瞬变电磁技术在水文地质复杂矿井的应用

【摘 要】瞬变电磁技术（TransientElectromagicMethod,简称TEM）是近年发展较快并得到广泛应用的一种勘探方法.由于其观测的是二次场,可在近区观测,对低阻含水体反应灵敏,而且体积效应小、纵横向分辨率高,施工也很方便、快捷,所以效率很高.

【关 键 词】瞬变电磁；物探法；水文地质；复杂；应用

0引言

我国矿井水文地质条件大多比较复杂,是矿井特别是煤矿水害多发的国家,透水所造成的直接经济损失一直排在各类矿井灾害的首位,其给国家和人民带来的经济损失和人身伤亡都极为惨重.为了解决矿井和隧道的透水漏水现象有必要在矿井碛头（迎头）进行超前地质探测,预测含水地质体的位置及规模,以便使矿井工作更好、更合理的开展,减少不必要的损失.

1瞬变电磁技术基本原理

瞬变电磁技术是以不接地回线或接地电偶源以脉冲电流激励大地后,观测地下感生的二次电流场的一种探测方法.

它可以一次脉冲电流间断时（50%占空比）测量它的一系列二次感生电流随时间变化的值,也可以在电流方波反向时（100%占空比）测量它的一系列二次感生电流随时间变化值.可得到不同深度的地电特征.由于二次场从产生到结束的时间短暂又是不断地衰变的,这就是“瞬变”一词的由来.

2瞬变电磁技术应用

2.1矿井概况

红岩煤矿开采二叠系龙潭组煤层,最低侵蚀基准面标高为+540m,现生产水平位+180m水平,主要充水含水层为煤系底板的茅口灰岩和煤系底板的长兴灰岩,茅口灰岩为岩溶、裂隙含水层,顶部有厚650～938m的嘉陵江石灰岩,该层溶洞、漏斗发育,暗河规模壮观；如张家坝暗河长2850m,最大流量4.8m3/s.其下为飞仙关灰岩,厚130～168m,主要由石灰岩与泥岩组成,因本层含泥质较重,含水相对较弱,溶洞不甚发育.

2.2瞬变电磁技术对原始防治水勘探技术的挑战

红岩煤矿为水文地质条件复杂的老矿井,一直源用着钻探、巷探这种基础的探放水技术.钻探或巷探掘进作业是对理想地质体的第一次直接认识.

基础：地面勘探及地质分析

传统：直观的超前钻探上下、左右推断趋势预测

随着信息科技技术的进步,衍生出来的瞬变电磁技术开始盛行起来.相对巷探、钻探物探技术更优,非接触性、安全、原位；且底成本、高效率、信息量大.

同时省去了钻机繁重的搬迁过程、减少人员的长期跟踪留守、避免数据的大量重复、减少了整理资料时间.在减少人员工作时间的同时,减少了井下事故的发生概率.

瞬变电磁技术可以做到随叫随到,第一时间到现场考察并进行探测；随做随走,利用较短的时间获取数据,每次探测时间约为30分钟.仪器电脑自动储存数据,无需人工记录数据,成图时间快,后续支撑软件强大的成图分析功能,快速成图,获得探测结果.总而言之,瞬变设备具有体积小、携带方便、操作简单、应用广、人员需求少、探测浓度跨度大、数据获取快、数据延展性较强、数据分析成图快等特点.

2.3瞬变电磁技术2回风上山防治水的挑战

防治水的原则是预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采,采取防、堵、疏、排、截的综合治理措施.从上部的水文地质勘探资料揭露分析,3602区水文地质条件复杂.但收集的水文地质勘探资料较少,有效地掘进超前探测控制其水文情况显得尤为重要.如通过传统的巷探、钻探控制,人力、物力的消耗及矿井综合布置将受到一定的影响；防治水第35条规定,井下开采执行的水文地质勘探,采用物探、钻探、监测、测试等手段.物探排在第一位,面临着这未知的复杂的水文地质条件,瞬变首当其冲,利用其新技术的各种优势,相信能在一定的范围内收获较为良好的效果.

2.4瞬变电磁技术实践中的具体应用

通过掌握以往的水文地质资料分析,3602水文地质条件复杂,裂隙构造带较多,地质层位起伏不断,其中有效的控制点较少,无法确保其水文地质条件的准确性.在回风上山掘进采用瞬变提前预报,钎探辅助配合的方式进行.通过水情水害点预报,物探点预报相结合的方式进行.第一阶段,在预知的复杂区域进行了2次预报.3602回风上山总长预计约620m,计划第一次开口点向下50m作为一次预报,开口点向下100m作为第二次预报,以此类推.

3602回风上山第一次瞬变电磁技术探测在巷道开口点,沿掘进方向进行,所获数据效果图如下（图4）.

图形竖直方向数字代表超前距离,横向数字代表巷道宽度及其延展面.依照数据分析图形来看,整个图形在开口点前方50m岩石都较为坚硬,而较强的对比颜色；结合巷道设计坡度-19°及未揭露岩层层位的分布来看,推测巷道可能即将遇岩石层位较为坚硬的茅口隧石层.实际掘进过后得到了充分证实.

在探测碛头前方约25m～60m,图像显像积水异常区域显示特别明显,要求掘进队在第二次探测碛头面往前25m的范围内,严格执行先探后掘,随时注意巷道周围渗水情况的变化.实际掘进到26m处,即巷道开口点前方76m处,底板探眼来压,探放水量为30-40m?/h,后经综合推测因喀斯特岩溶管道或裂隙含水层及断层含水等地质原因所形成.

3瞬变电磁技术的应用及前景

3.1同类超前探测技术的对比

2.2应用与前景

通过瞬变电磁技术的使用,在遇水文地质条件复杂的矿井环境,物探设备能承受住各种压力,经受各种条件限制的考验.在以往的简单水文探测过程中,它已经开始崭露头角,如今在水文地质条件复杂,且水文地质勘探资料较少的情况下,能发挥出这样的水平,是仪器本身应有的职能,也是物探技术发展的结果.目前瞬变电磁技术不但可以应用于岩巷水的探测,还能运用于煤巷水文探测、地面水文地质探测；探测的形势及范围可以根据形势设定；可以对整个运输巷道、抽放巷道的探测、检测整个预采工作面、回采工作面的积水情况,采用三维立体成像,结合采掘平面图进行综合分析,有效的掌握采掘周围含水情况.

瞬变电磁技术的不断发展,必将给矿井的生产带来至关重要的影响.如今的节能减排,降成增效的角度,都是不错的选择.通过大面积的探测,快速准确的掌握采掘的一手资料,为采掘工作提供较为可靠的依据.随着科学技术的创新,瞬变探测将越来越精确,结构成图思路将越来越清晰,对未知领域的认知度将越来越明朗化,综合利用率将越来越高.

【参考文献】

[1]煤矿防治水规定[S].

[2]煤矿地质工作手册[Z].

[3]煤矿水文物探技术与应用[M].

[4]地震勘探技术与应用[M].

[责任编辑：曹明明]