瞬變電磁法成果多次疊加綜合解釋在礦井超前探測中的應(yīng)用

匡鐵軍 劉務(wù)全 崔延雙

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司云岡礦，山西大同037017）

0 引言

現(xiàn)有的科研成果和實(shí)踐經(jīng)驗 已經(jīng)證明，礦井瞬變電磁法可用于圈定巷道前方、頂板富水區(qū)、導(dǎo)（含）水?dāng)鄬?、采空區(qū)等低阻異常等[1]。數(shù)據(jù)處理和解釋的基礎(chǔ)理論研究尚處于發(fā)展階段，故在技術(shù)應(yīng)用方面需謹(jǐn)慎[2]。近年來礦井瞬變電磁超前探測技術(shù)雖然取得快速的發(fā)展，但是許多技術(shù)環(huán)節(jié)仍然存在問題：井下全空間瞬變電磁場相應(yīng)模擬過程中通常假設(shè)場源附近網(wǎng)格電性均勻分布，模擬初始給定的解析與實(shí)際不符；未考慮電流關(guān)斷時間的影響，而實(shí)際探測中采用的瞬變電磁儀器存在明顯的電流關(guān)斷效應(yīng)，因此以往模擬瞬變場擴(kuò)散規(guī)律及響應(yīng)特征與實(shí)際情況存在一定差異。缺乏考慮礦井適應(yīng)條件的高精度瞬變電磁儀器設(shè)備的支持，國內(nèi)生產(chǎn)的瞬變電磁儀器大多從地面瞬變電磁儀器改裝而來，因瞬變電磁在地面和井下的勘查對象不同、探測環(huán)境的差異、且受防爆和本安的限制，多數(shù)瞬變儀器采集數(shù)據(jù)可靠性明顯不足，受原理本身限制，數(shù)據(jù)具有一定的體積效應(yīng)，解釋成果圖往往對掘進(jìn)前方低阻異常區(qū)域有不同程度的放大[3]，這在一定程度上給“有掘必探”超前鉆孔的設(shè)計帶來了一定的干擾，“物探先行”的效果不明顯，不利于“兩探”的緊密結(jié)合，影響巷道水害超前探測的精度，為此本文提出了采用多次瞬變超前物探解釋成果疊加的綜合解釋方法，根據(jù)成果的公共異常區(qū)，指導(dǎo)超前探孔的設(shè)計，達(dá)到降低體積效應(yīng)的目的，探測結(jié)果與鉆探驗證情況基本吻合，取得了良好的應(yīng)用效果，提高瞬變超前物探探測精度，為巷道的安全高效掘進(jìn)提供可靠依據(jù)。

1 工程背景

云崗礦井田內(nèi)和周邊存在煤礦30余座，51045巷所在的12#層410盤區(qū)西部礦界附近存在7座小煤窯，預(yù)計在資源整合之前，本區(qū)域遭到小窯不同程度的破壞，由于小窯開采具有隱蔽性、復(fù)雜性和長期性，使得采空范圍難以查清，積水情況不明，再加上該礦處于資源枯竭期，為了進(jìn)一步回收儲量資源和保障銜接計劃，選擇在水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜的區(qū)域設(shè)計開采工作面。

1.1 工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

51045巷位于12#層410盤區(qū)西北部，該區(qū)域煤層厚度在2.5 m～4.1 m之間，平均3.0 m；直接頂為深灰砂質(zhì)頁巖，有節(jié)理及滑面底含碳質(zhì)，厚度平均2.3 m；老頂為灰白細(xì)砂巖，局部夾小層頁巖，含植物化石，厚度平均5.7 m；直接底為灰白色中砂巖，成分石英風(fēng)化長石及少量的白云母，厚度平均11 m，該區(qū)域煤層賦存較好，構(gòu)造發(fā)育簡單；同層北部為410-4盤區(qū)皮軌回盤區(qū)巷，南部存在12#層小窯破壞區(qū)（2005年11月訪查），西部為礦界，東部為本礦采空區(qū)，根據(jù)地質(zhì)報告、資料追溯、地面調(diào)查、小窯巡查資料分析，預(yù)計南部和西部存在小窯破壞區(qū)，根據(jù)地質(zhì)鉆孔和煤層底板等高線預(yù)測，掘進(jìn)前方為向斜構(gòu)造，是良好的儲水構(gòu)造。巷道掘進(jìn)到這個區(qū)域附近，必須對小窯破壞區(qū)和向斜足夠重視。

2 井下施工方法技術(shù)

2.1 工作裝置

本礦探測采用華安奧特（北京）科技股份有限公司研制的YCS系列礦用本安型瞬變電磁儀，采用中心回線裝置即發(fā)射線圈采用2.0 m×2.0 m的的多匝小線圈，接收線圈為直徑為1 m的圓形線圈，接收線圈放在發(fā)射回線中心，發(fā)射線圈和接收線圈沿固定測線同步移動的裝置，這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是礦井瞬變電磁法具有對低阻異常體反應(yīng)靈敏、方向性強(qiáng)、工作效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，在礦井水害防治中取得了良好的應(yīng)用效果，缺點(diǎn)是存在發(fā)射線圈和接收線圈自感互感現(xiàn)象，在探測方向淺部形成一定范圍的盲區(qū)。

2.2 測點(diǎn)設(shè)計

本次井下瞬變電磁法勘探布置三條測線，礦井瞬變電磁法探測時，調(diào)整發(fā)射線圈法線與巷道頂?shù)装宓膴A角已達(dá)到探測巷道頂板、底板和巷道正前方等多個方向探測的目的，如圖1所示夾角通常分別為90°、45°、-45°，數(shù)據(jù)采集布置三條測線，布置方式為扇形，扇形布置通常能有效避開現(xiàn)場金屬體干擾，是井下數(shù)據(jù)采集最有效最常用的布置方式，如圖2所示每條測線包含11個物理點(diǎn)，對前方180°的范圍內(nèi)10等分，每次采集數(shù)據(jù)時，發(fā)射和接收線圈旋轉(zhuǎn)18°，探測方式是使發(fā)射線圈和接收線框的法線方向垂直于巷道左幫開始進(jìn)行探測，然后在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)線框10次，使線框的法線方向從巷道左幫每隔18°旋轉(zhuǎn)到垂直巷道右?guī)蜑橹梗纬梢粋€橫向的扇形測線?？梢缘玫饺龡l礦井瞬變電磁法超前探測實(shí)測剖面。

圖1瞬變電磁測線布置

圖2測線布置方式（正視）

2.3 井下干擾情況及處理技術(shù)

井下實(shí)際探測結(jié)果分析對比結(jié)果表明，巷道內(nèi)的掘進(jìn)機(jī)、軌道、錨索、錨桿、錨網(wǎng)、鋼梁、鉆機(jī)、鉆桿、皮帶支架、電纜對瞬變電磁超前物探探測結(jié)果有很大的影響，他們在瞬變電磁中時一種低阻響應(yīng)，但井下掘進(jìn)頭的各種金屬制品的影響在測線方向上是一致的，可作為一種背景異常進(jìn)行校正[4]，特別是巷里的掘進(jìn)機(jī)，對瞬變電磁的響應(yīng)最大，在采集數(shù)據(jù)時要掘進(jìn)機(jī)后退至距離掘進(jìn)頭20 m以外的地方，以減少其對瞬變電磁場的影響，在保證施工空間的基礎(chǔ)上，切斷電源進(jìn)行井下數(shù)據(jù)采集，保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量以免采集數(shù)據(jù)質(zhì)量較差、幅值波動、數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)值畸變，影響探測成圖效果及異常分辨[5]。

2.4 體積效應(yīng)影響規(guī)律

根據(jù)埋深與異常體體積效應(yīng)沿測線方向有效距離的變化，可在平面直角坐標(biāo)系得到埋深與異常體體積效應(yīng)沿測線方向有效距離的函數(shù)關(guān)系曲線，擬合多項式可以得到埋深與異常體體積效應(yīng)距離的關(guān)系式：

Y=-1.1786+1.654x-0.0068x2

函數(shù)關(guān)系曲線如圖3所示，隨著異常體厚度增加，體積效應(yīng)的有效距離在減小，只是減小的幅度不大；異常體體積效應(yīng)的有效距離并沒有隨埋深的增加而增加，而是在埋深120 m時，達(dá)到最大值99 m，當(dāng)埋深大于120 m時，體積效應(yīng)的有效距離隨著埋深的增大而減小[6]。但具體的影響規(guī)律目前研究較少，只是基于瞬變電磁原理的基礎(chǔ)上和單次試驗的基礎(chǔ)上，認(rèn)為瞬變電磁法的體積效應(yīng)會使異常區(qū)的邊界范圍變大。

圖3埋深與異常體體積效應(yīng)距離的關(guān)系

3 創(chuàng)新綜合解釋

由于本區(qū)域臨近礦界，煤層賦存好，地質(zhì)構(gòu)造簡單，懷疑有小煤窯越界開采，加之掘進(jìn)前方為一向斜構(gòu)造，水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜，需要對掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)老空水的位置、分布范圍及其積水富水性進(jìn)行勘查。51045巷井下瞬變超前物探，在布置3條測線的基礎(chǔ)上，對同層正前方的瞬變電磁超前探測采取多次疊加數(shù)據(jù)采集、處理、綜合解釋的創(chuàng)新物探施工方法，數(shù)據(jù)處理完成后對6條實(shí)測剖面進(jìn)行公共異常區(qū)疊加解釋，縮小異常區(qū)邊界范圍，從而在某種程度上降低瞬變電磁體積效應(yīng)，降低成果解釋的多解性。

3.1 工作前儀器試驗工作

根據(jù)本區(qū)特點(diǎn)及瞬變電磁法的要求，試驗工作包括以下內(nèi)容：

1）儀器參數(shù)的試驗：以單點(diǎn)試驗為主，包括發(fā)射電流、關(guān)斷時間等，通過調(diào)制不同參數(shù)，綜合對比，反演探測深度確定超前距離并利用一次場關(guān)斷時間，計算盲區(qū)大小。

2）方法有效性試驗：在已知采空或積水區(qū)域布置一條測線，通過對試驗線分析解釋，比較解釋結(jié)果與已知的地質(zhì)資料吻合情況，確定方法的有效性，繼而調(diào)整儀器參數(shù)，達(dá)到最佳探測效果。通過儀器測試和地質(zhì)鉆孔的測井資料，有效掌握該礦地電特征。

3）在同一點(diǎn)位使用相同儀器，采用同一參數(shù)進(jìn)行反復(fù)觀測，計算兩組采樣數(shù)據(jù)的相對均方誤差以分析儀器的穩(wěn)定性。通過試驗及計算，計算儀器采樣數(shù)據(jù)總均方相對誤差，其誤差小于5%方能滿足井下工作。

3.2 綜合解釋流程

首先對工作面迎頭正前方數(shù)據(jù)采集6次，數(shù)據(jù)處理分析后形成6條超前探測的實(shí)測剖面，如圖3所示將每條剖面異常區(qū)都繪制到采掘工程平面圖上，然后根據(jù)異常區(qū)域的重疊部分，進(jìn)一步劃分異常邊界范圍，在物探成果的基礎(chǔ)上，靶向設(shè)計超前鉆孔；巷道再向前掘進(jìn)10 m后，重新采集數(shù)據(jù)處理解釋，由于單次超前探測范圍和成果在前方70 m～100 m范圍內(nèi)，前后幾次的物探成果可以進(jìn)行橫向和縱向?qū)Ρ确治?，分析現(xiàn)掘進(jìn)頭6次實(shí)測剖面物探成果的公共異常區(qū)，確定物探異常邊界范圍，再結(jié)合10 m、20 m、30 m等之前6次物探成果的公共異常區(qū)，精確劃分邊界范圍，降低物探解釋工作的多解性[7]，在51045巷掘進(jìn)期間共采集數(shù)據(jù)130余次，由于篇幅限制，以51045巷3#測點(diǎn)處物探成果和3#測點(diǎn)里10 m處同層瞬變電磁超前探為例，如圖4所示在3#測點(diǎn)處對正前方進(jìn)行瞬變超前物探，6次成果異常區(qū)分別為1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6，6處異常區(qū)存在公共部分，如圖5所示。集中在公共異常區(qū)域處設(shè)計超前鉆孔進(jìn)行驗證，在“有掘必探”設(shè)計的基礎(chǔ)上，加密施工2個鉆孔，全部探通，有少量積水和氣體，如圖6所示。3#測點(diǎn)鉆孔氣體和水患消除后，繼續(xù)向前掘進(jìn)10 m后，向正前方施工瞬變超前物探6次，對3#測點(diǎn)和3#號測點(diǎn)里10 m處6次疊加瞬變電磁公共異常區(qū)進(jìn)行驗證（如圖7所示）。具體的施工流程圖（如圖8所示）。

圖4 3#測點(diǎn)正前方物探異常區(qū)

圖5 3#測點(diǎn)正前方物探公共異常區(qū)域

圖6公共異常區(qū)域超前鉆孔驗證

圖7 3#測點(diǎn)前后物探公共異常區(qū)對比驗證

圖8瞬變電磁多次疊加超前探測施工流程圖

4 結(jié)論

采用物探成果多次疊加綜合解釋優(yōu)點(diǎn)提高了物探成果的準(zhǔn)確性，降低了物探解釋的多解性，驗證了使用儀器的一致性，從實(shí)踐的角度上說降低了瞬變電磁體積效應(yīng)的影響程度，精確劃分物探異常區(qū)邊界范圍，為超前鉆探設(shè)計提供可靠依據(jù)，采用物探成果疊加的綜合解釋方式的探測結(jié)果與超前鉆探驗證情況基本一直，取得了良好的應(yīng)用效果，為煤礦安全生產(chǎn)提供有效保障；缺點(diǎn)就是增加了數(shù)據(jù)采集的工作量，但多數(shù)井下瞬變儀器具有輕便、操作簡便的特點(diǎn)，增加的工作量可以忽略不計。從事煤礦井下物探工作，需要我們充分掌握礦井水文地質(zhì)條件，區(qū)域煤巖層地電特征，才能讓物探成果更好的服務(wù)于煤礦。