矿井瞬变电磁法富水体超前探测原理及应用研究.pdf

第4 O卷第 2期 2 0 1 3年 4月 矿 业安 全 与环保 MI N I N G S AF E I ENV I R ONME NT AL P RO T EC T I ON Vo 1 ． 4 0 No ． 2 Apr ． 2 01 3 李云波， 李好． 矿井瞬变电磁法富水体超前探测原理及应用研究[ J ] ． 矿业安全与环保， 2 0 1 3 ， 4 0 2 6 9 7 2 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 3 0 2 0 0 6 9 0 4 矿井瞬变电磁法富水体超前探测原理及应用研究 李云波 ， 李好 1 ． 中南大学 地球科学与信息物理学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 ； 2 ． 中煤科工集团重庆研究院， 重庆 4 0 0 0 3 9 摘要 由于对煤矿工作面顶底板和掘进工作面前方富水构造情况不清， 导致近年来煤矿 井下水害频 发。介绍 了矿井瞬变电磁 法超前探测原理 、 井下探测工艺、 数据采集和资料处理流程， 总结 出富水异常 体解释和划分方法。应用 Y C S 4 0矿用本 安型瞬变 电磁观 测系统对霍州煤 电集 团文明煤矿掘进工作面 进行 了超前探测研究， 结果表明矿井瞬变电磁法能够 比较准确地预报掘进工作 面前方 1 0 0 m 内的富水 异常体。 关键词 矿井； 富水异常体； 瞬变 电磁法； 超前探测 ； 矿井水害 中图分类号 T D 7 4 5 ． 2 1 ； P 6 3 1 ． 3 文献标志码 B 网络 出版时间 2 0 1 3 0 3 2 5 1 4 0 4 网络出版地址 h t t p ／ ／ w w w ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 5 0 ． 1 0 6 2 ． T D ． 2 0 1 3 0 3 2 5 ． 1 4 0 4 ． 0 2 0 ． h t m l Pr i n c i pl e o f Adv a n c e De t e c t i o n o f W a t e r -e nric h e d Bo dy、 l ， i t h M i n e Tr a ns i e n t El e c t r o ma g ne t i c M e t h o d a n d I t s Ap pl i c a t i o n L／Yu n b o L I H西 J ．S c h o o l o fG e o s c i e n c e s a n d I n f o - P h y s i c s ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3， C h i n a ； 2 ．C h o n g q i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e of Chi na C o a l T e c h n o l o g y a nd E n g i n e e r i n g G r o u p ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 9 ，Chi n a Ab s t r a c t T h e u n c l e a r w a t e r e n ric h e d s t r u c t u r e i n t h e r o o f a n d fl o o r s t r a t a o f t h e c o a l f a c e a n d i n f r o n t o f t h e h e a d i n g f a c e l e d t o t h e f r e q u e n t o c c u r r e n c e o f mi n e w a t e r d i s a s t e r s i n r e c e n t y e a r s ． Th i s p a p e r d e s c ri b e d t h e a d v a n c e d e t e c t i o n p rin c i p l e， u n d e r g r o u n d d e t e c t i o n t e c h n o l o g y ， d a t a a c q u i s i t i o n a n d d a t a p r o c e s s i n g o f t h e mi n 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 s u mma r i z e d t h e e x p l a n a t i o n a n d c l a s s i fi c a t i o n me t h o d s of t h e a b n o r ma l wa t e r e n ri c h e d b o d y ．Th e a d v a n c e d e t e c t i o n r e s e a r c h wa s c a r r i e d o u t wi t h YC S 4 0 t r an s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c o b s e r v a t i o n s y s t e m i n W e n mi n g Mi n e of Hu o z h o u C o al E l e c t ri c i t y G r o u p C o ．， L t d ．，a n d r e s e a r c h r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e u s e o f t h e mi n 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 c a n mo r e a c c u r a t e l y p r e d i c t t h e wa t e r e nric h e d a n o maly i n 1 0m r a n g e i n f r o n t o f t h e he a di ng f a c e ． Ke y wo r d s mi n e；w a t e r - e n r i c h e d a n o ma l y；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 d v a n c e d e t e c t i o n；mi n e w a t e r d i s ast e r 随着煤矿开采深度 、 强度 、 速度 、 规模 的增加 和 扩大， 矿井突水事故频繁发生 ， 严重影响和制约着矿 山的安全生产。如何防治突水水害是煤矿安全生产 需要考虑的问题 ， 而含水层 的富水性是决定突水水 量大小和突水点是否持久涌水的基本条件 ， 因此查 明煤矿富水异常 区是防治 突水水害的先决条件。矿 井瞬变 电磁法勘探可 以解决煤矿工作面内部和掘进 工作面前方富含水性构造超前探测问题， 其克服了 井下直流电法探测深度受空间场地 限制、 需埋设 电 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 2 6 ； 2 0 1 3 一 O 1 2 5修订 基金项 目 “ 十二五” 国家科技重大专项 2 0 1 1 Z X 0 5 d O 一 0 2 作者简介 李云波 1 9 8 2 一 ， 男， 四川广安人， 博士研究 生， 研究方向为矿井物探技术及装备。E ma i l l y b 0 1 1 2 1 6 3 ． 极等缺陷 ， 具有体积小 、 探测距离大、 精确度高 、 施工 方便快捷等优点。因此 ， 采用矿井瞬变电磁法对煤 矿井下掘进工作面富水异常体进行探测研究。 l 矿 井瞬变电磁 法超前探测原理 由于煤岩呈层状分布， 各岩层 电阻率不 同， 当前 采用的探测装置形式在井下巷道空间中进行超前探 测时， 线圈与岩层的耦合方式发生改变， 由原来的平 行层理变成垂直层理 ， 进而一次场 的激发方式 由原 来的垂直层理变成平行层理 ， 因此 ， 建立于垂直层理 激发方式的瞬变电磁场传播的基本理论不再适用于 瞬变电磁超前探测技术 ， 在数据 的采集与处理 时应 采取平行层理条件下的相关理论 J 。矿井瞬变电磁 法探测原理见图 1 。 ． 6 9 ． Vo 1 ． 4 0 N o ． 2 Ap r ． 2 01 3 矿 业安 全 与环 保 MI NI N G S AF E TY ＆ E NVI R ONME NT AL P ROT E C T I ON 第 4 0卷第 2期 2 0 1 3年 4月 图 1 矿井瞬变电磁法探测 原理不 意图 在 电流断开之前 t O时 ， 发射电流在 回线周 围与巷道空间中建立起一个稳定的磁场 ， 见下式 【 I t O ￡ ≥ 0 在 t 0时刻 ， 将发射电流断开 ， 由于发射电流产 生的一次磁场也立即消失， 一次磁场的剧烈变化在 巷道 围岩 中激发 出感应 电流以维持之前存 在 的磁 场 ， 形成了如图 2所示的感应磁场。 图2 井下瞬变电磁法磁场分布 由于矿井巷道 围岩 的欧姆损耗 ， 感应 电流产生 的磁场迅速衰减 ， 并在其周 围的地下介质 中感应出 新 的强度更弱的涡流 二次场 。当矿井巷道前方岩 层 电阻率较小时， 二次场感应信号整体较强 ， 信号衰 减较慢 ； 反之 ， 信号衰减较快。因此 ， 利用二次场的 这个特点 ， 通过观测感应电压的变化， 进而对巷道前 方岩层进行探测解释。岩层 电阻率与二次场的关系 如图 3所示 。 。 70 均 匀空间 罐 藿 雪 圈 雏 瓣 蠹菁 面 凄 镳 瓣 嚣 } 图3 矿井岩层电阻率与二次场的关系 2 数据采集及资料处理解释方法 在煤矿巷道富水异常体探i 贝 0 中， 采用 中煤科工 集团重庆研究 院生产 的 Y C S 4 0矿用本 质安全型瞬 变电磁仪对煤矿掘进工作面进行探测研究 ， 仪器采 用高精度宽带程控运算放大器 、 高速 2 4位模数转换 器等 ， 并采用双极性 同步采样 、 对工频相干采样 、 弱 信号多点平均 、 信号累加、 瞬态干扰剔除等多种数据 处理方法 ， 使其能够获得较准确的勘探数据。 2 ． 1 仪器参数选择及现场数据采集工艺 在井下巷道中采用 多匝小 回线重叠装置 ， 其参 数选择是否合理直接影响测量结果。该装置参数主 要有 线框 的面积 、 回线匝数 、 叠加次数等。重叠 回 线装置发 射匝数和线框面 积直接 影响探测 盲区大 小 ， 而受其形状和接收线框的匝数影响较小。重叠 回线装置的面积与 匝数 的选 择 由地质探测 任务决 定 ， 由于井下施工空间有限 ， 主要适用 的有 1 ． 5 m 1 ． 5 m和 2 ． 0 mx 2 ． 0 m 2种规格 的重叠 回线装置。 对于短距离超前探测有较高要求 时， 可选择 匝数较 少 、 面积较小的回线 ， 一般选择发射 l 0匝， 接收 2 0匝， 1 ． 5 m 1 ． 5 m的重叠 回线装置； 当需要长距离超前 探测时， 应选择匝数较多 、 面积较大的回线 ， 一般选 择发射 2 0匝， 接收 4 0匝， 2 ． 0 mx 2 ． 0 m的重叠 回线 装置。叠加次数 、 增益等其他参数 ， 采集工作前可通 过试验加以确定。总之 ， 矿井瞬变 电磁法在实际测 量中， 可根据探测任务的要求和井下实际情况 ， 选择 合理的重叠 回线装 置的面积 、 匝数 、 叠加次数 、 增益 等参数 。 由于矿井瞬变电磁法探测在煤矿井下巷道 内进 行 ， 现场探测工艺与地面要求有所不同， 其探测工艺 测点布置如图4所示。 樾 ⋯ 遮 探； 重叠回线装置 a 掘进工作面横向扇形探测方式 榭 ⋯ 探测 6 重叠回线装置 埭 b 掘进工作面上下扇形探测 方式 图 4瞬变 电磁法超前探测工艺测点布置示 意图 探测时分水平和垂直 2个方 向扫描 ， 水平方 向 第 4 0卷第 2期 2 0 1 3年 4月 矿 业安全 与环保 MI N I NG S AF E TY ＆ EN VI RONME N n L P R0 r EC T【 0N Vo 1 ．4 0 No ． 2 Ap r ． 2 0 1 3 扫描左右各 7 O 。 范围， 每 l 8 。 一个测点 ， 共 1 1个测点 ； 垂直方向扫描上下各 6 0 。 范 围， 每 1 0 。 一个测点 ， 共 1 1个测点。通 过横 向和上下方 向对 平行煤层 方 向 超前扫描探测 ， 就可反映出煤层顶 、 底板岩层或平行 煤层 内部 的地质异常体。 2 ． 2 矿井瞬变电磁法资料处理及异常区划分原则 矿井 瞬变 电磁法的资料解 释步骤如 图 5所示 ， 首先对采集到的数据进行去噪处理 ， 根 据晚期场或 全期场公式计算视 电阻率 曲线 ， 然后进 行时深转换 处理 ， 得到各测线视 电阻率断面 图。 原 始 数 据 处 理 数据格式转换 绘制初始 多测道断 面图 I选 择 处 理 时 窗 范围 、 滤 波 参 数、 畸变 数 据 剔 除 l 绘 制 多 测 道 断 面 图 、 视 电 阻 率 断 面 图 l 图 5 矿井 瞬变电磁法数据处理流程 图 在根据探测区的地 球物理特征 、 T E M响应 的时 间特性和空间分布特征， 并结合矿井地质资料进行 综合解释时 ， 要考虑岩石的电阻率、 探测系统与异常 体的相对位置及周 围环境设施 的干扰。而岩石电阻 率的大小主要 与岩石性质及其含水性有 关 ， 相 同岩 石在含水情况下其电阻率可减小数倍。考虑到工作 面小范围内岩性横 向变化 较小且排除 了环境影响 ， 则视 电阻率值的大小及横 向变化 即可认为是岩层含 水性 的反映。 在划分地层富水区分布范围时， 通常将异常范 围大 、 视 电阻率值极低且发育断层构造带 的异 常区 定为强富水区； 将异常范围小、 视电阻率值较低且无 构造的异常区定为弱富水 区； 介于 中间的异常区定 为中等富水 区。 3 现 场应用 3 ． 1 采 集数 据分 析 采用矿井 瞬变电磁法对文明煤矿 回风巷下山口 前 2 4 3 i n处掘进头进行超前地质探测工作。现场情 况 掘进头巷道为岩巷 ， 掘进头右顶板有较大地下水 流出。 横 向和上下方 向探测 的多 测道 曲线见 图 6 ， 分 析可知 除现场 电磁干扰外 ， 图 6 a 的横 向扇形探 i 贝 0 各道剖面曲线 电位在正 常背景值 附近波动较小 ， 说明该 顺 层 岩 层 水 平 方 向上 岩 体 含 水 量 均 匀 ； 图 6 b 的各道剖面 曲线电位在探测 区域正 常背 景 值附近上下波动较大 ， 说明该 位置的顶板上方和底 板下方的岩体含水量不均匀； 当多测道曲线整体呈 现向外 凸时 ， 说 明底板下方地层含水量相对较小。 1 X 1 0 6 | l l 3 0 ／ ＼ 0 “1 ．0 1删 3 o 1 3 0 ／ 、 22 0 ／ 1 4 0 顶板 m 1 9 0 1 r 8 0 1 7 0。 。底板 曲线扫描 角度 范围／ 。 图 6 横 向和上下方 向扇形探 测的多测道曲线 3 ． 2 富水异常区划分 文明煤矿回风巷下山 口主要含水层为十下 灰岩 含水层 、 十三灰岩含水层 、 十四灰岩含水层和奥灰含 水层 ， 其 中十三灰岩含水层距工作面底板 6 0 m， 十四 灰岩含水层距工作面底板 7 2 m， 奥灰含水层距工作 面底板 8 0 I n 。采用矿井瞬变电磁法探测 的富水性异 常区的划分应综 合考虑异常区的范围大小 、 视 电阻 率最小值大小、 地质构造及水文地质条件等因素。 从探测效果看 ， 掘进头有少许金属器件 金属锚 网等 ， 对瞬变 电磁法探测造成 了一定 的干扰 ， 从而 影响到了探测的准确性。横 向和上下方向扇形探测 视电阻率等值线见 图 7 ， 结合现场地质资料分析可 知 在本次探测掘进头前方 3 0～1 1 5 IT I 内， 其顶板上 方地层含水量明显高于底板下方； 掘进头前方 4 0 8 0 i n内可能存在较多 的径流性地下水 ， 划分为强 富 水区； 在掘进头前方 2 0 9 0 m 内的设计巷道的两侧 存在较大范围的高含水量地层， 划分为中等富水区。 71