瞬变电磁法在新疆大黄山煤矿的应用

收稿日期2018-11-28作者简介 王建林（1986-），男，毕业于东北大学安全工程专业，助理工程师。

瞬变电磁法在新疆大黄山煤矿的应用王建林 杨学仁（新疆大黄山豫新煤业有限责任公司通防部，新疆 阜康 831509）摘 要新疆大黄山煤矿可采煤层自燃倾向性为Ⅱ类自燃煤层，矿井煤层自然火区及空区积水对安全生产造成严重威胁。

通过现场瞬变电磁法探测采空区的应用，准确探测出采空区位置、面积，为采空区消除隐患及综合治理提供了基础依据，保证了矿井安全生产。

关键词采空区 磁场 瞬变电磁中图分类号 P631.3+25 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2019.03.031Application of Transient Electromagnetic Method in Dahuangshan Coal Mine of XinjiangWang Jian-lin Yang Xue-ren(Ministry of Communications and Defense of Xinjiang Dahuangshan Yuxin Coal Industry Co., Ltd.,Xinjiang Fukang 831509)Abstract :The spontaneous combustion tendency of mineable coal seam in Dahuangshan Coal Mine in Xinjiang is type II spontaneous combustion coal seam. Water accumulation in natural fire zone and goaf of coal seam poses a serious threat to safety in production. Through the application of on-site transient electromagnetic method in detecting goaf, the location and area of goaf can be accurately detected, which provides a basis for eliminating hidden dangers and comprehensive treatment of goaf, and ensures the safety of mine production.Key words :goaf magnetic field transient electromagnetic method1 概况新疆大黄山煤矿位于乌鲁木齐市以东120km ，距阜康市60km ，属昌吉回族自治州阜康市管辖，地理坐标：东径88°37′15″~88°40′15″，北纬44°01′30″~44°03′00″。

2 探测方法的确定采空区及火区烧空区位置的探测目前主要应用的方法有：高密度电法、瞬变电磁法、浅层地震法、探地雷达法等，根据大黄山煤矿火区的地球物理特征、地形及地质特征，矿井的磁、电干扰情况，参考目前火区传统探测方法，通过现场踏勘后，本次大黄山煤矿采空区地面物探采用瞬变电磁法来圈定老窑采空区及火区烧空区范围。

瞬变电磁法和其他物探方法相比具有许多优势和特点，主要表现为：（1）不存在背景场的干扰；（2）瞬变电磁具有穿透高阻的能力；（3）响应分辨率强，准备结构简单，便于测量操作，能大大提高工作效率。

3 装置及工作原理瞬变电磁法是目前物理探测的重主要手段之一，该方法通过向地下发射电磁波，诱导地下目标，接收其产生的二次场，确定被测目标的物理性能参数。

该测量装置由发射回路线和接收回路线组成，工作过程分为电磁发射、感应和接收三个部分。

当发射回路线中通电流，发射电流突然中断，按照电磁感应理论，发射回路线中电流突然变化会在其周围产生电磁场，该电磁场称为一次电磁场，一次电磁场在传播过程中，如遇到良导电的地质体，将在内部激发产生感应电流，又称二次电流。

由于二次电流随时间变化，因而又产生新的电磁场，称为二次电磁场。

因良导电地质体内感应电流的热能损耗，二次电磁场随时间衰减，形成瞬变磁场，二次电磁场主要来源于良导电地质体的感应电流，它包含着与地质体有关的地质信息，二次电磁场通过接收回路线观测，并对观测的数据分析和处理，对地下地质体的相关物理性能参数进行解释。

如示意图图1所示。

图1 瞬变电磁法观测示意图4 测网布置原则物探测线走向尽可能垂直地层走向，使探测异常位于测线的中间，测线两端有一定点数的正常场，测线尽可能通过已知点。

勘查区内基本网度为40m ×20m ，线距为40m ，点距为20m ，因大黄山煤矿勘查区西翼为勘查重点区，所以将西翼的网度加密至40m ×10m ，线距40m ，点距10m 。

各物探方法使用同一测网。

测线及测点编号按从西向东、从南向北增大的顺序依次排序。

测线方位：大黄山煤矿西翼为正南北向测线，东翼为北19°东。

此次测网布设工作共放样物探测线77条，物探测点2276个，测线里程30.74km 。

其中西翼40条测线（X1～X40），煤矿37条测线（D1～D37）。

在放样过程中，对有房屋等障碍物无法放样的测点都进行了记录。

5 试验5.1 仪器性能测试仪器性能测试试验包括设备进场后的标定，仪器稳定性测试。

5.2 环境噪音测试分别在干扰区和非干扰区的试验线上进行了环境噪音测试试验，以了解勘查区内的电磁干扰情况。

此次试验工作完成一条测线共计139个物理点，试验工作量统计表见表1所示。

5.3 测验参数选择（1）试验线选取选取大黄山煤矿西翼中部X21线进行参数的试验，X21线除北端有高压线干扰源外再无明显干扰源。

（2）仪器标定设备进场后，对主机、电流监控盒子均进行标定，通过标定，仪器运行正常且仪器标定曲线符合仪器厂家提供相关要求，无异常响应。

（3）仪器稳定性测试仪器稳定性试验在不改变任何施工参数的前提下，在相同测点上用同一台仪器进行重复观测，根据观测结果评价仪器的稳定性。

表1 试验工作量统计表序号线号小号点大号点点距（m ）频率（Hz ）边框（m ）电流（A ）工作量（个）1X210420105240×24010432X2125042010 2.5240×24010183X212504*********×24010184X210140105180×1807155X21420105180×18010436环境噪音测试 2.517环境噪音测试51合计139（4）环境噪音测试试验环境噪音测试试验在不发射状态下，接收机采集环境噪音（即空采），通过对噪音水平分析，分析本区噪音对信号的影响程度。

环境噪音测试在X21线进行，通过在无干扰点处和高压线下空采，获得环境噪音数据，再与同点实测数据作对比，分析评价干扰的影响程度。

通过X21线0号点环境噪音曲线与该点实测曲线对比，该处地表为原始地貌，无明显干扰源，通过与实测曲线对比可见环境噪音对实测曲线对实测值基本无影响。

X21线380号点环境噪音曲线与该点实测曲线对比，该点位于35kV 高压线附近，受高压线影响干扰较大，经反复试验，在距高压线40m 范围内均会受到不同程度的干扰，越靠近高压线干扰越大。

遇到类似的干扰，观测曲线会出现畸变，应查明原因后，重复观测，必要时采取偏移或跳点措施避开干扰源并且在偏移点增大观测时长至300s 进行采集，处理数据时有针对性的采取多次滤波，降低干扰影响。

（5）发射电流试验从理论上分析，发射电流越大，抗干扰能力越强，但是关断时间也越长，对浅部信息的分辨能力不够。

结合大黄山煤矿实际情况，采用10A 和7A 的发射电流进行试验。

通过在同一发射线框、同一发射频率下分别对两种不同电流值的对比，结合实际情况，选用相对合适的发射电流。

X21线发射线框、发射频率不变的前提下，采用不同发射电流（10A 、7A ）进行采集的同一测点的衰减曲线对比图。

从图上可以看出，两种电流的衰减曲线整体形态平滑，曲线大部分相互重合，只有在曲线尾支有较小的差异，发射电流为7A 的曲线尾支存在较小的跳动，且尾支衰减形态不够完整，相对而言电流为10A 的曲线形态更为稳定、完整。

综合考虑以上因素，并结合仪器性能、地形等实际因素，发射电流为10A 的效果好于7A 。

（6）发射频率选择试验在相同的发射线框240m ×240m ，发射相同电流（10A ）的情况下对发射频率分别为2.5Hz 、5Hz 及10Hz 进行试验。

X21线在发射相同线框、电流情况下发射频率为5Hz 的曲线更为平缓、稳定。

因此在本区采用5Hz 发射频率较为合适。

（7）发射线框试验根据大黄山实际地质情况，试验采用发射线框240m ×240m 、180m ×180m 的两种线框进行试验。

通过在探测线X21上发射相同频率、电流，在观测时长一致的条件下240m 及180m 发射线框的视电阻率等值线断面图。

通过对比发现，两种发射线框在深度上均能够满足地质需要。

240m 线框整体效果相对略差，180m 线框相对抗干扰能力较好，两种线框浅部信息差异不大，180m 线框浅部盲区相对较小。

故选择180m 发射线框作为正式施工的发射线框。

（8）观测时间的试验在相同发射线框、频率、电流参数下，观测时长用≤90s 和≥120s 进行试验。

通过现场试验对比，采用≥120s 的观测时长电阻率曲线和衰减曲线的尾支的形态及平滑度比采用≤90s 观测时长所得的曲线更优，因此大黄山煤矿采用的观测时长确定为≥120s 。

5.4 剖面数据处理用已经初步确定的试验结果进行数据采集，对采集到的数据进行处理和反演，并结合已有地质剖面、钻孔和测井等资料进行分析，确保施工参数的合理性，为后期的数据处理、解释提供依据。

6 试验成果分析通过试验和资料处理，确定本区最终施工参数为：发射频率为5Hz ，发射线框选用180m ×180m ，发射电流为10A ，观测时长为≥120s 。

图2是根据上述施工参数采集的数据经过反演、地形校正及深度校正后得到的X21线视电阻率等值线断面图。

图2 X21线视电阻率等值线断面图通过对比，各煤层位置投影至视电阻率等值线断面图中后可看出，图中显示的电性异常反映和地质资料较吻合；图中所示的各煤层露头位置与实际相符；视电阻率断面图中已知采空区位置上方出现高阻异常，推测为采空放顶后上部地层塌陷所致；视电阻率断面图中在已知火区位置出现高阻异常，推测为岩石烧变及烧空区。