曙光煤矿瞬变电磁超前探测物理模拟试验研究

王 欣

（山西焦煤集团汾西矿业曙光煤矿， 山西 孝义 032300）

引言

煤矿水害事故对于矿山企业的安生生产影响重大，已成为矿山安全重大事故种类之一，事故较小则造成工作面全面停产，事故大则带来矿井事故，使井下作业人员发生重大的伤亡事故。因此，矿山防治水工作就成为矿山企业安全生产不可忽略的重要问题之一。

利用瞬变电磁超前探测物理模型，对煤矿工作面研究的探测方式进行分析验证，了解瞬变电磁法怎样判断工作面巷道探测时前方围岩体内部含水体的分布情况，同时利用获得的水文信息资料配合探测得到的水体可以进行合理的解释，对于确保矿井安全生产起决定性作用，对实现高产量高效率具有非常重大的历史意义。

1 瞬变电磁探测法

当前，曙光煤矿瞬变电磁法采用的工作仪器基本有两个，一个是重叠回线圈，另一个是偶极对偶极。矿井瞬变电磁法在煤矿地下巷道中使用时都是多匝小型的回线圈仪器，参数的准确可以直接干扰测量的结果，主要参数包括回线圈的边长，回线圈的圈数，时间序列，叠加次数等[1]。

测点布置主要是在掘进巷道的迎头处，如图1所示，即以巷道的迎头左边为起始位置，首先让发射以及接收的天线的法向线与巷道左侧面相互垂直，然后进行探测（图1中的1号测点），再转动天线，让天线的法向线与巷道左边分别成60°，45°和30°的夹角再依次探测（图1中的2，3和4号测点）；如果天线的法向线的方向跟巷道的迎头界面的角度成90°角时，可以依据其主迎头的断面宽度安设2～3个测点（图1中的5，6和7号测点）；到达巷道的迎头右边然后转动天线，让法向线方的向跟巷道的右边分别成30°，45°，60°和90°的夹角再依次探测（图1中的8，9，10和11号测点）[2]。即需要从不同角度收集数据，从而取得相对比较完整的前方三维空间资料。

图1 超前探测测点布置示意图

在实际的操作过程中，针对图1中的每一个发射点，让天线的法向线方向跟巷道底板形成夹角，以探测巷道的顶板、顺层以及低板方向的岩石导电情况。这样就可以得到一个位于巷道的迎头正前方一个锥形体区域内地质岩层介质的导电性变化状况[3]。

2 数据采集及处理

本次瞬变电磁法探测采用的设备是武汉地大华睿地学技术有限公司研发的YCS200型[4]。

瞬变电磁数据处理，利用相关计算公式及采区的基本资料计算视电阻率、视深度等一些基本参数，根据资料的实际情况应进行滤波、一维反演处理，直至获得合适的解释数据。处理流程如下页图2所示。

本次资料解释将坚持：“水文地质研究与物探资料解释相结合，定性解释与定量解释相结合”的基本原则，采用综合处理与解译技术，减少多解性，提高解释可靠性。资料解释的基本流程如下页图3所示。

矿井TEM视电阻率等值线断面图横坐标为测点坐标，纵坐标为沿探测方向上深度坐标，结合地质和水文地质资料，确定探测区域内横向、水平和垂向深度上岩层电性变化情况。资料解释结合已知的地质、钻探和水文等资料。在具体解释中还做到了：人工解释与计算机解释相结合；垂直断面与水平切面解释相结合；电性解释与综合地质分析相结合[5]。

图2 瞬变电磁数据处理及解释流程图

图3 瞬变电磁资料解释流程图

3 瞬变电磁超前探测物理模型构建

建立物理模型进行模拟实验，设置在长方体长、宽、高为1.0 m、0.7 m、0.7 m的沙槽中开展该实验，该实验利用细颗粒的黄沙当作均媒介模拟巷道的围岩情况，沙槽内的黄沙厚度是0.6 m，在沙槽的随便任意一侧开挖一条合理的巷道，低电阻的金属球安置在距离掘进巷道正前方的0.4 m位置。在模拟巷道的掌子面总共设置13个检测点，相邻测点之间的距离位0.03 m，测线系统的参数如表1所示。

4 模拟结果

如图4所示的三个图：一个是顶板方向的超前瞬变电磁法探测的视电阻率剖面图，第二个是顺层方向的超前瞬变电磁法探测的视电阻率剖面图，第三个是底板方向的超前瞬变电磁法探测的视电阻率剖面图，巷道顶板设计的探测方向跟水平面的夹角是45°，可以探测到迎头的前方顶板横轴方向上0.1～0.45 m范围内的电性状况，纵轴方向上0.1～0.45 m范围内的电性状况。扇形区域内的视电阻率相对比较均匀。顺层方向的探测跟水平面几乎是平行的，可以探测巷道迎头正前方的视电阻率状况，图4呈现的是巷道的迎头左前方和右前方的视电阻率，发现其值非常的高，而迎头的正前方表现的视电阻率值相对低一些。底板的探测方向跟水平面的夹角也是45°，可以探测到迎头的前方顶板横轴方向上0.1～0.45 m范围内的电性状况，纵轴方向上0.1～0.45m范围内的电性状况。图中的左前方出现低电阻现象，极有可能是因为边界效应引起的偏差。综合分析低电阻部分的中心位置基本可以较好的和设计模型出现的异常体的实际位置相符合，分辨程度非常高。

表1 系统参数设置表

图4 超前探测视电阻率等值线图

5 结论

以探测煤矿采空区积水为研究背景，通过建立物理模型，进行瞬变电磁超前探测，主要结论如下：

1）迎头的前方顶板横轴方向上0.1～0.45 m范围内的电性状况和纵轴方向上0.1～0.45 m范围内的电性状况相对比较均匀；巷道的迎头左前方和右前方的视电阻率，其值非常高，而迎头的正前方表现的视电阻率值相对低一些；迎头的前方顶板横轴方向上0.1～0.45 m范围内的电性状况和纵轴方向上0.1～0.45 m范围内的电性状况左前方出现低电阻的现象，极有可能是因为边界效应引起的偏差。

2）低电阻部分的中心位置基本可以较好地和设计模型出现异常体的实际位置相符合，分辨程度非常高。