浅谈煤矿井下瞬变电磁物探异常区解释陈瑞龙

浅谈煤矿井下瞬变电磁物探异常区解释南岭矿陈瑞龙摘要瞬变电磁法以其井下现场劳动强度小，设备轻便，工作效率高，体积效应小，方向性强，分辨率高，对低阻区敏感的优点，已经在煤矿中得到广泛应用。物探异常区的解释工作是物探成果得以应用的最重要步骤，引起瞬变电磁物探异常的因素有很多，也就是物探结果的多解性，只有借助相关地质工作知识才能进一步化多解为单一解，得到正确的地质解释。本文以矿井实例为基础，分析解释了引起物探异常的老空水、采空区、断层、陷落柱等因素。关键词瞬变电磁煤矿老空水异常区解释中图分类号P6311南岭矿应用瞬变电磁法的地质及水文地质条件目前南岭矿主要采掘活动在2#、4#、5#煤，这三层煤煤厚在1.75-2.33m，层间距7m左右。其中2#煤已经大部采空，旧矿采掘资料不准确，分布有大量不明空区、空巷，积水情况不明，4#、5#煤局部有采空，积水情况不明，2010年至今已经探明2#、4#、5#煤采空区或空巷90多处，其中探明采空区积水8处，累计放水量近5万m³，同层及上部下部煤层均存在未知的采空区，部分采空区有积水，水文地质条件比较复杂。南岭矿主要含水层为二叠系上、下石盒子组砂岩裂隙含水层(组)，含水性微弱；二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层(组)，富水性差；石炭系上统太原组砂岩、灰岩岩溶裂隙含水层(组)，富水性差；奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层(组)，富水性较好。总之，南岭矿井主要水害威胁为老采空区积水。南岭矿目前采用的是“物探先行、化探跟进、钻探验证”的防治水手段，其中物探方法采用的是瞬变电磁法。2瞬变电磁基本原理及应用情况瞬变电磁法属时间域电磁感应方法，工作原理是：利用不接地回线向探测方向发射一次脉冲电流,当发射回线中电流突然断开后，地球介质中将激励起二次涡流场以维持在断开电流以前产生的磁场(即一次场)，二次涡流场的大小及衰减特性与周围介质的电性分布有关，在一次场间歇观测二次场随时间的变化特征，经过处理后可以了解地下介质的电性、规模、产状等，从而达到探测目标体的目的。但是二次电磁场信号往往受到来自瞬变电磁仪自身的和外部的电磁噪声干扰,即得到接收线圈实际测得的感应电压，它不是单纯的二次场,而是夹杂了各种噪声的信息丰富的综合结果。在一般情况下，发射电流造成的接收线圈暂态过程比较短，在晚期信号里不明显，但在早期信号里很大，是瞬变电磁探测盲区存在的主要原因。其他干扰伴随信号始终，对将结果分析影响比较大，获取纯二次电磁场信号，得到真实地质情况信息反馈，是瞬变电磁法的关键所在。地面TEM的发射框沿地面布设,有效探测范围为地下半空间。井下TEM由于巷道空间很小,观测面前后与上下都有介质存在,故被称为全空间瞬变电磁法。井下探测时受空间限制一般采用共面偶极方式,利用多匝小回线在任意可能的方向布设,因而可以进行多方位探测。南岭矿目前瞬变电磁法勘探装置类型采用重叠回线组合装置，边长2m的激发和接收正方形线圈，激发线圈匝数9匝，接收线圈匝数18匝。每个测点采用32次叠加方式提高信噪比，确保了原始数据的可靠性。实践证明,该方法在南岭矿巷道掘进头超前探测、顶底板探测和左右侧帮探测地质异常体、空巷空区和老空水时可取得理想的效果。3南岭矿实际物探结果及异常区解释实例3.1实例一、陷落柱构造引起的物探异常区以下为巷道掘进正前瞬变电磁+15°方向物探结果图及巷道平面图。图1巷道掘进正前瞬变电磁+15°方向物探结果图-100-80-60-40-20020406080100020406080100-100-80-60-40-20020406080100020406080100情况说明：该巷道瞬变电磁物探报告显示掘进前方存在闭合圆形低阻异常区。经过实际掘进及回采揭露，以图中深蓝色区域为中心，揭露一个长轴45m，短轴40m的近圆形陷落柱构造，陷落柱相对富水，构造不导水。掘进正前左侧闭合圆形异常区尚未采掘验证。3.2实例二、断层构造引起的物探异常区以下为巷道掘进正前瞬变电磁顺层方向物探结果图及巷道平面图。图3巷道掘进正前瞬变电磁顺层方向物探结果图-100-90-80-70-60-50-40-30-20-100102030405060708090100迎头顺层01020304050607080901000102030405060708090100情况说明：该巷掘进前方巷道存在左右明显差异异常区，巷道掘进实际揭露一条落差约7m的与巷道夹角不大的正断层，巷道为左侧异常区内为煤层右侧为岩石的状况，岩石富水性差。经过钻探验证，探测范围内未发现采空区积水、构造富水等情况。3.3实例三、老空积水引起的物探异常区以下为巷道掘进正前瞬变电磁+45°方向物探结果图及巷道平面图。-100-80-60-40-200204060801000204060801000246810121520253060180240图5巷道掘进正前瞬变电磁+45°方向物探结果图情况说明：该巷沿5#煤掘进，掘进前方上部右侧存在大面积低阻异常区，经过钻探验证，探明上部2#煤积水区，截至目前累计放水2万m³，物探结果图中左侧小面积异常区钻探及实际未见明显异常。3.4实例四、无水空区、空巷引起的物探异常区以下为巷道掘进正前瞬变电磁顺层方向物探结果图及巷道平面图。-100-90-80-70-60-50-40-30-20-100102030405060708090100迎头顺层01020304050607080901000102030405060708090100图7巷道掘进正前瞬变电磁顺层方向物探结果图情况说明：该巷沿2#煤层掘进，前方存在片状、条带状高阻异常区，经过实际钻探验证及掘进揭露，巷道掘进前方为2#煤层老空巷，与掘进巷道基本平行，空巷内无积水，空巷位于物探结果显示的高阻异常区域内。4结论（1）提高瞬变电磁法的解释精度,扩大其应用范围,一直是地球物理工作者不断追求的目标,也是地质、工程等给该方法提出的急待解决的课题。瞬变电磁技术分辨率高但易受干扰。在煤矿井下实施探测时，应采取一定的抗干扰措施，如调高电流强度，选用多重复频率。同时，井下巷道内应清理干净，电缆尽可能断电。发射线圈和接收线圈尽量远离金属体，且附近最好无积水。总之，要尽可能创造有利的探测环境，保障探测效果。（2）传统的瞬变电磁法资料解释手段单一,主要是通过视电阻率值这一参数来对地下电性分布情况作出判断,主要是在时间域范围内进行的研究和解释，下一步应向频率域发展，以不同地质体对不同频率的电磁波响应不同，来剔除干扰以取得信噪比高的资料。总之，煤矿井下瞬变电磁物探结果的最终归宿是解决采掘前方煤层的未知状况，是要预知采掘前方异常存在并分析造成异常的原因，达到指导钻探和生产的目的。其提高采集数据准确度和提高处理解释水平是最重要的发展方向，特别在提高对异常区域的地质属性解释方面需求迫切，在南岭矿实际应用中应更多地积累经验，提高分析预测水平。图8巷道平面图（图中注记的线为实际揭露的2#煤同层空巷）参考文献1.孙渊，应用地球物理教程，陕西人民教育出版社，2003年2.朱光明，数字信号分析与处理，陕西人民教育出版社，2003年3.李貅，瞬变电磁测深的理论与应用[M]，西安:陕西科学技术出版社,2002年4.刘白宙，井下瞬变电磁技术在探测煤矿老空水方面的应用，焦作煤业(集团)有限责任公司5.李好、胡运兵、吴燕清，应用矿井瞬变电磁法超前探测煤矿井下含水体，中煤科工集团重庆研究院，2012年10月6.李明星等，矿井瞬变电磁超前探测地质异常三维可视化，山东科技大学矿山灾害预防控制教育部重点实验室，2011年11月7.刘磊,遗传算法结合阻尼最小二乘法瞬变电磁反演研究,中国煤炭科工集团西安研究院作者简介：陈瑞龙，男，山东聊城人，1988年生人，目前职称地测助理工程师，在阳煤集团南岭煤业有限公司工作，担任地质物探组组长，联系电话：[phone]，QQ:489402910邮箱[e-mail]