超前探测方法在羊场湾煤矿的应用.pdf

Va l u e En g i n e e r i n g 5 3 。 。 | 黧 l l 窘 。 l 。 l 。 |。 翌 ； | 氅 量 。 蹙。 超前探测方法在羊场湾煤矿的应用 The Ap pl i c a t i on o f Adv a nc e d De t e c t i ng Ge o l o g i c a l S t r uc t ur e M e t ho d i n Ya ng c ha n gwa n Co a l M i ne 魏启 明 We i Qi mi n g ； 董伟 Do n g We i 神 华 宁夏 煤业 集 团羊场 湾 煤矿 ， 银川 7 5 0 0 0 2 Ya n g e h a n g w a n Mi n e ， S h e n h u a Mi n i n g Gr o u p I Yi n c h u a n 7 5 0 0 0 2 ， C h i n a 摘要 随着煤炭开采由浅部向深部 的延伸， 煤层开采从顶部向底部转移， 对构造认识不清， 给煤矿生产 已经造成 了巨大的影响， 探查地质构 造的类型 、 具体位置及产状 ， 对煤矿 安全生产具有重要 的指导作用 。论 文主要阐述 了瞬变电磁 法、 直流电法在羊场湾煤矿 1 2 0 2 0 5工作 面机巷 D F 2 0 1 断层处进行探 测， 为矿 井的安全生产提供 了可靠的技术保障。 Abs t r a c t As t h e s h a l l o w c o al mi n i n g s t r e t c h i n g t o t he d e e p e x t e n s i o n ．f r o m t h e t o p t o t } l e b o t t o m o f t h e s e a m．f o r i t wa s n o t k n o wn t o U S c l e a r l y a n d c a u s e d mi ne p r o d u c t i o n t o me e t a g r e a t ma ny b a d i n flue n c e ．Ve r i f y i n g t h e t y p e ， l o c a t i o n a n d a t t i t u d e o f g e o l o g i c a l s t r u c t u r e i n t h e c o al mi n e ma k e s a v e r y i mp o r t a n t g u i d i n g r o l e i n t h e c o al mi n e s a f e t y p r o d u c t i o n．P a p e r ma i n l y e xp o un d s t h e t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d a n d d i r e c t c u r r e n t me t h o d s a p p l i e d i n t h e di r e c t i o n o f DF2 01 l an e i n Ya ng c h a n g wa n c o a l mi ne ， a n d p r o v i d e s r e l i a b l e t e c h n i c al s u p po r t f o r t h e mi n e S s a f e t y p r o d uc t i o n ． 关键词 地质构造； 羊场湾煤矿； 瞬变电磁； 直流电法 Ke y wo r d s g e o l o g i c a l s t ruc t u r e ； Ya n g e h an g wa n mi n e ； TEM； DC me t h o d 中图分类号 T D1 文献标识码 A 0 引言 由于 地质构造 位置、 产状及赋水 性不清 ， 对煤矿 安全生 产 已经 造 成 了 巨大 的影 响。 羊场 湾煤矿 断裂构造发育 ， 矿 井涌水 量大 ， 随着 煤炭开采 由浅 部 向深部 延伸 ， 由顶部 煤层 向底部 煤层转移 ， 构造 探测由于深 度增 加 ， 地表勘 探的精度 降低 ， 发展井下 近距 离探测成 为 目前研究 开发 的主 要 课 题 。 利用瞬变 电磁法、直流 电法对羊场湾煤矿 1 2 o 2 O 5工 作面机巷 D F 2 0 1断层 进行探测 ， 为矿 井的安全生产提供 了可靠 的技术保障。 1 超 前物探的基本 原理 1 ． 1瞬变 电磁法基本原理瞬变电磁 法是 利用不接地 的回线向 巷道周 围空间发 射一次脉 中 磁 场 ， 在 一次脉 中 磁场 间歇期 间 ， 利 用 线圈观测二次感应涡流场 的方法。 其工作方法是 在井下巷道 内设置通 以一定 电流的发射线圈 ， 从 而在其周围空间产生一次 电磁场 ， 并在 巷道周围导 电岩 矿 体 中 作者简介 魏启 明 1 9 8 1 一 ， 男 ， 宁夏盐池人 ， 现任神华宁煤集团羊场湾煤矿地 测科科 长。 文章编号 1 0 0 6 4 3 1 1 2 0 1 2 1 4 0 0 5 3 0 2 产生感 应 电流 ， 断 电后 ， 感应 电流 由 于损耗 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。 在 电导率 Z 图 1 地下感应电流环带分布 为 盯， 磁导率为 。 的均匀各向同性 大地表面铺设面积为 S的矩形发 射线圈 ， 在回线中提供脉 冲电流 I t o地下感应 电流环带分布如图 1 所 示 。 、f t t O I t l 0 t 0 在 电流断开之前 ， 发射 电流在 回线周 围的大地和空间建立起一 个稳定 的磁场。在 t O时刻 ， 将 电流突然断开 ， 由该 电流产生的磁场 也 立即消失。 一次场的这一次剧烈变化通过空气和地下导 电介质传 现就 受到用户的欢迎 ， 应用 不断扩大。 3 机 电一体化技术 的发展前景 2 0世纪 9 0年代后期 ， 机 电一体 化的学科体 系和 发展趋势都进 行了深入 研究。它为机 电一体 化技术开辟 了发展 的广阔天地 ， 由于 人工 智 能技术、 神经 网络 技术 及光纤技术 的发展 ， 为产业 化发展提 供 了坚实的基 础。 机 电一体化 的发展和进步依赖并促进相 关技术 的 发展和进 步。我们 必须 把相 关技术做 好 ， 才能保证机 电一体化 的稳 步发展。 未来 机 电一体 化的主要发展方 向有很 多方面 ， 今天我们主要谈 下智 能化 ， 系统化和 网络化 三个 方面 3 ． 1智能化制造技术 的智 能化是制造技术发展 的前景。智能 化是 2 1 世纪机 电一体化技术发展 的一个 重要方向。智能化制造模 式 的基础是智 能制造 系统 ， 智能制造 系统 既是 智能和技术 的集成而 形成 的应 用环境 ， 也是智能制造模式 的载体。 与传统 的制造相 比， 智能制造系统具有以下特点 ①人机一体化； ② 自律 能力 ； ③ 自组织与超柔性 ； ④ 学 习能力与 自我维护 能力 ； ⑤在未来， 具有更高级的类人思维的能力。目前， 尽管智能化制 造 道路还很漫长 ， 但是 必将 成为未来制造业 的主要生产模式之一。 3 ． 2系统化自动化总是伴随有关机械或工具来 实现 的。可 以 说 ， 机械是一切技术 的载体 ， 也是 自动化技术的载体。 系统寻求实现 多子 系统协调控制和综合管理 ， 它可以进行任意 的剪裁和组合。 系统化 同时也使通信功能的大大加 强， 特别是“ 人格化 ” 发展 引 人注 目， 即未来 的机 电一体化更加注重产品与人 的关系。 未来 世界， 系统化将势不可 当。 “ 系统 化” 不仅是“ 信息化 ” 发展 的核心， 而且也是先进制造技术 发展 的核心。 3 ． 3网络化计算机网络技 术是 2 O世纪 9 0年代突 出成就。“ 网 络化 ” 是现代集成制造技术发展的必 由之路 ， 制造业 走向整体化 、 有 序化 ， 这同人 类社会发展是 同步 的。网络技术的兴起和飞速发展让 我们的生活发生 了日新月异的变革 ， 在科学技术、 工业生产、 教育等 方面都有 了长足的进步 。机 电一体化新产品一旦研制 出来 ， 很快就 会畅销全球 ， 只要其功能独到 ， 质量可靠 ， 就可以受到广大消费者的 青 睐。 各种网络将全球经济、 生产连 成一片 ， 企业 问的竞争也将全球 化。基于网络的各种远程控 制和监视技术 方兴 未艾， 机 电一体化产 品无疑将朝着 网络 化方向发展。 由于 网络 的普及 ， 远程控 制的终端 设备本身就是机 电一体化产品 ， 其发展前景值得我们大家期待。 参考文献 『 l 1 李运华等编著． 机 电控制l Ml E 京航空航天大学出版社， 2 0 0 3 ． 『 2 ] 赵松年等主编． 机 电一体 化系统 设计[ M] ． 机械工业出版社 ， 2 0 o 4 ． 【 3 ] 李建勇主编． 机 电一体化技术【 M] ． 科学出版社， 2 0 0 4 ． 章浩 ， 张西良 ， 周士冲．机 电一体化技术 的发展 与应用【J J ． 农机化研究 ， 2 0 0 6 ， 0 7 ． [ 5 ] 梁俊彦， 李玉翔． 机 电一体化技术 的发展及应用『 J 】 l 科技资讯， 2 0 0 7， 9 ． 5 4 价 值工 程 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 空间磁场不会立即消失。 由于介质 的欧姆损耗 ， 这一感应 电流 将会迅速 衰减 ， 这种迅速 衰减的磁场又在其周围 的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流 ， 这一过程场 继续下去 ， 直至 大地 的欧姆损耗将 能量消耗完 为止。这 便是大地中的瞬变电磁过程场 ，伴随这一过程场存在 的电磁场就是 大地的瞬变 电磁场。 1 2直流 电法基本原理矿井直流 电法属全空间 电法勘探 。它 以岩石的 电性差 异为基础 ， 与地面 直流 电法不 同， 在 全空 间条件 下 建 场 ， 在 井下 巷道 中进行 电法测 量工作 ， 地下 电流通过布 置在 巷道 内的供 电电极在巷道周围岩层 中建 立起 全空 间稳定 电场 ， 该稳定 电 场特征取决于巷道周围岩石的 电性特征及其赋存状态 ， 测量该 电场 的变化规律 ， 使用全空 间电场理 论处理和解释 ， 就可找到巷 道周围 岩石中引起 电场变化的水文、 地质构造等规律。 2 典型实例 2 ． 1羊场湾煤矿 1 2 0 2 0 5工作面机巷掘进迎 头断层构造及赋水 性探测 ① 1 2 0 2 0 5工作面开采层位于矿 区第 Ⅲ含水 组下部 ，根据勘探 资料及生产施工资料 分析 ， 第 Ⅲ含 水层 组主要以一层 煤顶板侏 罗系 中统直 罗组底部粗粒砂岩含 水层 厚 约 5 5 ． 2 3 m为主 ， q 0 ． 0 0 5 4 ～ 0 ． 0 3 4 6 L ／ s m， 渗 透系数 为 0 ． 0 7 3 8 ～ 0 ． 0 1 0 9 n d d ， 属于 含水性 弱或微 弱 的岩层。第 Ⅲ含 水层 组受工作面采动的影响 ， 含水层水通 过煤层顶 板垮落裂隙导入工作面 采空区内。 ②第 四系松散沙土层 中的水会通过节理 、裂 隙导入工作面 内。 通过 回采 冒落产生的裂隙导入该工作面采空区内。 ③ 受井 田内大断层 F 2 0 1 正 断层 的影响 ，本工作面范围内发育 有 三个 F 2 0 1的伴 生断层 ， 其 中伴 生断层 f 1 、 ， 随着 工作 面开 采顶 板含 水层水会通过 正断层 F 2 0 1的伴生断层破碎带导人工作 面 内。 将 对本工作面 的安全回采有一定影 响。 ④工作面受黑疙瘩背斜 、 山疙瘩 向斜、 红湾 井背斜 、 红湾井向斜 构造 的影 响， 背斜构造南 、 北翼 近似对称 ， 向斜 南翼坡度较大 ， 北翼 比较平缓。 工作面 的南部煤层走 向变化较北部 大。 煤层节理发育 ， 易 片帮 ， 煤层顶板岩层较 破碎 ， 易冒落。 2 I 2矿井瞬变电磁探测 2 - 2 ． 1探测方案 迎头前 方进行富水性探测， 如 下图 2所示。瞬 变 电磁探测垂直迎头 方向方案路线如下 图 3所示。 _ _ _ 迎头 图 2 水平方向布置示意图 图 3 垂直迎头方向探测示意 图 本 次瞬变 电磁 法探测选用 发射 电流 为 1 A， 频率 2 5 H Z ， 发射 线 圈 2 x 2 m x 6 4匝， 接收线直径 0 ． 6 m。 发射线框和 接收线框 分别 为匝数 不等、 且 完全分离的两个独 立线框 ， 以便 与煤层 顶板 含水异 常体 产 生最佳耦合 响应。 最后对整个探测结果进行资料处理 、 分析 和解释。 2 _ 2 _2探测成 果矿 井瞬变 电磁迎头不 同方向探 测剖面 成果如 下 图 4至 图 5所示 ， 黑 色表示低阻区 ， 灰 色表 示高阻区， 其它色为过 渡色。 由结果图可见 在迎头前 方 2 5米左右 ， 出现低 阻异常 区， 前 方 7 5 8 0米段 出现高阻反映。结合现场情况为 迎头后 7米左右停放 有掘进机 ， 结 合此处的视 电阻率值进行综 合分析 ， 2 5米左右处 的低 阻异常基 本为受此影响所致。 2 ． 3 直流 电法 探 测 圈 4 1 2 0 2 0 5机巷迎头水平 图 5 1 2 0 2 0 5机巷迎头垂直 超前探测成果 超前探测成果 2 ． 3 ． 1探测 方案直流 电法超前探测采用三级法 ，在 1 2 0 2 0 5机 巷迎头超前探测 ， 井下探测施工装置如图 6所示 A 1 点距迎头 0米。 M N 图 6 直流 电法施工装置图 2 ． 3 - 2探测成果1 2 0 2 0 5机巷迎头超前探测成果如图 7 。 从成果图可反映出 在迎 头前方 4 5米左右出现低阻异常 ， 岩体 相 对赋水 ， 但赋水性程度不是很大。 3 结论与建议 ① 经过 2种方 法探测 可以看 出在 1 2 0 2 0 5机巷 掘进迎 头 距 1 2 0 2 0 5回风斜巷 约 6 6 7米处 前 方 4 5米左右处 出现低 阻异常区 ， 岩体 可能相对赋水 ， 但赋水性程度不高 ， 需进一步现场进行验证 ， 掘 进过此段 时注意观察 ， 确保安全生产。 ②在 1 2 0 2 0 5机巷掘进 迎头 前方 7 5米一 8 0米 段出现高阻反应 ， 两种 方法 结果基本 一致 ， 此处岩体 相对较 破碎 ， 但其 导、 赋水性 较 差 ， 也可能是受 F 2 0 1 断层延伸影响。 现场施工 中需进行验 证。 ③矿井干扰因素始终是影响探测结果的最重要的因素， 建议在 以后井下探测工作前 ， 应对部 分干扰 因素进行排查 ， 在探测施 工时 移走较 大的低 阻体 ， 排干迎头积水等。 在探测施工时 ， 最好采取局部停 电措 施 ， 以降低 对探 测施工 的 干扰程度 ， 提高探测精度。 参 考文献 [ 1 ] 姜 志海 ， 岳建华 ， 刘志 新． 矿井瞬变 电磁 法在老窑水超 前探测 中的应 用『 J 1． 工程地球物理学报 ， 2 】 O 7 ， 4 4 1 9 1 2 9 3 ． [ 2 ] 王永建 ， 李永军 ， 杨 武洋 ， 黄洁． 中泰煤矿 地质构造异常带超前探测研 究叫． 煤炭工业 出版社 ， 2 0 1 1 ， 5 1 1 7 7 1 9 7 ． [ 3 ] 李文， 牟义 ， 张俊英． 煤矿 采空区地面探测 技术与方法优化明． 煤炭科 学技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 ． 【 4 ] 季一江 ， 朱丽莉． 瞬变 电磁 法在仇 山矿 区地质 灾害评 价中的应用【 J ] ． 西 部探矿工程 ， 2 0 0 8 1 2 ． 【 5 ] 唐 新功 ， 胡文宝 ， 严良俊， 等． 瞬变电磁 法油藏 动态监测模拟『 J 1 ． 石油物 探 ， 2 0 0 4， 4 3 2 1 9 2 1 9 6 ． [ 6 】 李貅， 郭文波 ， 李毓茂 ， 等． 瞬变 电磁法在煤 田矿井通水通道勘察 中的 应用 ． 西安工程学院学报 ， 2 0 0 0， 2 3 3 3 5 3 8 ． 【 7 】 郭纯 ， 刘 白宙 ， 白登海． 地下 全空间瞬变 电磁 技术在煤矿 巷道掘进 头 的连续跟踪超前探测[ J 1 _地 震地质 ， 2 0 0 6， 9 3 4 5 6 4 6 2 ． [ 8 】 于景邮 ， 刘志新 ， 岳建华 ， 等． 煤矿深部开采 中的地 球物理 技术现 状及 展望l J 1 ． 地球物理学进展 ， 2 0 0 7 ， 2 2 2 5 8 6 5 9 2 ． [ 9 】 汤金云． 矿 井瞬变 电磁法数据 处理与解 释系统研制『 D ] ． 徐 州 中国矿 大学 ． 2 0 0 7 ∞ 加 0 m ∞ ∞ ／／ ，～ 一 _ ，， ／ ／ ～ 。} ． ＼