基于烟圈效应的11点超前探观测系统设计.pdf

第 3 9卷 第 3期 2 0 1 1 年 6月 煤 田地质与勘探 C0ALG EOL 0GY E 0RA nON Vl0 1 ． 39NO． 3 J u n．2 O1 1 文章编号 1 0 0 1 - 1 9 8 6 2 0 1 1 0 3 0 0 6 7 ． 0 4 基于烟圈效应的 1 1点超前探观测系统设计 王 大设 ，汪志军 ，刘盛东 ，于景郝 1 ．安徽淮北矿业股份有限公司，安徽 淮北 2 3 5 0 0 6 ； 2 ．中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘要矿井 瞬变电磁 法 因关断时间影响存在一定探 测盲 区，一定条件 下关断 时间长短取 决于 发射 回线边长 、等效 面积 。针对掘 进巷 道迎头有 限空间，设计采用 多匝、重叠小边长回线以 满足探 测深度 需要 。研 究计算表 明，4 0匝、2 mx 2 n l 的发射 回线盲 区范 围为 2 0 m左右 ，并 据 此首次提 出 了矿 井瞬变电磁 法测点 间距 选择 盲 区理论法 。基 于“ 烟 圈效应” 设计 了适用于不 同巷道条件 下的“ 1 1点法” 矿井 瞬变电磁超前探观 测 系统。该 系统 随煤／ 岩层倾 角变化 而变化 。 通 过推 理计算得到 了与煤／ 岩层倾 角相 关的线框 布设 角度 公式 ， 使该 系统 更具 实际应 用价值 和 指 导 意 义 。 关键词“ l l 点”观测系统；烟圈效应；瞬变电磁 法；超前探测；煤／ 岩层倾角 中图分类号P 6 3 1 文献标识码A D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 1 ． 1 9 8 6 ． 2 0 1 1 ． 0 3 ． 0 1 4 El e v e n po i n t o bs e r vi ng s y s t e m i n a d va nc e d de t e c t i o n ba s e d o n s mo ke r i n g e f f e c t WA NG D a s h e ， WA NG Z h ij u n z ， L I U S h e n g d o n g ， Y U J i n g c u n z 1 ． Hu a i b e i Mi n i n g G r o u p L i m t e d - l i a b i l i tyC o m p a n y ， Hu a i b e i 2 3 5 0 0 6 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f R e s o u r c e s a n dE a r t hS c i e n c e s ， C h i n a U n i v e r s i tyo f Mi n i n ga n dT e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e mu l t i t u r n， s ma l l s i d e c o i n c i d e n t l o o p i s u s e d t o me e t t h e n e e d s o f p r o b i n g d e p t h a n d a d j u s t t h e l i m- i t e d r o a d wa y s p a c e．T h e r e a r e b l i n d z o n e s a s a r e s u l t o f t u r n o f f t i me i n TEM ． Th e t u r n o ff t i me d e p e n d s o n t h e s i d e a n d e q u i v a l e n t a r e a s o f t r a n s mi t t e r l o o p u n d e r c e r t a i n c o n d i t i o n s ． T he c a l c u l a t i o n s s h o w t h a t t h e b l i n d a r e a i s a b o u t 2 0 m o n t h e c o n d i t i o n o f 4 0 t u rns a nd 2 mx 2 m t r a n s mi t t e r l o o p ． An d t h e n t h e d i s t a n c e s s e l e c t i o n me t h o d b e t we e n t h e n e a r t wo d e t e c t i o n p o i n t s b a s e d o n b l i n d z o n e t h e o r y i s p r o p o s e d ．‘ ‘ 1 1 p o i n t s ”a d v a n c e d d e t e c t i o n o b - s e r v i n g s y s t e m i s d e s i g n e d t o a d j u s t d i f f e r e n t c o n d i t i o n s b a s e d o n s mo k e r i n g e ff e c t ，w h i c h v a r i e s wi t h t h e c o a l ／ r o c k i n c l i n a t i o n ．T h e l o o p l a y o u t a n g l e s a r e c a l c u l a t e d t o fit d i f f e r e n t c o a l ／ r o c k i n c l i n a t i o n ， wh i c h ma k e s t h e s y s t e m h a v e m o r e i mp o r t a n t p r a c t i c a l v a l u e a n d s i g n i fic a n c e ． Ke y wo r d s ‘ ‘ 1 1 p o i n t s ”o b s e r v i n g s y s t e m ；s mo k e r i n g e ffe c t ； 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 ； i n a d v a n c e d e t e c t i o n ； 近年来随着煤矿开采深度 的增加 、采空区积水 以及水害地质条件的复杂化 ，煤矿水害威胁越来越 大 ，水害防治工作挑战性加大，尤其是今年 3月份 发生的山西王家岭煤矿突水事故敲响了我 国煤矿防 治水工作 的警钟。据统计 7 0 ％以上的突水事故发生 在巷道掘进过程 中。因此，超前探测掘进巷道前方 的富水性工作就显得尤为重要 。就 目前来讲 ，国家 对于煤矿水害防治的重视程度和投入力度都是空前 的，但是各种煤矿灾害事故仍然时有发生 。从技术 层面上来说 ，目前煤矿水害防治手段主要有钻探、 化探和物探 ，其 中最被大家寄予厚望的是物探 。当 前煤矿水害防治应用最为广泛 、有效方法之一是矿 井瞬变电磁法 ，究其原因是瞬变电磁法本身具有其 他物探方法无法比拟的优势⋯。 矿井掘进巷道迎头有限空 间对于瞬变电磁法开 展具有很大 的约束性 ，因此 ，必须合理设计探测装 置和观测系统才能取得 良好 的超前探测效果。 总体 而言 ， 现 阶段矿井瞬变 电磁超前探测国内领先于 国 外 ， 国内研究煤矿瞬变电磁法超前探测的高校和单 位 主要有 中国矿业 大学 、中煤 科工集团西安研究 院、中科院地球物理研究所 、安徽理工大学 ，其 中 走在最前列 的是 中 国矿业 大学和 中煤科工集团西 安 研究 院 。 1 烟 圈效应和探测深度 根据麦克斯韦方程组可知 ，感应产生的二次 电 收稿 1 3 期2 0 1 0 ． 0 7 ． 2 6 作者简介 王大设 1 9 6 8 一 ， 男 ，安徽萧县人 ，高级工程师，从事煤矿防治水工作 6 8 煤 田地质与勘探 第 3 9卷 场是有旋场， 亦称为涡流场 。 矩形反射线框产生的 涡流 场 可 以近似 等效 为 电流环 产 生 的环形 涡 流 场 。随 着 时 间 的 推 移 ，该 电 流 环 向上 、下 及 外 扩 散 ，等效 电流环像从发射 回线吹 出来的一系列“ 烟 圈” ， 因此 ， 将 电磁波的扩散传播现象形象称为“ 烟 圈效应” [ 2 - 3 ] 。如图 1 所示 ，井下全空间瞬变电磁场 在观测时间内任意时刻 t ，“ 烟圈”的半径 和传播 深度 分别为l l J O iR 丽， 1 d i o o i x ／ 1 6 t i ／ p s m 0， 2 式中口为发射线圈等效半径 ；c ， 一2；t f 为二 丁 【 次场衰减时问；盯为介质电导率 ； 。 为磁导率 。当 发射线圈等效半径 a 相对于“ 烟圈” 半径 很小时 随 着时间 t f 增大很好满足 ，t a n 0 ≈1 ． 0 7，0 “ 4 7 。 。 f 因此 ，“ 烟圈” 将沿顶角为 9 4 。 的双向圆锥体范 围扩 散 ， 即探测范围为 9 4 。 顶角的类似双 向喇叭状 的椎 体 范围。这是居 于均匀介质得到 的结果 ，实际巷 道 中由于充满 电阻率值无穷大 的空气 ，使得激发 产生 的电磁波在探测 目标体另一侧消失很快 ，感 应产生 的电动势近似认为绝大部分 由探测方 向地 质体产生。 ＼ ／ 图 1 全空间瞬变电磁烟圈效应 F i g ． 1 S mo k i n g r i n g s o f t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c fie l d i n t h e f u l l s p ac e 由 D 4 1 6 t i ／ p s m o 知， 电 磁波扩散深 度 与观测 时间 t 和介质 电导率 盯有关 ，因此 ，勘探 深度与观测时间和介质本身的 电学性质有关 。这 意 味着在导 电性较好 的探测介质 中，能够在更长 的延时后观测到感应 电动势 。 使用 4 0匝 、 2 mx 2 m 的矩形发射 回线 时关断时 问为 t m i n O ． 0 0 4 5 ms ， 真空 中磁 导率 。 4 n x 1 0 - 7 H／ m， 煤 层 电阻率近似为 2 0 0 Q- m，最小勘探深度 d m i 2 0 m，即存在 2 0 m 的探测盲 区。实验研究 发现 ，由于掘进巷道支护 条件影响 ，掘进巷道中瞬变电磁超前探测最大深 度为 1 2 0 m左右 。综上所述 ，掘进巷道瞬变电磁 法超前探测深度范 围为 2 0 ～ 1 2 0 m。实际探测应用 中，本着“ 有疑必探 、先探后掘” 的防治水原则 ， 每次可 以提前 2 0 m进行超前探测 ，即将后一次探 测 的盲区前一次预先探 测完成。具体 而言就是 当 怀疑巷道前方 2 0 m处有异常时 ， 在距离可能异常 区 4 0 m之前就开始探测 ；当连续跟踪掘进巷道超 前探测 时 ，前一次探测 的最大深度为 1 2 0 m 则进 行第二次探测时掘进 到 1 O 0 m之前就开始探测 ， 这样便 可以避免矿井瞬变电磁法 由于关断 时间引 起的 2 0 m左右盲区影 响。 2 装置选择和观测系统设计 2 ． 1 装置选择 理论上发射磁矩 M越大探测深度越大。增大发 射磁矩一方面可以增大发射供 电电流 ，然而矿井掘 进巷道煤安要求限制了供 电电流不能太大；另一方 面可以增大发射线框面积 ，但是掘进巷道有限的空 间和特定的条件决定 了大边长的同线不可能在井下 应用。因此 ，矿井瞬变电磁法采用多匝小回线矩形 线框l 4 J ，回线边长一般为 l ～ 2 m，参照我国巷道尺 寸设计 采用 4 0匝 、2 mx 2 m 的重 替 回线装置 。 2 ． 2 观测系统设计 据上面分析知道 ，探测时将线框尽量贴紧 目标 煤／ 岩层 ，线框就像 “ 单面镜” ，探测方向为 目标体 方 向，其探测范围近似看为 9 4 。 顶角的类似单向喇 叭状的椎体范围；特别的，当线框背面有金属干扰 物时，线框就变成 了“ 双面镜” ，其接收的感应电动 势为 目标体和与 目标体对面的物体综合产生。 因此要 求探测时，尽量将线框贴近探测煤／ 岩层 ，并 同时 记 录好各测点处支护情况，并综合分析左 、右帮与顶 、 底板两个相向方向数据 ，以确定异常的准确位置。 如前所分析的， 矿井瞬变电磁法存在 2 0 m左右 的探测盲区，居于此理论 ，提出一种矿井瞬变电磁 法测点间距选择盲区理论法 图 2 。 为便于计算 ，取“ 烟圈效应中” 0 - 4 5 。 分析。图 2 中相邻测点之间的间距为 2 0 m， 根据几何关系知道 ， 测点 1 和测点 2 的探测范围起始重叠区在盲区范围之 内f 图中阴影 1 ；测点 1和测点 3的探测范围起始 第 3期 王大设等基于烟 圈效应的 1 1点超前探观测系统设计 ．6 9． 】 缶 界点 ＼ ＼ ／ 固 ／ ／ 45。 ／ 1 ． ＼ ～ 2 0m 4 0m 6 0m Om 测点1 2 Om 测点2 测点3 测点4 图 2 测点间距选择盲区理论法 Fi g． 2 The di s t a nc e s s e l e c t i o n me t ho d be t we e n t he n e a r t wo de t e c t i on poi n t s b as e d o n bl i n d z o ne t h e or y 重叠 区在盲区边界 ，即为临界情况 图中临界点 ； 测点 1 和测点 4的探测范围起始重叠区在盲区范围 之外 图中阴影 2 ， 即两测点之间探测范围在盲区范 围外存在遗漏 。因此 ，矿井瞬变电磁法的相邻两测 点间距 的临界值近似为 4 0 m， 实际探测测点间距应 该小于 4 0 m，理论上越密越好 ，但常用测点间距 0． 1 -1 0 m 。 有效利用迎头附近相对有限的空间，必须合理 设计观测系统 。居于以上分析并结合掘进巷道特殊 条件设计出 “ 1 1点法” 矿井掘进巷道瞬变 电磁法超 前探测观测系统 图 3 。 图 3中 5 m保护区内不能出 现掘进机 、钻机等大型金属器械 。该观测系统从左 帮开始顺 时针依次经过迎头结束于右帮 ，特别是在 迎头两拐角处各设计了两个测点 ，这样设计总共 1 1 个测点 1 号～ 1 1 号 ，其探测范围可以覆盖到迎头前 方 1 8 0 。 全方位扇形区域 图 4 。 图 4中 ， 探测范围 1 、 范围 2和范围 3分别为左帮、迎头和右帮探测区域 范围。矿井掘进巷道超前探测必须进行底板、顺层 和顶板 3个方向的探测 ，因此“ 1 1点”观测系统中 每个测点均进行 3 个数据点测量 ， 总计 3 3 个数据点。 数据处理时按照底板 、顺层和顶板分成 3组分别成 图 3 “ 1 1 点法” 观测系统 图 4探测 范 围示 意 图 Fi g． 4 The s k e t c h o f d e t e c t i o n a r e a s 图。为了方便对 比和分析左帮、迎头和右帮电性差 异 ，常将左右帮和迎头的数据组合生成底板、顺层 和顶板各一张 共计 3张 成果图 ，并据此作出地质 解释。 当煤／ 岩层水平时 ，据“ 烟圈效应” 分析 ，底板、 顺层 和顶板探测方 向与煤层 的近似夹角分别应为 4 5 。 、9 0 。 和 4 5 。 。实际探测 中利用几何关系将探测方 向角度转换为线框与巷道底板夹角 逆时针为正 ， 这样方便直观易于操作 。图 5为煤／ 岩层水平时 ，左 帮 、迎头和右帮测点处线框布置图，逆时针为正 ， 图中直观的反映了线框布置角度。实际探测遵循左 帮一迎头一右帮的探测顺序 ，每个测点依照底板一 顺层一顶板探测 3 个方向。 实际中，煤／ 岩通常存在一定的倾角 ，这就要求 线框布置角度需要做出相应 的调整以满足探测深度 的需要 。假定煤／ 岩层平整 即在一个平面上 ，设煤／ 岩层倾角为 通常低于 2 5 。 ， 线框布设角度为 仅 与 巷道底板夹角 。 并且规定参照系为面对掘进迎头左 手边为左帮 ，右手边为右帮 ，接下来以分两种情况 来讨论 。 a ．左高右低 ，即煤／ 岩层右倾时 ， 左帮 ①底板 a 1 3 5 。 ， ②顺层 a 9 0 。 ， ③顶板 a 4 5 。 ； 迎头 ①底板 a 1 3 5 。 ，②顺层 a 9 0 。 ，③顶板 a 4 5 。 ；右 帮 ①底 板 a 4 5 。 ，②顺层a 9 0 。 - p，③顶板 仅 1 3 5。 _ 。 b ．左低右高即煤／ 岩层左倾时 ，左帮 ①底板 a 1 3 5 。 fl， ②顺层 a 9 0 。 fl， ③顶板 a 4 5 o ； 迎头 ①底板 a 1 3 5 。 ，②顺层 a 9 0 。 ，③顶板 a 4 5 o ；右 帮 ①底 板 a 4 5 。 fl，②顺 层 a 9 0 o ，③顶板 a l 3 5 。 。 7 0 煤 田地质与勘探 第 3 9卷 ＼逆 时 针 为 j 1 顺 层9 O 。 a b 图 5 煤／ 岩层水平时各测点线框布置图 Fi g． 5 Th e l o o p l a yo u t d i a g r a m o fd e t e c t i o n po i nt s a t t he l e f t g a n g， d r i l l i ng h e a d a n d r i g ht g an g wh e n t h e c a o ] be d o r r o c k b e d i s ho r i z o ntal a 一一左 帮 ；b 一 一迎 头 ；c 一一 右帮 3 应用实例 图 6为“ 1 1 点法” 观测系统在安徽某矿某煤巷超 前探测视 电阻率等值线成果 ，限于篇幅 ，在此只给 出迎头前方顺层方向探测成果图 ，顶 、底板探测与 顺层探测成图方式一致 。图中横坐标表示探测点位 置 单位为 m ，坐标 0点为迎头中心探测点位置 ， 向左负坐标表示左帮 ，向右正坐标表示右帮 ；纵坐 标表示超前探测距离 单位为 m 。由图 6可以看出 巷道前方 5 0 m左右开始 向前方 ， 视 电阻率等值线存 在一明显低阻异常区， 后经打钻验证前方 4 6 m位置 开始 出水 ，水量在 8 m ／ h左右，为砂岩裂隙水 ，与 探测结果基本吻合 ，说明了“ 1 1 点法” 观测系统具有 较好 的实际应用效果 。 1 2 0 1 0 0 8 O { 6 O 逃 4 0 2 O O 5 0 0 5 O 距 离／ m 图 6 煤层顺层超前探测视电阻率等值线成果 Fi g ．6 The a p pa r e nt r e s i s t i vi t y c o nt ou r a l o ng t he c o a l s e a m 4 结 论 a ．掘进巷道有 限的空间决定了 回线边长不能 太 ，增加 回线 匝数可以增大发射磁矩而满足勘探深 度要求。 b ．依据巷道尺寸设计采用的 4 0匝、2 mx 2 m 重叠矩形 回线 ， 使得矿井瞬变电磁法存在 2 0 m左右 盲区，这是 由于关断时间无法消除引起的。 c ．基于“ 烟圈效应” ，提出了矿井瞬变电磁法测 点间距选择盲区理论法 ，并设计出矿井掘进巷道瞬 变电磁超前探“ 1 1 点法” 观测系统，该系统每个测点 分别进行顶板 、顺层 、底板 3 个方向探测 ，总计 3 3 组数据。 d ．依据煤／ 岩层水平条件下探测角度理论 ， 建立 了随煤／ 岩倾角变化的线框布 置角度公式 ，完善 了 “ 1 1 点 法” 理论 。 e ． “ 1 1 点法” 观测系统要求相应数据处理软件具 有 自动输入测点坐标的功能， 以使 3 3组数据处理成 果在同一坐标系下显示 出来。 实际线框布设时 ，为了提高精度减小误差应 该使用角度测量仪 ，但这也会延长工作时间、降低 工作效率。 g ．今后应加强煤／ 岩层产状复杂条件下的线框 布设角度研究。 ． 参考文献 [ 1 】 于景邮．矿井瞬变 电磁法勘 探[ M] ．徐州 叶 1 国矿业 大学出版 社 ．2 0 0 7 ． [ 2 ]谭代 明．地下 全空 间 瞬变 电磁响 应 的研究 [ J 】 ．物探 与化探 ， 2 0 0 9 ，3 3 4 4 3 6 - 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