本站原创摘 要：阳煤三矿工作面开采过程中会受到上部采空区积水及煤层顶板岩层水的威胁.通过采用瞬变电磁法原理对工作面K8401顶部采煤层岩石区的可能富水异常情况进行探测,以分析评估此工作面的水文地质条件,更好地防范开采过程中可能出现的矿井漏水等水患灾害.文章以阳泉煤业（集团）有限责任公司三矿为例,着重介绍了瞬变电磁法探测矿井水文地质基本原理、工作方法,对工作面水文地质条件做出分析和评价,为回采过程中的防治水工程开展提供科学依据.
关 键 词：瞬变电磁法；矿井水文地质；感应电流；富水异常区
中图分类号：P631文献标识码：A文章编号：1009-2374（2013）30-0102-02
1概述
阳煤三矿工作面开采过程中会受到上部采空区积水及煤层顶板岩层水的威胁.通过采用瞬变电磁法原理对工作面K8401顶部采煤层岩石区的可能富水异常情况进行探测,以分析评估此工作面的水文地质条件,更好地防范过程中可能出现的矿井漏水等水患灾害.
2测量机理
在大地表面铺设导磁率为μ、导电率为σ且各向同性面积为s并通以阶跃脉冲电流的回路线圈,回路形成的载流线圈变动产生的磁场就是了瞬间电磁法磁源.
在t<0时,回路中发射电流因电生磁而形成磁场,即在铺设回路线圈的土壤上下都有稳定的磁场.磁场形成后并不会随电流的突然断开而消失,一般回路电路周围形成的磁场会以土壤中的导电介质和周边空气组成回路激发电流,保护磁场的瞬间消失.两者的能量的相互转换均是利用了电磁感应原理.
一次电流突然断开导致磁场剧烈变化,各地表因磁场的不均一和变化速率的快慢而感应出的电流分布不同.有研究表明,磁场在密度大的介质中比密度小的介质传播速度慢,因此,线圈地表感应电流最大且分布不均一,随着与磁源距离的减小而变强.地下感应电流随时间而强度减弱,并在地下向下和向四周扩展范围变大,最终扩散使之趋于均匀化.由此所激发的磁场形状也不一样,具体为：断电时,回路电流变化最大,为一次激发磁场,磁场与回路线圈形状相同；此后,地下涡流产生各种近似水平回路电流产生的磁场.感应电流随时间的延续向外向下扩延,形状逐渐转变,由最初的方形向最终的圆形过渡,图1即为地下涡流变化示意图.由其形状形象地将这些涡流认为是被从回路中吹出的“烟圈”,这一过程被人们形象地比喻为“烟圈效应”.
公式中：α表示发射线圈半径
当涡流等效回路半径远远大于激发源回路线圈半径时,,得到激发等效电流的向下向
外的传播锥角,其中向下传播的速度：
通过式（2）到式（4）得到这样的结论：土壤的导电率小,而相应产生的感应电流向下和向四周传播的速度大,两种呈现负相关的关系,通过观察地磁场的变化就可以很好地测量和观察感应磁场的瞬变性.从“烟圈效应”可以得到地表电流电位分布机理：近地表感应电流产生前期瞬变电磁场,定位地表上部电流；深部感应电流产生后期瞬变电磁场,定位地表深层电流.因此,大地电位的垂向变化可以通过探究土壤不同部位瞬变电磁场的变化而定,得到瞬变电磁测深原理.
矿井同样用瞬变磁场探测矿井情况,其原理与前文探测原理基本相同.井下探测是全空间全方位的磁场探测,叫做全时空效应.这也易引起其他感应干扰源的干扰,是此种探测发的问题属性.一般而言,电磁波易于通过高阻亢的煤层,因此TEM在煤矿井下没有屏对直流电场的蔽性,故接收线圈接收到的信号是来自发射线圈周围全空间岩石电性的综合反映.
探测线圈接收信号平面与地质构造材料共同分析确定矿产岩层中被探测异常物的空间位置.
3探测方法
矿井井下巷道瞬变电磁法探测装置一般采用多匝数小回线路探测线圈感应原理.地质探测的主要任务决定回线边长与匝数的选择.线圈边长越小,其体积效应越大,纵、横向分辨率也愈高；发射线圈的磁矩探测效应受感应线圈边长影响,太小太短影响探测深度和范围.同时,回路线圈边长也不能太长,否则在狭小的井下空间内很难施工.中心探头的档位和发送电流的大小可以控制回馈信号的强弱.回路感应接收信号随着闭路线圈匝数的增多而增强,煤层探测深度也会随之而加深,但探测装置移动的难度也变大.矿井瞬变电磁法一般在矿井巷道内每20m设定一个测试点,通过多匝小线框发射电磁场的探测原理,确定瞬变法巷道探测方向就是小线框的工作平面法线方向.这种探测主要探测井下岩层中的富水区域位置及异常情况、含水陷落柱、巷道掘进机迎头前方的突水构造等.因此,可将小线圈的发射接收信号线圈分布对准煤层顶底板和平行煤层等,并由探测任务和煤层倾角确定顶底板与探测线圈的夹角.
矿井瞬变电磁法一般在井下离地距离大于500m的巷道内进行,通过具有高自动化、强抗干扰能力、实时监控的轻型专业的TEM仪器实行现场勘探采集数据,并由微机自动控制,随时记录备份和存储,具有实时回放数据的功能.前文可知,井下低导电率的金属容易对瞬变电磁数据采集造成影响,例如工字钢支护架、锚杆支护架、运输皮带支护架、巷道底板上的运输及推进用铁轨等.因此,通过研究井下电磁瞬变法探测中的各种干扰项的瞬磁变化效应对井下数据的采集修正、探测和解释说明等具有很重要的指导意义.
4探测结果
等值线断面图是在去噪、滤波后的各巷实测资料进行反向演变后得到的成视电阻率图绘制而成,测点序号标注在上端,水平距离标注在下端坐标中,探测方向的探测距离标记在左右两侧,所有标记单位均为m.
图2所示为D1工作面皮带巷探测方向可视电阻率等值线断面图,其探测方向与水平方向呈30°；图3中D2为皮带巷探测方向视电阻率等值线断面图,探测方向与水平方向呈45°角.两幅断面图主要反映了煤层顶板内帮斜侧上方的电性变化.30～40m的探测方向上,其横向变化率不大,可视电阻率等值线趋于平缓,电阻率值基本高于40Ω·m；在40～110m段,视电阻率值低于40Ω·m,视电阻率横向变化较剧烈.
纵观D1与D2探测方向的两个视电阻率断面图,D1方向图中4#～16#测点、D2方向图中8#～15#测点出现不同程度的低阻异常区域.4#～6#、12#～16#等测点受到料场以及隔爆水墙等人文因素的影响.经过校正,不排除为顶板含水低阻异常,划分为第一处含水异常区.其中,8#～10#测点,视电阻率低于10Ω·m,低阻异常范围较小,巷道内的各种人文干扰因素较小,处于第一处含水异常区内,水文异常的可信度较大；22#～26#测点,视电阻率低于10Ω·m,低阻异常范围一般,巷道内的各种人文干扰因素较小,推测为第二处低阻含水异常；58#～61#测点,视电阻率低于10Ω·m,低阻异常范围较小,顶板滴水,考虑到59#测点处工字钢造成的影响,推测为一处可疑低阻含水异常；此外,本段内其他区域视电阻等值线较为平缓,其电阻率值平均高于10Ω·m,低阻异常几乎未出现,纵横两向分布连续均一.
通过以往探测经验结合参考阳泉矿井相关工作面的探测结果,分析本矿井的横向断面对比图,确定皮带巷及切眼顶板探测以视电阻率小于10Ω·m的区域确定为富水异常区.为进一步确定异常区富水区,可结合考虑水文地质条件、矿井所在区地质结构、电阻率值的大小、富水异常区范围等.一般富水区可分为强富水区、弱富水区和一般性富水区.前者异常范围大、电阻低且处于发育断层构造带,反之则为弱富水区,介于两种情况之间的富水区定义为一般富水区.
5结语
对比于其他物探方法,矿井瞬变电磁电法探测矿井异常区域具有多解性.在异常部位选择性布置一定的钻探验证工程,并做进一步水文地质调查与分析；根据具体情况采取可靠的防治水措施.