PROTEM47瞬变电磁仪在探查工作面顶板砂岩含水性的应用
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摘 要：PROTEM47作为一款探测距离大、探测精度高、对低阻异常敏感、性能稳定的瞬变电磁仪广泛应用于矿井富水区探测。在应用之中，采用偶极装置形式，通过调整关断时间、收发線圈距离、发射电流值得影响参数，确保了探测结果精确有效，成功探查出，低阻异常，保证了矿井安全生产。
关键词：瞬变电磁；矿区水患；安全生产；PROTEM47
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.077
1 基本原理
矿井瞬变电磁法是目前井下富水区域探测的主要物探手段，它是利用井下各种岩石的电性差异来完成地质任务的一种物探方法。
井下全空间瞬变电磁探测不同于地面瞬变电磁法，接收线圈接收到的信号不仅有线圈朝向的探测区域的电场信号还包括发射线圈周围全空间岩石综合电性反映。且由于受矿井生产条件限制，在井下进行瞬变电磁探测的环境中，常存在大量支护及其他设施的影响。为确保井下瞬变电磁探测数据准确有效，除合理布置测线，挑选最佳探测条件，还应需对相关探测参数进行调整。
2 影响瞬变电磁探测因素分析
2.1 关断时间
二次场的强弱、方向和分布规律不仅取决于导体的电磁性质、大小、产状等因素，还与一次场的强度、频率及其与异常体间的感应耦合有关。因此，一次场的强弱会间接影响到观测的二次场强度。由于发射电流需要一个很短的附加时间才能稳定至零，所以采样时间均在关断之后略晚一点开始，故关断时间不同，其起始观测时间亦不同，关断时间越小，其起始观测时间越早，信号愈强。
2.2 偶极装置收发距
瞬变电磁测深的理论通常采用水平接收线圈Rx测量垂直磁场分量。Rx接受线圈位于Tx发射回线的中心处。这种装置叫做中心回线测深（central loop sounding）。然而，如果Tx小于60m×60m时，把Rx接收线圈放置在Tx发射线圈外部10m处，能获得更好的数据。这种装置叫做偶极方式（offset sounding），它可以避免由于强烈的初始磁场在回线中心所产生的IP效应。
2.3 外接电流
为了加大勘探深度，提高信噪比，发射系统要能产生最大的发射磁矩：
H为瞬变电磁探测深度；
M为发射磁矩，；
I为发射电流大小；
S为发射线圈有效面积；
Ρ为覆盖层平均电阻率值；
为最小可分辨信号电平，取决于信噪比。
由上式可知，若想改变瞬变电磁探测深度，改变发射磁矩是最为方便可靠的手段，结合现场实际，可以通过添加外接电流的形式增加发射磁矩。
我单位该实验中，分别使用1.1A及2.7A的发射电流进行对比实验。两组实验中选取同一套设备，收发线圈皆相距10，设计选取场地长140m。
3 应用实例
3上1009工作面为东十采区第十三个工作面，位于东十采区中部。工作面可采走向长134-207m，倾向长727m，所采煤层为二叠系山西组3上煤层。工作面整体材巷高于运巷。
为确保3上1009工作面的安全开采，工作面开采前必须查明工作面顶板、底板、及面内含水层富水性及断层、裂隙含水情况，为工作面防治水工作提供技术依据。付村煤矿采用PROTEM47瞬变电磁仪探查工作面富水性。
为满足探测要求，在3上1009工作面运巷布置测线一条，自运巷导41点起至导51点西南160m范围内，测线总长600米，测点间距10米，共60个探测点，探测工作面顶板水平上45°、水平方向及底板水平下45°赋水性，分别对应探测工作面顶板、面内、底板三个方向煤岩层富水性。
将探测原始数据利用BETEM瞬变电磁数据分析软件分析处理后，得到工作面顶板、面内、底板三组视电阻率拟断面图。
经数据解释，现发现低阻异常区一处，对应于工作面运巷导41#点西117m至导45#点西36m，距巷道73m至120m处区域，该处顶板、面中视电阻率值均相对较低，且低阻异常区在空间上具有较强连续性，预计富水区域顶板上方40m～70m范围内富水性较强。
4 总结
矿井全空间瞬变电磁探测相较于地面半空间瞬变电磁探测环境干扰因素较多，其中铁质支护对探测距离及探测准确度的影响尤为严重。我公司在进行井下瞬变电磁探测时，根据瞬变电磁测深公式对发射线圈电流及关断时间进行了调整，有效提高了探测深度及精度。
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