井下瞬变电磁掘进头超前探水技术.pdf

井下瞬变电磁掘进头超前探水技术 张战立’ 李海波 韩万围’ 1 ． 山东省煤田地质局物探测量队； 2 ． 山东省煤田地质局第五勘探队 山东泰安 2 7 1 0 0 0 工业 技术 摘要 井下瞬变电磁超前探水技术， 是一种新的探测技术。 较好地解决了困扰煤矿多年的掘进巷道前方隐伏含水构遗探测技术难题， 而 且 探 测效 率 控 制 范 围及 准确 性 大大提 高 。 关键词 瞬变电磁 煤矿井下 掘进头超前探测 低阻异常 中图分类号 T D 8 文献标 识码 A 文章编号 1 6 7 2 3 7 9 1 2 0 1 0 0 4 a 一0 1 0 8 0 2 我 国煤矿井下巷道超前探测主要 包括 瑞雷波 、 地 质雷 达 、 直 流电法等物探技术 。 瑞雷波、 地 质雷达技术可用于巷道前方、 侧 方探测 ， 但测 距近、 适 应性差 ， 一般情况 下 探测距离仅1 0 余m， 且对异常含水与否无法 作 出判别 ； 电法超前探测技术 ， 主要用于掘 进头正 前方隐伏构造探测 ， 简便 、 实 用、 测 距大 、 对水敏感、 异常探 出率高 ， 但缺 点是 控 制 范 围 小 、 只 能 预 测 巷 道 掘 进 头 整 前 方 有无含水构造， 而且探测工作量大 ， 对高产 高效矿 井掘进效 率影 响较 大。 借助瞬变 电磁定 向性 好 、 对 水敏感 的 技 术优势 ， 我们经过大量 井下探测试验研 究， 探索出瞬变 电磁超前探水 的新方法 ， 不 仅大大提高 了探测效 率 ， 而且取得较好 地 质 效 果 1 探测原理及方法 1 ． 1瞬变电磁基本原理 瞬变电磁法 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 ， 简称T E M 是地球物理探测中最有 效 的电磁方法之一。 分为地面TE M探测和 地下全空 间瞬变 电磁探测两种情况 。 地下 全空间瞬变 电磁法利用发射框 中的 电流中 断以后在空 间导电介质中引发的二次涡流 场 来 获 得 周 围地 层 结 构 的 信 息 。 该 方 法 利 用井下有限空间 如巷道等 对 目标体 进行 近距离观测 ， 探测的可信度和分辨率较高。 特 别是在煤矿水害预测 方面 的应用获得了 极 大的成功 。 瞬变 电磁法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 。 低 阻地质体 如导水断 层 、 岩 层富水 区 段 、 金属矿 体等能引起较 强且 衰减慢的二 次涡流场 ， 而贫 水区等高阻体 引起弱且衰 减快的二次场 。 早期信号反映 浅部地 电特 征 ， 晚期信号反映较 深地 电特征 ， 据此可达 到探测及判断有无含水构造 的 目的 。 1 ． 2掘进头超前探水方法 掘进头超前探水是探测正在施工 的巷 道掘进方 向前方的水 文地 质条件 ， 对探测 范 围内有 无含水构造及其 空间位置 、 展布 范 围作 出预测 。 工作布置如 图l 所示 。 在 巷道掘 进头进行超 前探 测时 ， 采用 共轴方式 。 如图2 所示 ， 接收 线圈位于掘进 头的掌子 面上 ， 发射框位于掌子 面后一定 距离 一般为 1 O m ， 观测时保持发射框所在 平面与接收 线圈所在平面 平行 ， 且轴线处 于同一条直线上 。 利用T E M方法定 向性好 的特点， 采取改变角度的办法进行观测 ， 如 图 1 所示 。 这样 ， 探测范 围将 是掌子面前方 图 1 巷道 掘进 头 掌子 面的 超前 探测 方 式 0 8 科技资讯 SCIE NCE ＆ TE c HN OL 0G Y I N F OR MAT I ON 的一个扇形区。 测量过程 中， 为确保较高的 信 噪比 ， 除要求 巷道 内电缆必须采取停 电 外 ， 我们还采取 外接 电源增大发射 电流的 方式来提高信噪 比。 现场使用仪器为加拿大G E 0NI c s 公司 生产的P R O T E M一 4 7 HP 煤矿井下探水瞬变 电磁仪 ， 数据处 理和解释软件为 中科院 白 登海研究 员为该仪器井下应用配套编写的 专 用 软 件 。 采用 这种探 测技术 ， 最 突出的优 点有 二 一 是控制 范 围大 ， 可 覆盖 掘进头 前方 1 0 0 m范围内的扇形区域 ， 异 常定位及定性 明确 ， 最大 限度地减小 了巷 道前 方隐伏含 水构造掘进 突水的威胁 ； 二是 探测效率大 幅提高 ， 一个掘 进头 自设备安装 到施工结 束一般半小时左右即可完成 。 2 探测实例及效果 图3 为山东济宁岱庄煤矿一5 8 0 m轨道大 巷第 四次超 前探测视 电阻率拟断面 图， 物 探预测在掘进头前3 3 m～8 5 m处的低 阻异 常区为岩石 破碎或富水 ， 低 阻异常区重点 位于巷 道前方偏 右部位 靠近胶 带大巷位 置 。 当轨道大巷掘进到3 5 m处时发现岩层 比较破碎 、 并伴有渗水现象 。 胶带大巷掘进 到 该 低 阻 异 常 区 时 ， 巷 道 底 板 出 水 量 明显 增大2 0 m ／ h 。 进一步证 明了探测资料 的可 靠性 、 准确性 。 图4 为一 5 8 0 m轨道大巷第五次超前探测 视 电阻率拟 断面 图， 物探预测巷 道掘进头 前方4 3 m～6 5 m处的低 阻异常为岩石破碎 或裂隙发 育引起 ， 富水性较强 。 当巷道掘进 到4 5 m左右时发现岩石极其破碎 ， 巷道溜帮 严重 ， 底板 并伴 有少量出水现 象。 图 2 共轴 偶极 方式 示意 图 工业 技术 S C IE N C E ＆r E C H N O L 0 G Y 图 3 -- 5 8 0 m轨道大巷第四次超前探测视电阻率拟断面图 图4 5 8 0 m轨道大巷第五次超前探测视电阻率拟断面图 目前， 山东济宁岱庄煤矿利用此技术在一 5 8 0 胶带 、 轨 道大巷 掘进 头位 置进 行 了1 0 多次 探测 ， 技术 、 经济效果 明显 。 3 结语 实践证 明 ， 采用 瞬变 电磁技 术用 于煤 矿井 下掘进头超 前探水 探测 ， 尤其 是遇到 的特 殊 的地 质条件 ， 钻 探施 工难 度大 ， 钻 、 埋钻 、 断钻事故频 繁发生 ， 严重 影响矿 井重 点开拓工程 的掘进 速度 ， 造成 掘进效 率极低等问题和困难时 ， 技术效果突 出。 与 其它物探技 术相比 ， 具有以 下优点。 1 探 测距离大 ， 正常 情况下一 般可达 1 O O m以 上 。 2 定位准确， 尽管瞬变电磁也属于体积探 测 ， 但井下瞬变 电磁 由于其发射、 接收线框 小， 经实测效果表 明其异常定位准确、 有效。 3 灵敏度高， 该方法测量的是纯二次瞬变 场， 富水低阻地质异常体能引起较强的二次涡 流场， 而贫水高阻体引起的二次场较弱， 因此 ， 对低阻含水地质异常体特别灵敏 。 4 探测效率高， 与传统的直流电法超前探 测相比 ， 施工方便 、 快捷 ， 特别适于机械化程 度比较高的现代化高产高效矿井。 相信随着 该技术的进一步发展与完善， 其在煤矿防探水 工作中将会发挥越来越大的作用， 推广应用前 景 十分广 阔。 参考文献 [ 1 】蔡 水库 ， 等 ． 瞬变 电磁方法及其新 进展 【 C 】 ． 第七届中国国际地球电磁学术讨论会 论文 集 ， 2 0 0 5 ， l 1 ． 【 2 ]王志豪， 等． 近年瞬变电磁法在国内的主要 应用【 c 】 ． 第七届中国国际地球电磁学术讨 论会论文集， 2 0 0 5 ， l 1 ． [ 3 ]牛之琏 ． 时间域 电磁法 原理【 M】 ． 长沙 中南工业大学 出版社 ， 1 9 9 2 ． 的前沿 院校的 设计合 科技 资讯 S CI E N CE ＆ T E CHN OL OGY I N F ORMATI ON 1 0 9