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.pdf

第 2 8卷第 3期 2 0 0 6年 9月 地震 地 质 S EI S MOLOGY AND GEOL OGY Vo 1 ．2 8，No ．3 S e p t ． ，20 0 6 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 郭 纯‘ 刘 白 宙‘ 白登 海 1 焦作煤业 集团 有 限责任公司地测处 ， 焦作4 5 4 0 0 2 2 中国科学院地 质与地球物理研究所 ， 北京 1 0 0 0 2 9 摘要 文 中介绍 了利用地下全空间瞬变 电磁 U WT E M 技术 在某煤矿 一2 5 0排水巷 道掘进过 程 中进行 的连续跟踪超前探测试验。根据初探结 果 ， 采用不 共面同轴偶极 观测 方式时 ， U WT E M在巷 道 掘进头前方 的有效探测范 围约为 7 0 m， 巷道 每掘进 5 0 m进行一 次跟踪探测 。试验表 明， 利用该技术 可 以有效地超 前预测煤矿巷道掘进头前方 3 0 5 0 m范 围的富水异常 ， 为及 时采取水害 治理措施提供 依 据 。 关键词 地下全空 间 瞬变 电磁超前探测 水害预报 中图分类号 P 6 3 1 ． 8 文献标识码 A 文章编号 0 2 5 3 4 9 6 7 2 0 0 6 0 3 0 4 5 6 0 7 O 引言 巷道掘进头前方 的构造破碎带、 裂 隙发育区、 岩溶 、 陷落柱等富水 区 体 对巷道 的安全掘 进构成了严重威胁 ， 也是煤矿发生重大突水事故的主要原 因。如何做到提前预报和及时防治 ， 关键在于有效 的超前预测 。多年来这一问题一直困扰着煤矿 的基层技术人员和施工人员。近 年来 ， 全空间瞬变电磁技术在中国得到了发展 白登海等 ， 2 0 0 3 ， 这一技术属于近距离观测 ， 具 有体积效应相对较小、 方 向性强 、 分辨率高、 对低阻区敏感 、 施工快速的优点， 为我们提供了一条 新的探测途径。实践证明， 通过设计合适的装置形式可以有效地超前预测巷道掘进头前方数十 米范围内的水害危险性 ， 目前该技术已成为我们预测煤矿水害的最佳选择 。 瞬变电磁法 T r a n s i e n t E l e c t r o m a g n e t i c Me h t o d ， 简称 T E M 的原理是利用不接地回线向地下 发射一次脉冲磁场， 当发射回线中的电流突然断开后 ， 地球介质中将激励起二次涡流场以维持 在断开电流 以前产生的磁场 即一次场 。二次涡流场的大小及衰减特性与周 围介质 的电性分 布有关， 在一次场的间歇观测二次场随时间的变化特征， 经过处理后可以了解地下介质的电性、 规模 、 产状等， 从而达到探测 目标体 的目的 牛之链 ， 1 9 9 2 ； 蒋邦远， 1 9 9 8 。地面 T E M 的发射框 沿地面布设， 有效探测范围为地下半空间。地下瞬变 电磁技术采用多匝小 回线， 发射和接收面 可在任意可能的方向布设 ， 因而可 以进行多方位探测 。在地下观测时， 由于巷道空间很小 ， 观测 面前后与上下都有介质存在 ， 故被称为全空间瞬变 电磁法 U n d e r g r o u n d Wh o l e - s p a c e T r a n s i e n t E l e c t r o m a g n e t i c Me t h o d ，简称 U WT E M 白登海等， 2 0 0 3 。该方法 目前 采用的是共面偶极 方 收稿 日期] 2 0 0 6 0 3 0 3收稿 ， 2 0 0 6 0 7 0 7改回。 维普资讯 3期 郭纯等 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4 5 7 式， 这在巷道的底板、 顶板和左右侧帮的探测中被证明是有效的， 但却不能用于掘进头的超前探 测。而超前探测是煤矿巷道和工作面掘进 中最迫切需要的。为此 ， 我们通过改变装置方式的办 法试 图把 U WT E M 方法 用 于巷道 掘进 头 的超 前探 测 。试 验 表 明这 样 做可 以取 得相 当理 想 的效 果 。 1 巷道掘进头超前探测方法 巷道掘进头一般只有几平方米大小 ， 既无法采用共面偶极方式， 也无法采用中心方式。因 此 ， 我们采用了一种不共面同轴偶极方式。如图 1 所示 ， 发射线圈 T x 和接收线圈 R x 分别位 于前后平行 的2个平面内， 二者相距一定的距离 要求 5 m， 实际中常采用 1 0 m 并处于同一轴 线上 。观测 时接 收线 圈贴 近掌子面 ， 轴线 指 向探 测方 向。对 于 巷道 掘 进 头来 说 ， 探 测 时分 别对 准巷道正前方 ， 正前偏左 、 偏右等不 同方向， 这样可获得前方一个扇形空间的信息 图 2 。 图 1 巷道掘进头 T E M超前探测装置方式 Fi g ．1 UW TEM c o n fig u r a t i o n f o r l e a di ng d e t e c t i o n a t t h e driv i ng f a c e o f drif t ． 图 2 巷道掘进头超前探测方式与探测范 围 Fi g ．2 Dr a f t s h o wi n g the o p e r a t i o n of WTEM me a s u r e me nt a t the driv i ng f a c e of d rif t ． 表 不 探 方 向为 前 方 俱 左 角 度 ； 表示探测方 向为前方偏右 角度 巷道掘进头的超前探测与顶、 底板的探测不同， 顶 、 底板探测是静态 的， 而超前探测是动态 的， 目标空间随巷道的掘进而变化。所以， 超前探测除了装置方式的改变外， 在时间上还应该是 一 个连 续跟 踪 的过 程 。 2 巷道掘进头连续跟踪超前探测的效果 根据上述思路， 我们在某矿 一 2 5 0排水巷道进行 了一次探索性的试验。该巷道的围岩为石 炭纪灰岩 ， 裂隙和断层比较发育， 水害是该巷道掘进的最大威胁。我们试验 的 目的是超前预测 掘进头前方有无富水异常及富水异常的位置和范围， 为巷道的安全掘进提供依据 ， 同时检验全 空间瞬变电磁法的可行性和有效性。根据初探 ， U WT E M方法在 一2 5 0巷道掘进头 的有效探测 深度约为 7 0 m， 所以我们设计留出 2 0 m的安全距 离， 巷道每向前掘进 5 0 m时进行下一次探测。 从 2 0 0 4年 9月开始至今我们 已经连续进行了 5次跟踪探测， 取得了理想的效果。 维普资讯 4 5 8 地震地质 2 8卷 2 ． 1第 1次 初探 第 1 次 超前初 探 于 2 0 0 4年 9月 3 0 日进 行 ， 结 果 发现 掘进 头 前方 3 0 4 0 m为 一低 阻 区 图 3 ， 此低阻区来源于巷道正前偏左方 向， 正前偏右方 向及右帮无异常。经矿方查阅地质资料 ， 发 现此处存在 1个平面图上漏标的钻孔， 此低阻区系钻孔漏水所致 。后经钻探找到 了该漏水孔 ， 及时采取了排水措施。图3中侧帮平探采用共面偶极方式， 掘进头前探采用不共面同轴偶极方 式 ， 然后把 2个方 向 的探 测结 果作 为 同一 剖面 成 图 ， 所 以 图 中结 构 实 际上 反 映 的是 2个方 向 的 情况。这样就可以在同一标准下 比较不 同方向上的电阻率分布， 为分析掘进头前方的含水性提 供依据。 图 3第 1次 初 探 结 果 Fi g．3 UWTEM Mo de l o f t h e p r i ma r y d e t e c t i o n． 正前方表示朝掘进头的正前方探测 ； 左 3 0 。 表示探测方向从正前方 向左偏转 3 0 。 ； 右 3 O o 表示探测方向从 正前方 向右偏转 3 0 。 ； 空心小圆圈表 示观测位置 。以下各 图相 同 2 ． 2第 2次跟踪 探测 第 2次 跟踪 探 测 于 2 0 0 4年 l 1月 8日进 行 ， 结果 反 映 掘进 头 前方 7 5 m 范 围 内岩性 比较 均 匀 ， 无明显低阻异常 ， 虽然在 6 0多米以外存在局部相对低阻区 图 4顶部颜色较深 的区域 ， 但 电阻率普遍 4 0 Q m 该地的富水 区电阻率普遍 1 0 m ， 钻探进尺 1 8 ． 5 m 即位于探测时掘进头位置前方 3 6 ． 5 m 时 出水 ， 水量 7 5 m ／ h ， 及时采取了治理措施。最后掘进证实此区段是一破碎带。但 U WT E M给出 的异常区比实际揭露的破碎带要宽得多。这一方面是由于破碎带周围有渗水现象 ， 另一方面反 映了该方法的体效应特征。 2 ． 5第 5次跟 踪探测 第 5次跟踪探测于 2 0 0 5年 9月 2 8日进行。探测结果反映掘进头前方偏左存在 1个低阻 异常区 图 7 ， 虽然规模不大 ， 异常区的电阻率也不很低 1 Q m ， 根据经验 ， 此区段不会有 大危险 ， 但也不能排除含水的可能性 ， 所以我们预报为可疑区。实际情况表明 ， 巷道在该区段的 掘进过程 比较顺利 ， 没有揭露出明显的构造。由此可见 ， 该方法给出的结果并不完全都是真实 的， 也可能给出假异常。产生这种现象的原因除了环境噪音外 ， 发射框另一侧的异常构造很可 能是一个重要因素。换句话说 ， 虽然我们设定 目标体位于探测 面前方 ， 但并不能排除探测面以 外 ， 特别 是后方 介质 的影 响。这 是 U WT E M 方法 的最 大缺 陷 。值 得 庆幸 的 是 ， 这个 缺 陷对 预 测 煤矿 水 害来说 影响不 大 ， 我们 的 目标是 尽可 能不遗 漏异 常 。 维普资讯 4 6 0 地震地质 2 8卷 图 5 第 3次跟踪探测结果 F i g ．5 UW TEM mo d e l f o r t he t hi r d t i me de t e c t i o n 图 6 第 4次跟踪探测结果 Fi g ．6 UWTEM mo de l f o r t h e f o u r t h t i me d e t e c t i o n 维普资讯 3期 郭纯等 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4 6 1 3 讨论与结语 图 7 第 5次跟踪探测结果 F i g ．7 UW TEM mo de l f o r t h e fif th t i me de t e c t i o n． 在这次试验 中， 我们依据跟踪探测结果随时预报 了掘进头前方可能存在的水 害隐患， 矿方 及时采取了防治措施 ， 成功地排除了隐患 ， 保障了巷道掘进的安全。实践证明， 如果采用合适的 观测方式 ， U WT E M技术可以有效地预测巷道掘进头前方 的含水 异常 ， 为水害预报提供 比较可 靠的依据。 同时 ， 通过这次试验我们也发现了 U WT E M方法存在的问题。首先 ， 巷道掘进头的实际情 况 既不 同于半空 间 ， 也 不是完 全 的全 空 间 ， 因 而数 据处 理 结果 在 电阻率 值 和探 测 深度 上 都有 一 定的偏差 ， 解释出的低阻异常区范围往往偏大。这种情况除了该方法本身 的体效应外， 全空间 理论模型与实际环境的差异可能是一个重要原因。其次， 虽然接收线圈位于探测面前方的掌子 面上 ， 探测面后方的异常仍然会产生影响， 所以对异常体的定 向仍然存在不确定性。第三， 在装 置上 ， 为了减小互感的影响 ， 发射线圈和接收线 圈之间的距离需要 5 m， 这不但降低了有效信 号的强度， 也限制了该方法在空间较小的巷道的使用。所以， 在硬件上改善仪器设备 的性能 ， 减 小发射线圈与接收线圈之间的互感是提高该方法适用性的一个关键。 参 考 文 献 白登海 ， 何 兆海 ， 卢建 ， 等．2 0 0 3 ． 地下全空间瞬变 电磁法及在煤矿水害预测中的应用[ A] ．见 第六届 中国国际 维普资讯 4 6 2 地震地质 2 8 卷 地球 电磁学术讨论会论文集． 2 8 3 2 8 4 ． B AI D e n g h a i ，HE Z h a o h a i ，L U J i a n， e t a 1 ．2 0 0 3 ．U n d e r g r o u n d wh o l e s p a c 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 i t s a p p l i c a t i o n t o t h e p r e d i c t i o n o f w a t e r d i s a s t e r s i n c o a l mi n e s[ A ] ．I n C o l l e c t i o n s o f t h e S i x t h C h i n a I n t e r n a t i o n a l Ge o E l e c t r o ma g n e t i c Wo r k s h o p ．B e i j i n g ．2 8 3 2 8 4 ． 蒋邦远．1 9 9 8 ．实用近 区磁源瞬变电磁法勘探 [ M] ．北京 地质 出版社． J I A N G B a n g y u a n ．1 9 9 8 ．A p p l i e d N e a r z o n e M a g n e t i c S o u r c e T r a n s i e n t E l e c t r o m a g n e t i c E x p l o r a t i o n[ M] ．G e o l o g i c a l P u b l i s h i n g Ho u s e ，Be i j i n g i n C h i n e s e ． 牛之链．1 9 9 2 ．时 间域 电磁法原理[ M] ．长沙 中南工业大学 出版社． N I U Z h i l i a n ．1 9 9 2 ． P r i n c i p l e o f T i me D o m a i n E l e c t r o m a g n e t i c Me t h o d[ M] ．C e n tr a l S o u t h U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y P u b l i s h i n g Ho u s e，C h a n g s h a i n C h i n e s e ． PREDI CTI oN oF W ATER DI S ASTERS AHEAD oF TUNNELI NG I N CoAL M I NE USI NG CoNTI NUoUS DETECTI oN BY UW TEM GUO Ch u nLI U Ba i ． z h o u BAI De n g - h a i 1 G e o e x p l o r a t i o n D e p a r t me n t ，朐 O Z U O C o a l Mi n i n g G r o u p L i mi t e d，J i a o z u o 4 5 4 0 0 2。C h i n a 2 I n s t i t u t e o fG e o l o g y a n d Geo p h y s i c s ， C h i n e s e A c a d e m y ofS c i e n c e s ， B e ij i n g 1 0 0 0 2 9 。 C h i n a Abs t r a c t Ac c u r a t e pr e d i c t i o n o f g e o ha z a r d s f a r i n a d v a n c e o f e n g i n e e rin g wo r k s i s a f u n d a me n t a l r e q u i r e m e n t i n u n d e r g r o u n d mi n i n g ．U n d e r g r o u n d w h o l e s p a c e t r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i c U WT E Mm e t h o d wa s t e s t e d a t t h e d riv i n g f a c e o f a d rif t i n a c o al mi n e f o r d e t e c t i n g wa t e r - b e a ring z o n e s a h e a d o f t u n n e l i n g ． Ha v i n g e x p e rime n t a l l y d e t e r mi ne d t h a t t h e s o u n di n g d e p t h i s a b o u t 7 0m for a c o n fig u r a t i o n o f c o a x i al o ff- s e t l o o p s i n t h e d rift，t h e UW TEM e x p e rime n t wa s d e s i g n e d a s s u c h t h a t me a s u r e me n t s we r e ma d e a h e a d o f e a c h t i me t h e d r i f t i n g o p e r a t i o n p r o g r e s s e d 5 0m． Th e me a s u r e me n t s we r e a n a l y z e d a t e a c h s t e p．T h e r e s u l t s p r o v e d t ha t t h e s t r u c t u r e s ric h o f wa t e r 3 0 ～5 0 m a h e a d o f t h e d riv i ng f a c e c a n b e e ffe c t i v e l y p r e d i c t e d，wh i c h i s h e l p f u l f o r p r e v e n t i n g t h e o c c u r r e n c e o f wa t e r d i s a s t e r s d u r - i ng mi n i n g ．Ho we v e r ，t h e e x p e rime n t s s h o w t h a t f a l s e a n o ma l i e s wo u l d s o me t i me a p p e a r d u e t o the e f f e c t s o f c o nd uc t o r s b e h i n d t h e d riv i n g f a c e， a n d t h a t the a d o p t e d l o o p c o n fi gu r a t i o n c o u l d n o t be u s e d i n s mall d rift s s i n c e the r e c e i v e r t r an s mi t t e r c o i l s e p a r a t i o n s h o u l d b e gre a t e r t h a n 5m． Ke y wo r d s u n d e r gro un d wh o l e s p a c e，tra n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me tho d，l e a d i ng d e t e c t i o n，p r e d i c t i O n o f Wa t e r d i s a s t e 1 - 8 【 作者简介] 郭纯 ， 男 ， 1 9 6 7年 出生 ， 1 9 9 1 毕业于 中国矿业大学 测物 系勘察地球物理专业 ， 工程 师 。 主要从事煤 田地下水的探测 和预报工作 ， 电话 0 3 9 1 3 5 3 2 4 2 0 ， Em a i l g e 2 0 0 3 b 1 6 3 ． e o m。 维普资讯