以超前探测顶板一定深度范围内含水异常体的分布规律；如图2-b，当线圈直立于巷道时即顺层探测，可以超前探测掘进头正前方含水体的发育位置；如图2-c所示，当以俯视角度架设线圈时，探测方向指向底板即底板探测，可以超前探测底板一定深度范围内含水异常体的分布规律[4]。测点布置于巷道两帮与掘进头处，为了获得完整的前方空间信息，依次探测左帮、掘进头左前方、掘进头正前方、掘进头右前方以及右帮，然后处理采集的数据进行视电阻率的转换、时深转换并绘制视电阻率等值线剖面图，最后结合已有的地质资料解释异常情况。
2 工程应用实例
本文以贵州省晴隆县永荣煤矿为例，探测14101回风巷前方积水及总回风巷老空积水情况，探测掘进头顺层及顶板的低阻体异常及分布范围，研究瞬变电磁法在巷道掘进工作面超前探水中的应用。
2.1 探测方法 本次矿井瞬变电磁法勘探试验沿14101回风巷超前探测布置测线2条，通过在掘进头移动发射接收线圈，形成2条超前探测的实测剖面；沿总回风巷左侧帮，布置测线一条，通过在掘进头移动发射接收线圈，形成1条超前探测的实测剖面。如图3所示。
矿井瞬变电磁法勘探装置类型采用重叠回线组合装置，边长1.5m的激发和接收正方形线圈，激发线圈匝数4匝，接收线圈匝数40匝。供电电流档为50A，供电脉宽10ms，采样率16us。每个测点至少采用30次叠加方式提高信噪比，确保了原始数据的可靠性，测点布置如图4所示。
本次矿井瞬变电磁法勘探试验数据采集，严格按照《瞬变电磁法技术规程》、《电阻率测深法技术规程》执行，并通过多次叠加提高信噪比等方法，确保了本次试验的数据采集，从而保证了试验的准确性。
2.2 探测结果及分析
2.2.1 14101回风巷掘进头超前探测结果及分析
（1）14101回风巷掘进头等视电阻率扇形剖面图40°斜向上。
图5为14101回风巷掘进头前方40°斜向上等视电阻率探测扇形剖面图，图中黑色区域为低阻异常区，共获得低阻异常区3处，为1#-3#低阻异常区。分析如下：
①1#低阻异常区位于掘进头40°斜向上方向左侧帮与硐轴线50°-90°夹角方向之间，相对距离约80～140米处；
②2#低阻异常区位于掘进头40°斜向上方向左侧帮与硐轴线25°-30°夹角方向之间，相对距离约125～140米处；
③3#低阻异常区位于掘进头40°斜向上方向左侧帮与硐轴线50°-90°夹角方向之间，相对距离约60～140米处。
（2）14101回风巷掘进头等视电阻率扇形剖面图顺层方向。
图6为14101回风巷掘进头前方顺层方向等视电阻率探测扇形剖面图，图中黑色区域为低阻异常区，共获得低阻异常区1处，为1#低阻异常区。分析如下：
1#低阻异常区位于掘进头顺层方向左侧帮与硐轴线0°-25°夹角方向之间，相对距离约80～140米处。
2.2.2 总回风巷左侧帮超前探测结果及分析
图7为总回风巷左侧帮斜向上20°等视电阻率剖面图，黑色区域为低阻异常区，探测巷道距离为50米，探测深度150米，探测异常分析如下：1#异常区位于巷道左侧帮斜向上20°方向10-50m之间相对距离约40-150m处。
2.2.3 结果验证
结合瞬变电磁探测结果，矿方采取了相应的探放水措施在14101回风巷掘进头前方90米处遇到了积水，与瞬变电磁探测结果基本吻合。
3 结语
瞬变电磁法在探测和辨别煤矿水文以及富水性强弱方面取得了很好的应用效果。通过超前探测巷道掘进头前方地质构造的异常情况以及利用扇形成图技术能够准确的确定地质异常体距迎头的实际距离；探测煤层工作面顶底板时得到工作面顶、底板方向视电阻率断面后，并结合矿井瞬变电磁法在该矿区以往的水文探测数据和地质资料，能够判断出工作面顶、底板方向异常区所属的岩层性质，并评价异常区的富水性强弱。