刘红云 王波 刘秀萍
黑龙江省904水文地质工程地质勘察院 黑龙江省哈尔滨市 150027
摘要：在以往的工程勘查找水工作中，较为常用的物探方法包括电阻率法、高密度电法以及甚低频电法等，但这些方法都必须以较好的接地条件为前提，而且探测深度也相对较浅；瞬变电磁法是以电磁波理论为基础，电磁波能够穿透较深的地层，且该方法采用不接地回线发射、接收信号，避免了场地条件的约束，能够在许多工程勘查找水中发挥很大的作用。本文对瞬变电磁法在工程勘察找水中的应用进行了分析探讨。
关键词：瞬变电磁法；工程勘察找水；应用
一、瞬变电磁法的基本原理
在二十世纪三十年代，瞬变电磁法主要在地质构造上被大量使用，简单的来说这种方法也可以称为一种时间域电磁感应法。虽然这种方法具有很多优点，但是在当时并没有引起人们的重视。在二十世纪五十年代的时候，这种方法才在矿体中被应用。直到二十世纪七十年代，这种方法才被使用在煤炭资源勘察中，慢慢地人们已经认识到这种方法对于煤炭勘察的有利作用，在几十年间也得到了快速的发展。这种方法主要就是使用不接地回线向要观测的物体发出的脉冲，并能够记录下来被观测的物体电磁感应的变化。随着时间的增长，这种变化以及强度的大小，就能够准确的判断出检测对象规模的大小等相关内容。这种方法所勘测的结果和回线线圈的匝数有很大关系，也就是说线圈的匝数越多，能够探测的深度就越大。根据这种方法的工作原理，相比其他的勘察方法，这种方法的勘察深度以及勘察结果的准确度都比较高，受周围物体的干扰也比较小。这也是该方法能够在煤矿勘察中被广泛应用的主要原因。
二、矿井概况
某一矿位于河南平顶山西部，在省政府主导的煤矿整合中通过地方小窑升级改造而成，目前，该矿产能为80万t/a，为一井一面式现代化省级五优矿井。该矿井采用两翼开采方式，井田北部为西山断层，其影响到整个井田北部区域的采掘活动，西部以大范围褶皱和区域性断层为主，东翼采区为矿井主采区。两翼采区均采用单水平上下山开采，随着东翼采区资源不断减少，矿井已经开始着手于西翼采区的开拓掘进，考虑到矿井水害是该矿安全生产的主要危险源，且西翼地质构造复杂，巷道掘进始终处于低工效进行。通过近年的水量观测分析，矿井东翼寒武系灰岩动态补给量为750m 3/h，且随着开采深度的不断增加，承压水水压逐渐增大，在巷道掘进施工过程中曾出现突水现象，另外，该矿井周围层存在多个小窑，且这些小窑开采范围不明确，不明采空区星罗棋布，采空积水对该矿井正常开掘也造成了一定的影响。西翼采区的掘进过程受水害影响将更为严重，如何做好西翼采区水害防治工作是保证西翼采区正常掘进的关键，也是保证东、西两翼采区正常接替的重要基础。
三、探水方法的提出
1、探水方法的确定
根据国内矿井突水事故可知，绝大多数突水事故发生在巷道掘进期间，该矿井在东翼采区工作面回采巷道掘进过程中也曾发生过小范围突水事故，故在掘进施工前进行超前探水时查明隐伏含水构造或者采空区积水，并制定科学合理的防治水措施是保证巷道掘进的关键。目前，巷道超前探水以钻探和物探为主，钻探能够直观显示出巷道掘进工作面前方的含水和岩层变化情况，具有可信度高、操作简单等优点，但是钻探所需费用较高、时间较长，一定程度影响了巷道的施工速度；物探是利用地球物理勘探技术对巷道前方含水情况进行探测，目前常用的是瞬变电磁法，该法具有施工方便、分辨率高、反应灵敏、对巷道施工影响较小等优点。同时，结合该矿水文地质条件，决定在西翼采区掘进过程中首先利用瞬变电磁法来进行探水，若遇到异常区时利用钻探进行验证，这样可尽量的减小对巷道掘进施工的影响，对于保证施工速度，确保两翼采区正常接替具有积极作用。
2、瞬变电磁法探水原理
瞬变电磁法是一种时间域人工源电磁感应勘探法，其勘探原理是利用发射回线线圈向地层空间发射脉冲一次磁场，该脉冲磁场在地层空间中转化为涡流，该涡流以不同的速度向周围扩散，且涡流速度与地层中不同介质电阻率密切相关；当遇到导体时在其周围形成二次磁场，通过瞬变电磁感应仪接受装置可接收二次感应电流，二次磁场的变化可反映地下地质体电性分布，可通过瞬变电磁法在地层中的磁场变化来推知地层中不同介质的规模、产状、导电率等物理特性，瞬变电磁法勘探原理如图1所示。由于地下不同岩层具有电阻率不同，含水岩层作为有限电导体，其导电性要远高于其他岩体，而采空区空洞无水时，其电阻率又明显增高，可利用该特性来利用瞬变电磁法来探测地下低阻含水岩体和采空区，进而对采空区的富水性作出预测。在采用瞬变电磁法时发现，含水岩体的瞬变电磁相应表现为中部偏低、两端偏高的特点，该特点随着含水岩体周围岩体的电阻率增高而愈加显著。
瞬变电磁仪利用瞬变电磁法来进行井下水的勘探，为避免电磁信号受到影响，在进行勘探井下水体时应将掘进机、钻机、矿车、扒渣机等大型金属设备移出勘探范围；为确保勘探效果的代表性，应满足勘探有效断面的线圈布置需要；另外，在勘探时应将勘探范围内的电缆断电，去除横穿磁场的金属管道，这样可尽量减少磁感应信号受到干扰。
3应用实践
21031工作面为该矿井西翼首采工作面，为保证该工作面风巷的正常掘进，决定采用瞬变电磁仪对掘进头前方进行勘探，在风巷多次勘探均无异常现象，当掘进进尺为460 m时，出现顶板淋水现象，且水质略臭，为了确定该水是否来自上部小煤窑采空区，决定巷道顶板上方垂直方向进行瞬变电磁勘探，勘探结果如图2所示。当该工作面风巷掘进进尺为870 m时，在21031工作面风巷掘进工作面超前72~73 m偏左位置处出现低电阻区，说明该处可能存在含水带，具体如图3所示。
从图4、图5中可以看出，随着工作面开采，在煤柱的两端分别出现了应力降低区、应力升高区，在煤柱中央出现应力集中区域，当煤柱较大时，煤柱中央出现了弹性区。煤柱宽度5 m时，煤柱的应力峰值为5.97 MPa，远没有达到煤柱的应力极限，此时煤柱已经破坏；煤柱宽度10 m时，煤柱的承载能力有了较大提高，应力峰值达到16.9MPa，煤柱没有出现弹性区；煤柱宽度从13 m增到20 m，应力峰值由17.1 MPa降到16.2 MPa，说明煤柱宽度在13 m时，煤柱的应力已经达到了极限，煤柱开始出现弹性区，但由于煤柱太窄，弹性区宽度仅为2 m；当煤柱宽度为15 m，煤柱上的应力呈现马鞍形分布，两侧塑性区宽度分别为8 m、3 m，弹性区宽度为4 m，基本能够满足煤柱的稳定性；煤柱宽度20 m时，仅增加了煤柱的弹性区宽度，其应力极值和塑性区宽度基本没有影响。综合考虑，合理煤柱宽度应该为15 m。
结束语
在以往的工作中，瞬变电磁法大多数情况下都采用分离式线框（大定源）应用于深部矿产勘查工作中，近几年来越来越多村镇找水、建筑工地勘查等也需要进行较大深度的探测。常规的物探方法不是受到场地约束、干扰影响，就是探测深度难以达到要求，而瞬变电磁法采用不接地回线（或探头）接收电磁波信号，且可采用小框工作模式，能够不受场地限制较为有效地采集到有效信号。本文对找水工作实例进行论述，希望在今后的城市物探工作中瞬变电磁法能够发挥更大的作用。
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论文作者:刘红云,王波,刘秀萍
论文发表刊物:《基层建设》2015年23期供稿
论文发表时间:2016/4/5
标签：电磁论文; 采区论文; 巷道论文; 矿井论文; 工作面论文; 采空区论文; 宽度论文; 《基层建设》2015年23期供稿论文;