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矿井瞬变电磁法在水力压裂石门揭煤技术中的应用

作者：李碧武

来源：《中国化工贸易·下旬刊》2018年第05期

摘 要：本文根据矿井瞬变电磁法的基本原理，针对李子垭煤矿南二井3202运输石门揭煤的水力压裂技术应用效果考察，通过矿井瞬变电磁法对水力压裂前后测点的探测，有效地考察出了水力压裂的影响范围，为水压裂缝的扩展形态监控及控制压裂提供了一种新的手段。 关键词：矿井瞬变电磁法；水力压裂；影响范围 0 引言

近年来，水力压裂增透煤层瓦斯技术在矿井中的应用越来越广泛，对于水力压裂增透的影响范围及空间分布一直以来没有有效简便的方法对其进行研究，不能直观地反映出水力压裂技术的应用效果。而矿井瞬变电磁勘探技术近几年凭借其效率高、体积效应小、指向性强、不受高阻层屏蔽等优点广泛应用于煤矿工作面顶底板赋水情况及矿井地质构造的预测预报中，但对于其他方面的应用还没有进行尝试。

煤岩体水力压裂后，水进入煤岩体中，将影响地层电性在横向和纵向上的变化规律。这种变化规律的存在，为以煤岩体导电性差异为物理基础的瞬变电磁法探测提供了良好条件，可以用来判断水力压裂的影响范围及空间分布。因此，针对矿井瞬变电磁法的技术特点，结合水力压裂技术现场应用的情况，本文尝试将矿井瞬变电磁法应用于水力压裂技术的效果考察，通过矿井瞬变电磁法对水力压裂技术实施前后的效果进行对比，直观地展示了水力压裂技术的应用效果，为水力压裂技术的推广应用提供了一种新的检验方法，具有十分重要的理论意义和现实意义。

1 矿井瞬变电磁法基本理论

瞬变电磁法或称时间域电磁法（简称TEM），它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是：于地面或井下设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。 1.1 基本原理

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在导电率为σ、导磁率为μ0的均匀各向同性大地表面铺设面积为S的矩形发射回线，在回线中供以阶跃脉冲电流I（t），t为时间，其中：

在电流断开之前，发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场图1（a）。在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会即刻消失。由于介质的热损耗，直到将磁场能量消耗完毕为止图1（b）。

由于电磁场在空气中传播的速度比在导电介质中传播的速度大得多，当一次电流断开时，一次磁场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地表各点，因此，最初激发的感应电流局限于地表。地表各处感应电流的分布也是不均匀的，在紧靠发射回线一次磁场最强的地表处感应电流最强。随着时间的推移，地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散，其强度逐渐减弱，分布趋于均匀。研究结果表明，任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场。在发射电流刚关断时，该环状线电流紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形状。 随着时间推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。等效电流环象从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此，将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”（如图2）。

从“烟圈效应”的观点来看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电性的垂向变化。 1.2 矿井瞬变电磁法装置形式及其参数选择

此次试验采用澳大利亚产Terra-TEM型仪器，该仪器是目前比较先进的专业TEM仪器之一，具有采样自动化程度高、压制干扰能力强、实时监控等特点，数据采集由微机控制，自动记录和存储，与微机连接可实现数据回放。该仪器采用重叠回线装置，发射和接收线框采用多匝1.5m×1.5m矩形回线，发射线框60匝，接收线框70匝。采样时窗为1～34，叠加次数为64，时间采用标准时间序列。需要说明的是，由于探测过程中采用多匝线圈天线装置，受线圈自感和互感的影响，采用该装置将会产生约25m的探测盲区，即探测的有效范围一般为25～113m。

1.3 矿井瞬变电磁法测点布置及施工方法

根据李子垭煤矿南二井运输石门揭煤水力压裂工程实际，本次测点布置在3202运输石门碛头断面空间位置（图3），即从巷道迎头左侧开始，首先使发射、接收天线的法线垂直巷道左侧面进行测量（图3中的1号测点），然后旋转天线，使天线的法线方向与巷道的左侧分别成60°，45°和30°的夹角进行探测（图3中的2～4号测点）；当天线的法线方向与巷道碛头界面垂直时，根据其主碛头断面的宽度布置2～3个测点（图3中的5～7号测点）；到巷道碛头

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右侧时再旋转天线，使法线方向与巷道右侧分别成30°，45°，60°和90°的夹角进行探测（图3中的8～11号测点），即在多个角度采集数据，从而获得尽可能完整的前方空间信息。 实际操作中，对于图3中的每个发射点，可调整天线的法线与巷道底板的夹角大小，以探测巷道顶板、顺层和底板方向的围岩变化情况，其探测方向如图4所示，则可得到位于巷道迎头前方一个锥体范围内地层介质的电性变化情况。

本次探测从迎头左侧开始布置测点，至迎头右侧为止，实际布置测点数见表1，实现对迎头区域覆盖。探测顺煤层方向的煤岩层电性变化情况。

实际测量过程中对一些干扰因素注意避让，采集的数据质量较为可靠。 2 矿井瞬变电磁法数据处理流程

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。处理流程如图5所示。 3 结果分析

图6、图7和图8为李子垭煤矿南二井3202运输石门揭煤实施水力压裂前巷道处分别沿底板15度、顺层和顶板15度三个方向探测的视电阻率等值线图，图中xy轴的单位均为m。 从这三个视电阻率等值线图中可知，在李子垭煤矿南二井3202运输石门注水前迎头前方无明显低阻异常区，仅在迎头正前方两侧视电阻率略微偏低，分析认为这主要是由于支护等干扰造成。

图9、图10和图11为李子垭煤矿南二井3202运输石门注水后巷道处分别沿底板15度、顺层和顶板15度三个方向探测的视电阻率等值线图，且该图左侧为7月18日探测数据分析得出，右侧为21日探测得出，将两次数据合并处理分析后得到该图。图中xy轴的单位均为m。 综合分析图9～11可知，穿层钻孔石门水力压裂前后迎头顶板和顺层方向的视电阻率变化较为明显，尤其在1号和4号水力压裂孔方向上视电阻率变化更大；根据K1煤层压裂后的电阻率降低区域，初步判断K1煤层水力压裂的径向影响范围为50m～70m，这与现场观察的水力压裂影响范围较为一致，表明通过压裂前后的视电阻率等值线图可初步判断水压致裂的影响范围，为水压裂缝的扩展形态监控及控制压裂提供了一种新的手段。总之，煤岩体水力压裂技术为缩短石门揭煤时间，提高瓦斯抽采效率及防治煤与瓦斯突出提供了一种有效途径。 4 结论