瞬变电磁法在煤层构造探测中的应用研究.pdf

第４２卷第６期能源与环保Ｖｏｌ  ４２Ｎｏ  ６２０２０年６月ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＪｕｎ．２０２０收稿日期２０２０－０３－１３；责任编辑刘欢欢ＤＯＩ１０．１９３８９／ｊ．ｃｎｋｉ．１００３－０５０６．２０２０．０６．０２１作者简介邹阳（１９８４），男，山西高平人，工程师，硕士，２００９年毕业于辽宁工程技术大学，现从事井下超前探测研究工作。引用格式邹阳，高林，李汉超．瞬变电磁法在煤层构造探测中的应用研究［Ｊ］．能源与环保，２０２０，４２（６）９４  ９８．ＺｏｕＹａｎｇ，ＧａｏＬｉｎ，ＬｉＨａｎｃｈａｏ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｓｅａｍ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＥｎ  ｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，２０２０，４２（６）９４  ９８．瞬变电磁法在煤层构造探测中的应用研究邹阳，高林，李汉超（山西晋煤集团技术研究院有限责任公司，山西晋城０４８０００）摘要瞬变电磁法是一种对低阻物体敏感的探测方法，在实际应用中发现，对于一些断层或不含水陷落柱等地质异常体有明显的高阻反应，对于高瓦斯矿井来说能够有效地预测一些煤层的地质异常现象。为验证瞬变电磁方法在探测构造方面的能力，在实际探测过程中，运用两种以上瞬变电磁仪进行探测，排除现场干扰条件的影响，得到一致的探测结果。在扇形超前观测的基础上，通过烟囱简化反演，对每一测点进行多次处理分析，在某些地质条件较为合适的地方，能够明显看出高阻异常区域反映实际煤岩层的地质情况，且充分利用所掌握的地质资料和后期掘进后所得到的实际情况，总结得出瞬变电磁法可以考虑地质异常区域的高阻部分的特征分析与研究，这是瞬变电磁法在地质构造方面的探索。关键词矿井地质构造；瞬变电磁法；高阻异常；超前探测中图分类号Ｐ６３１．３２５文献标志码Ａ文章编号１００３－０５０６（２０２０）０６－００９４－０５ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｓｅａｍＺｏｕＹａｎｇ，ＧａｏＬｉｎ，ＬｉＨａｎｃｈａｏ（ＳｈａｎｘｉＪｉｎｃｈｅｎｇＣｏａｌＧｒｏｕｐＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉｎｃｈｅｎｇ０４８０００，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄｉｓａｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｅｎｓｉｔｉｖｅｔｏｌｏｗ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｂｊｅｃｔｓ．Ｉｔｈａｓｂｅｅｎｆｏｕｎｄｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌａｐ  ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔｈａｔｉｔｈａｓｏｂｖｉｏｕｓｈｉｇｈ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏｓｏｍｅｆａｕｌｔｓｏｒｇｅｏｌｏｇｉｃａｌａｎｏｍａｌｉｅｓｓｕｃｈａｓｗａｔｅｒ  ｆｒｅｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｃｏｌｕｍｎｓ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｆｏｒｈｉｇｈ  ｇａｓｍｉｎｅｓ．Ｐｒｅｄｉｃｔｓｏｍｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌａｎｏｍａｌｉｅｓｉｎｃｏａｌｓｅａｍｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄｔｏｄｅｔｅｃｔｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｔｈｅａｃｔｕａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｍｏｒｅｔｈａｎｔｗｏｔｙｐｅｓｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｓｔｒｕ  ｍｅｎｔｓａｒｅｕｓｅｄｔｏｄｅｔｅｃｔ，ｅｘｃｌｕｄｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｏｎ  ｓｉｔｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｏｂｔａｉｎｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆａｎ  ｓｈａｐｅｄａｄｖａｎｃｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｉｎｖｅｒｓｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｈｉｍｎｅｙ，ｍｕｌｔｉｐｌｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅａｃｈｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｏｉｎｔ，ｗｈｅｒｅｃｅｒｔａｉｎｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅ，ｉｔｃａｎｂｅｃｌｅａｒｌｙｓｅｅｎｔｈａｔｔｈｅｈｉｇｈ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｏｍａｌｙａｒｅａｒｅｆｌｅｃｔｓｔｈｅａｃｔｕａｌｇｅｏ  ｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｃｏａｌａｎｄｒｏｃｋｌａｙｅｒｓ，ａｎｄｍａｋｅｆｕｌｌｕｓｅｏｆｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｄａｔａａｎｄｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｂｔａｉｎｅｄａｆｔｅｒｔｈｅｌａｔｅｒｅｘｃａ  ｖａｔｉｏｎ，ａｎｄｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄｃａｎｃｏｎｓｉｄｅｒｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｈｉｇｈ  ｒｅｓｉｓｔ  ａｎｃｅｐａｒｔｏｆｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌａｎｏｍａｌｙａｒｅａ．Ｔｈｉｓｉｓｔｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｍｉｎｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄ；ｈｉｇｈｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｏｍａｌｙ；ａｄｖａｎｃｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎ０引言地面瞬变电磁法是一种时间域的电磁勘探方法，利用一个不接地的回线或磁偶极子（也可以用接地线源电偶极子）向地下发射脉冲电磁波作为激发场源（习惯上称为“ 一次场” ），在一次脉冲电磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场。瞬变电磁法在地表进行探测已经有较为广泛的应用［１  ３］，而矿井瞬变电磁法（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＭｅｔｈｏｄ，ＴＥＭ）采用电磁波在煤矿井下全空间激发４９２０２０年第６期邹阳，等瞬变电磁法在煤层构造探测中的应用研究第４２卷一次场，在一次场脉冲的间隔期间（断电后），观测由围岩体感应形成的二次场随时间的变化［４  ７］。在对采煤工作面内部以及巷道掘进前方隐伏小煤窑采空区、断层、陷落柱、水文钻孔等地质异常体的导含水性超前探测中取得了良好的应用效果［８］。瞬变电磁法在地面和航空半空间的理论研究和应用技术已经较为成熟［９］。在视电阻率定义与计算方面，解决了大回线瞬变电磁测深法的视电阻率定义，不同条件下瞬变电磁场的扩散速度公式以及全区视电阻率公式等问题，提高了全程视电阻率的精度与分辨率［５  ７，１０］。在井下探测方面，于景邨等［１１  １３］对层状介质瞬变电磁法时间深度换算进行了研究，通过物理模拟与井下试验研究了巷道底板铁轨和金属支架等干扰的响应特征，提出了相应的校正方法。郭纯等［１２］发展了同轴偶极装置形式的超前探测方式，采用该方法进行了连续跟踪超前探测试验。李貅等［１  ３］对瞬变电磁方法进行了正演研究。在如何改进探测深度和盲区方面，陈魁奎［１４］也进行了一定的研究。但在高阻体反应方面还未进行深一步的研究。瞬变电磁法的优点对低阻体反映敏感，在岩层富水性探测方面更具优势；超前探测距离较大，探测方向指向性好；施工方便快捷，劳动强度小等。缺点为由于体积效应影响，分辨率低，难以准确分辨实际的电性界面，同时因关断时间等影响，存在探测盲区；由于全空间效应影响，掘进工作面前后方异常混合在一起难以分离［１５  １７］。本文在对矿井一些掘进工作面超前方向进行探测时发现，在前方遇到地质异常区域（构造、断层、向斜或背斜等）时，探测视电阻率阻值随着不同的地质情况都会有高阻异常表现，这个结果有时能够作为探测异常区的表征，值得进行研究。１瞬变电磁法原理据Ｍ．Ｎ．Ｎａｂｉｇｈａｎ［１８］的推导视电阻率计算公式为 ρ ｒ＝４ｔｊρ 槡ｊ－ｔｉρ 槡ｉｔｊ－ｔ [] ｉｔｊｉ（１）式中，ｔｊ、ｔｉ为相邻两延时道取样，ｔｊ＞ｔｉ； ρ ｉ、 ρ ｊ为视电阻率。 ρ ｒ＝Ｃ μ ０４ π ２ μ ０ＳＮ５ｔ（Ｖ／Ｉ [] ）２／３＝Ｃ６．３２１０－１２（ＳＮ）２／３（Ｖ／Ｉ）－２／３ｔ５／３（２）式中，Ｃ为全空间响应系数；Ｓ为接收回线线圈面积；Ｎ为线圈匝数；ｔ为二次场衰减时间；Ｖ／Ｉ为归一化二次场电位值。通过式（２）解算出探测位置的多个视电阻率值后，再根据以上结果，求取相邻两延时道的值，最终得到要探测位置的视电阻率值［１９  ２１］。由式（２）可知，在固定接收回线线圈和发射线圈以及线圈匝数之后，影响结果的因子只有归一化二次场电位值。因此，在实际探测结果中，准确探测电位值至关重要。电位值的差异为巷道周围空间有效探测范围内所有岩层导电性的综合响应。因此，通过对比探测位置的岩层视电阻率值，就能够判断是否存在高阻或低阻的地质异常体，这个过程需要排除干扰的存在，才能够准确得出结论。通过大量实践发现，在一般正常的煤层中，如果遇到断层、破碎围岩体或者高瓦斯的情况下都会有高阻反应。２应用实例对比分析山西某矿在掘进巷道进行了多次探测，探测方案为矿井瞬变电磁法超前探测方向３个（图１），分别是３个横向探测方向（与巷道顶板呈３０夹角向前方顶板探测、顺岩层方向向前方探测、与巷道底板呈３０夹角向前方底板探测），某北回风一巷１０号联络巷以里６００ｍ处探测结果如下从图１看出，在探测前方的４０ｍ外，阻值相对其他位置要高出１０倍，明显高于其他位置。根据地质资料得知，此探测位置位于背斜轴部附近，现场浮矸且有一定的影响。根据岩性的不同，３号煤体的视电阻率相对于围岩体（顶底板砂岩或灰岩部分）要低，且在巷道中存在一处断层，岩巷整体阻值较高。通过矿方掘进后发现，发现坡度变化明显，证实该处高阻异常为轴部褶曲处致密砂岩引起。１０号联络巷以里６５３ｍ顺层方向探测结果叠加图和电压曲线如图２所示。从图２可以看到，在断层附近产生的视电阻率明显高于周围煤体的值，视电阻值最低４０Ω ｍ，最高为１５０Ω ｍ，相对此时正常的煤体的阻值５０Ω ｍ的探测值来说，１４０Ω ｍ已经明显大于其他区域的值，而视电阻率是相对值而不是绝对值。由于现场有大量浮矸，且机组距掘进面都在７ｍ左右，不能完全确定是断层引起的异常，但能够说明断层或浮矸确实可能影响探测结果。从一定意义上说，如果排除浮矸的影响，高阻异常区正是断层引起的结果。从电压曲线判断，受构造影５９２０２０年第６期能源与环保第４２卷响较大的测线分别为从左侧１３５至右侧４５的６条测线，很明显能够判断出构造的情况。图１顺层０、顶板３０和底板３０超前探测视电阻率拟断面图和顺层叠加图Ｆｉｇ  １Ｐｓｅｕｄｏ  ｓｅｃｔｉｏｎｖｉｅｗｏｆｆｏｒｗａｒｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｐｐａｒｅｎｔｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙａｔ０ｂｅｄｄｉｎｇ，３０ａｔｔｏｐａｎｄ３０ａｔｔｈｅｂｏｔｔｏｍａｎｄｏｖｅｒｌａｙｖｉｅｗ图２１０号联络巷以里６５３ｍ顺层方向探测结果叠加图和视电阻率曲线Ｆｉｇ  ２Ｏｖｅｒｌａｙｇｒａｐｈａｎｄｖｏｌｔａｇｅｃｕｒｖｅｏｆｄｅｔｅｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎ６５３ｍａｌｏｎｇｌａｙｅｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｎＮｏ．１０ｃｒｏｓｓｈｅａｄｉｎｇ北胶带大巷１０号联络巷以北５０ｍ处顺层方向探测结果叠加图和电压曲线如图３所示。图３北胶带大巷１０号联络巷以北５０ｍ处顺层方向探测结果叠加图和视电阻率曲线Ｆｉｇ  ３Ｏｖｅｒｌａｙｇｒａｐｈａｎｄｖｏｌｔａｇｅｃｕｒｖｅｏｆｄｅｔｅｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｌｏｎｇｌａｙｅｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎ５０ｍｎｏｒｔｈｏｆＮｏ．１０ｃｒｏｓｓｈｅａｄｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｔａｐｅｌａｎｅ６９２０２０年第６期邹阳，等瞬变电磁法在煤层构造探测中的应用研究第４２卷从图３可以看出，在北胶带大巷１０号联络巷以北５０ｍ处，此处地质情况为上山掘进，半煤岩结构，向斜轴部。视电阻值最低４０Ω ｍ，最高１８０Ω ｍ，可以看出发生高阻反应的位置和岩层结构都发生了变化，电磁波传播过程中也能明显地感应到电压的变化，从而反映前方高阻区域异于此巷道已掘部分巷道，可以看出高阻异常反应能够断定为煤岩层起伏变化导致的。１２巷５ｍ处、尾巷６１ｍ处和１８９ｍ处顺层方向探测结果叠加如图４所示。从图４可以看出，煤巷中相对高阻区域都位于煤层起伏变化较大的位置，视电阻率值最低９０Ω ｍ，最大为８００Ω ｍ。高阻部分都与地质情况有一定关联，与实际掘进过程中的地质情况吻合。图４１２巷５ｍ处、尾巷６１ｍ处和１８９ｍ处顺层方向探测结果叠加Ｆｉｇ  ４Ｏｖｅｒｌａｙｄｅｔｅｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅ１２ｔｈｌａｎｅａｔ５ｍ，ｔｈｅｔａｉｌｌａｎｅａｔ６１ｍａｎｄ１８９ｍ３试验结果分析综上所有探测结果可以得到，在煤巷中高阻反应是断层和破碎煤体的必要条件，而非充分条件。而岩巷中低阻反应也可能由于断层或其他构造引起，因此应该在排除现场环境影响下，结合现场地质情况来判断高阻反应是否是断层或煤体破碎或煤岩层变化，才能够达到最佳效果。由于瞬变电磁法视电阻率定义测量值为相对值，因此不能够根据值的大小来判断是否存在异常，不存在绝对值。除此之外，瞬变电磁法对低阻异常区域较为敏感，包括铁器、水体等低阻性质的物体，达到一定含量才能在磁场中表达出来。因此，在特定情况下，比如少量裂隙水、大量铁器等环境下无法探测出来，需要根据探测目的来选择探测方法和仪器，从而达到最真实、最佳的探测效果。此次试验不能充分验证高阻异常的特殊性，但能够作为判断地质异常的借鉴和参考。４结语工程实践表明，瞬变电磁法在煤矿进行井下构造方面的效果是显著的。在有效探测范围内，瞬变电磁法除了可以对低阻区域进行有效探测，对于探测裂隙或断层等也有一定的效果，但在实际应用中，一定要结合地质资料进行研判，但要提高准确率，还需要进行深入研究。参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］李貅，薛国强，李术才，等．瞬变电磁隧道超前预报方法与应用［Ｍ］．北京地质出版社，２０１３．［２］孙怀凤，李貅，李术才，等．考虑关断时间的回线源激发ＴＥＭ三维时域有限差分正演［Ｊ］．地球物理学报，２０１３，５６（３）１０４９  １０６４．ＳｕｎＨｕａｉｆｅｎｇ，ＬｉＹｉ，ＬｉＳｈｕｃａｉ，ｅｔａｌ．Ｔｈｒｅｅ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｉｎｉｔｅ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｔｉｍｅ  ｄｏｍａｉｎｆｏｒｗａｒｄｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆＴＥＭｅｘｃｉｔｅｄｂｙｌｏｏｐｓｏｕｒｃｅｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｏｆｆｔｉｍｅ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，２０１３，５６（３）１０４９  １０６４．［３］李明星，程久龙，王玉和，等．矿井瞬变电磁超前探测地质异常三维可视化［Ｊ］．煤矿安全，２０１１（１１）６１  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