矿井瞬变电磁法在探测顶板老空区中的应用.pdf

第 7期 2 0 1 2年 7月 山 西 焦 煤 科 技 S ha n x i Co k i n g Co a l S c i e nc e Te c h n o l o g y No． 7 J u 1 ． 2 0 1 2 试 验研究 矿井瞬变电磁法在探测顶板老空区中的应用 赵文曙 ， 王俊奇 ， 牟 义 1 ．西山煤电集团 西山圪堆煤业有限公司， 山西 临汾0 4 2 4 0 3 ； 2 ．煤炭科 学研 究总 院 矿 山安全技 术研究分院 ， 北京1 0 0 0 1 3 摘要以巷道掘进头超前探测顶板上层煤采 空区为例 ， 通过采用矿 井瞬 变电磁法超前探测技 术 ， 在巷道掘进头进行超前数据采集， 进行数据处理、 反演计算等 ， 形成巷道掘进头顶板视 电阻率剖面 图， 解释 了巷道掘进 头上层煤采空区的范围和位置特征 ， 该超前探测方法拓展 了超前探 测的范围， 建 立了一套适合煤矿采掘过程 中超前全方位探测的技 术方法。结果表 明 矿井瞬变电磁 法拓展 了传统 矿井物探方法的探测范围， 实现 了矿 井全方位 的超前探测， 不仅 能探测前方， 对顶、 底板 以及侧 帮都有 较好的探测效果 ； 矿井瞬变电磁 法不仅可 以反 演形成剖面图， 还可以形成不 同探测 角度的顺层切 片 图， 实现 了多角度立体探测。 关键词矿井瞬变电磁 法； P R O T E M瞬变电磁仪 ； 超前探测 ； 采空区物探 ； 切片 中图分类号 T D 1 6 3文献标识码 A文章编号 1 6 7 20 6 5 2 2 0 1 2 0 7 0 0 3 00 4 由于各 种矿产资源 的开采 ， 在地下形成 了采空 区。特别是各种小煤窑的泛滥开采 ， 导致许多隐性采 空区的存在 ， 给煤矿邻近煤层的掘进和回采产生安全 隐患 ， 特别是对下层煤 的开采产生影响 ， 主要表现在 三个方面 即遗煤 自燃 、 老 空区内积水 透水和采空区 “ 活化”、 顶板发生大面积垮落 。如果下部煤 层与老 采区的距离大于下部煤层 开采后覆岩破坏产生 的导 水裂隙带高度 ， 则老空区这些安全隐患对下部煤层一 般不会造成直接影 响； 相反 ， 如果距离小于导水裂隙 带高度 ， 这三种安全隐患均会对下部煤层的安全开采 造成不 同程度的威胁。因此 ， 必须对采空区的位置 、 范 围、 边界等进行勘 探。采空 区探 测多采用物探方 法 ， 有时结合部分钻孑 L 资料进行验证 。目前 ， 采空 区 的探测 已经成为一项重要的研究课题 ， 但是仍处于发 展阶段 。探测的物探方法很多 ， 各有所长 。例如， 地 质雷达 、 浅层 地震 、 高 密度 电法 、 T E M 等都在采 空区 探测中发挥着重要作用。但在井下掘进巷道 中对上 层煤采空区进行探测 ， 在 国内外还 比较少见 ， 本文以 加拿大产 P R O T E M 4 7矿用 瞬变 电磁仪为例 ， 在掘进 巷道 中对上层煤采空 区进行探测研究 ， 以寻求新的解 决煤矿安全开采 的有效探测手段。 P R O T E M矿井瞬变电磁仪 由于仪器设备轻便 、 工 作效率较高 、 方 向性好 、 探测精度高 ， 应用越来越广 ， 不仅能够在井下对 富水性进行 探测 ， 而且 能对采空 区、 断层等构造进行探测 ， 成 为地球物理探测方法 中 应用前途最好 的方法之一 。瞬变 电磁法能对工作 面 全空间多个角度探测形成视电阻率断面图， 对煤层顶 底板不同深度进行高精度的数据解释 ， 解释结果立体 直观 ， 一 目了然。本文 以山西某煤矿总回风巷顶板老 空区的探测研究为例 ， 对瞬变电磁法井下探测的应用 进行拓展研究。 1 工作面概况和地球物理特征 矿区批准开采 9、 1 0 、 1 1号煤层 ， 91 0煤总 回风 巷位于井 田中西部 。本次井下物探施工位置主要位 于 91 0煤总回风巷掘进头位置， 开采标高约为 9 7 0 ～ 9 8 0 m， 巷道宽度约为 4 ． 2 m， 巷道高度约为 2 ． 8 n l ， 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 2 0 作者简介 赵文曙 1 9 7 2 一 ， 男 ， 山西长治人 ， 1 9 9 5年毕业于 山西矿业学院 ， 工程师 ， 主要从事矿井技术管理及地质测量工作 Ema i l 1 3 6 9 2 9 2 2 4 0 q q ． c o n 2 0 1 2年第 7期 赵文曙等 矿井瞬变电磁法在探 测顶板老空区中的应用 倾角约为 7 。 ～8 。 ， 距离后方 1 0 1 0 4回风顺槽大约 4 0 11 1 。沿着 91 0煤总 回风巷掘进方 向左侧约 3 5 m处 为 9l 0煤集 中轨道巷 ， 左侧约 8 0 m处 为 91 0煤 集 中运输巷 ； 沿着 91 0煤总回风巷掘进方 向右侧为 1 0 1 0 4回风顺槽 。91 0煤上距 2号煤层 平均 约为 8 2 ． 5 11 1 ， 上距 3号煤层 间距 7 3 ． 0 5～7 4 ． 3 6 m， 平 均 7 3 ． 8 5 m左右 ， 煤层厚度 6 ． 9 3～9 ． 6 7 m， 平均 8 ． 1 3 i n ， 总回风巷 附近煤厚平均约为 6 ． 5 8 m， 结构复杂 ， 含 2～ 7层夹石 ， 层位稳定 ， 厚度变化不大 ， 顶板为石灰 岩 ， 厚度约为 6～8 m， 底板 为泥岩 、 砂质 泥岩 、 粉 砂 岩 ， 为稳定可采煤层 。 煤层赋存于成层分布的煤系地层中， 煤层被开采 后形成采空区 ， 当残留巷道或覆岩 冒落裂隙带中未充 水或少量充水 ， 采空 区将表现为高电阻率异常特征 ， 一 般要比正常岩层的电阻率高 3～5倍 ， 可达几百上 千 Q m； 而当采空 区完全充水后 ， 水 体不仅充填了 老塘 ， 而且也充填了冒落裂隙带 ， 因而在岩体破坏区， 其电阻率又明显降低 ， 呈现低电阻率异常特征。通过 探测地下岩层 的电阻率及其变化 ， 可以判定岩层的结 构状态和含水状况 ， 这也是本次电磁法探测采空区的 物理前提。 2矿井瞬变电磁法原理与工作方法 2 ． 1 工作 原理 瞬变电磁法或称时间域 电磁法 T i m e d o m a i n e l e c t r o m a g n e t i e m e t h o d s ， 简称 T E M， 它是利用不接地 回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场 ， 在一次脉 冲磁场间歇期间 ， 利用线圈或接地电极观测二次涡流 场 的方法 。简单地说 ， 瞬变 电磁法 的基本原 理就 是电磁感应定律 。矿井瞬变 电磁法基本原理与地面 瞬变电磁法一样 ， 采用仪器和测量数据的各种装置形 式和时间窗 口也基本相 同。受矿井瞬变电磁法勘探 环境的限制 ， 测量线圈大小有 限， 其勘探深度不如地 面深 ， 一般勘探深度小于 1 5 0 m。地 面瞬变电磁法为 半空间瞬变响应 ， 这种瞬变响应来 自于地表以下半空 间地层 ； 而矿井瞬变 电磁法为全空间瞬变响应 ， 这种 瞬变响应是来 自于回线平面上下 或两侧 地层。 2 ． 2 工作 方法 本次探测采用 的仪器为加拿大 P R O T E M 一 4 7型 瞬变电磁仪 ， 该仪器具有抗干扰 、 轻便 、 自动化程度高 等特点。数据采集 由微机控制 ， 自动记录和存储 ， 与 微机连接可实现数据 回放 。本 次矿井 瞬变 电磁法探 测采用专门用于井下的多匝矩形发射线框 ， 边长为 2 m 2 m。采用偶极装置进行探测 ， 发射线框和接收 线框是 2个独立 的线框 ， 探测时中间间隔一定距离。 探测测点布置在工作面总回风巷掘进头位置。将线 圈平面以任意方向 、 每个方向以任意角度放置于巷道 中进行测量 ， 探测线圈平面法线方向一定深度 内采空 区的垂向和横 向发育规律 ， 若发射线框和接收线框水 平放置于巷道 ， 则探测巷道正上方顶板或正下方底板 一 定范围的电阻率分布 ； 若发射线框和接收线框倾斜 放置于巷道 ， 则探测工作面上方顶板或下方底板一定 范围的电阻率分布， 根据电阻率分布情况推断顶板或 底板采空区情况。 3矿井瞬变电磁法探测实施方案 超前探是在 总回风巷掘进 头的位 置 距离后 方 1 0 1 0 4回风顺槽约 4 0 m 进行 ， 在掘进 头布置 4个不 同方向 0 。 、 一 4 5 。 、 一9 0 。 和水平旋转方向 的测点 ， 前 3个不 同方向平面示 意图见图 1 ， 每个方 向测点按照 1 3个不 同角度 9 0 。 、 7 5 。 、 6 0 。 、 4 5 。 、 3 0 。 、 1 5 。 、 0 。 、 一1 5 。 、 一 3 0 。 、 一 4 5 。 、 一6 0 。 、一7 5 。 、 一9 0 。 进行 ， 其 中 0 。 i 贝 0 点 、 一9 O 。 测点 和水平旋转方 向测点示意图分别见图 2 ， 图 3， 图 4 。 右 lJ 9 0 。 右侧4 5 。 正前 方。 。 9 1 0 煤 J巷 道 宽。4m 集 中轨 道 巷 图 1 前 3 个 不同方向测点平 面示 意图 图 2 0 。 方 向测点示意 图 3 2 山 西 焦 煤 科 技 2 0 1 2年第 7期 后 上 方 6 ＼ ＼ ／ ’ 箭 上 方 6 0 。 3 2 后 7 3 0 7 Y l 后 o ＼ ＼ 后 上 5 。 l＼ 左侧 帮底 板 9 1 O 煤总 回风巷 右侧 帮顶 板 图 3 9 0 。 测 点示 意图 图 4水平旋转测点不恿 图 4资 料处 理与解 释 4 ． 1 资料处理 井下采集的数据在室 内首先将仪器数据传送 到 微机 中进行预处理 ， 即检查数据质量 ， 剔 除不合格数 据 ， 对测点进行编录 ， 整理成专用数据处理 软件所需 要 的数 据格 式。处 理 中用 了 T E M 软件处 理 ， 通过 s u r f e r 和 a u t o e a d的作图功能， 得到各测线的视电阻率 剖 面 图 。 瞬变电磁法观测到的数据是各测点各个时窗的 瞬变感应电压 ， 同一个测点不同时窗的感应电压不仅 与某个深度的地层电阻率具有一定的相关性 ， 而且和 后上方l 5 o 加 迎头正0 后方。 口 该深度上覆地层 电阻率相关。瞬变 电磁数据处理 的 目的是 1 二次场归一化感应 电压 由于信号小 ， 容易受 各种人文电磁干扰 ， 去除非地层电性产生的感应 电压 是瞬变 电磁处理 的首要 目标 。采用 了直接的畸变剔 除和非线性滤波两种方式。 2 尽管感应 电压高对应 电阻率低 ， 但不 同时问 的瞬变 电磁二 次常感应 电压跨越 了 5 、 6个数 量级 甚至更大 ， 而且不直观。将归一化瞬变感应 电压 换算成视电阻率 、 视纵 向电导 、 视深度等直观参数是 瞬变电磁数据处理不可缺少 的， 也是最基础的工作 ， 它符合深度多少米电阻率多少 的常规解释要求。 4 ． 2解释 原 则 根据掌握的本 区地质与地球物理资料 ， 结合实测 电阻率分布特点 ， 把岩层完整性及含水程度与电阻率 的一般对应关系分为 3个级别 1 推断含水岩层 对应的电阻率小于 4 O I T I 。 2 推断弱含水的实体岩层 对应 的电阻率小 于 2 0 0 Q m或者范围较大， 对应 电阻率介于 4 0～2 0 0 n m 。 3 推断不含水的破碎岩层或采空区、 巷道 对应 电阻率大于 2 0 0 Q r n 。 4 ． 3资料解释 经过反演处理以后 ， 形成各测线的反演 电阻率成 像剖面数据文件和平面文件 ， 以总 回风巷 0 。 方 向超 前探测 电阻率剖面图为例 ， 对照该 图对掘进头前方地 质情况进行解释。 0 。 方向测点上方电阻率剖面图见图 5 ， 该剖面 图 坐标原点为总回风巷掘进头 ， 其中横坐标为总回风大 6 0 4 4 0 4 2 0 4 0 0 0 6 0 4 -0 2 -0 0 2 0 4 0 6 o 8 0 I o 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 前方0 。 掘进迎 头 图 5 0 。 方向测点正前方超前探电阻率剖面图 2 0 1 2年第7期 赵文曙等 矿井瞬变电磁 法在探测顶板老空区中的应用 巷掘进头沿 0 。 水平方向， 其 中正值为 0 。 方向前方 ， 负 值为沿 0 。 方 向后方 ， 纵坐标为总 回风 大巷掘进头垂 直顶板方向。图上所标角度为该方 向测点不 同探测 角度 ， 其中又分为前上方和后上方不同方向。沿不同 探测角度的有效探测深度为 8 0 m， 8 0 m 以外采集数 据不可靠 ， 解释结果仅供参考。 在有效探测范围 8 0 m之内存在 3处高阻异常和 1处低阻异常 ， 3处高阻异 常和 1处低阻异常幅度不 明显 ， 结合该工作面的开采资料和视电阻率等值线梯 度变化特征 ， 在该剖面横坐标方 向 0～8 0 m、 纵 坐标 方向 0 6 0 m和极坐标后上方 3 0 。～前上方 4 5 。 之间 位置 ， 局部视电阻率值 在 2 0 0 Q m附近 ， 产生较弱 高阻异常 ， 为高 阻异常体 1 ， 推断该位 置是 由于高阻 岩层 、 构造或电力干扰引起 ； 在该剖面横坐标方 向 一 2 0～ 0 m、 纵坐标方向 2 0～ 6 0 m和极坐标后上方 6 0 。 ～ 上方 9 0 。 之间位置 ， 局部视 电阻率值 在 2 0 0 n i n 附近 ， 产生较弱高阻异常 ， 为高阻异常体 2 ， 推断该位 置是由于高阻岩层 、 构造或 电力干扰引起 ； 在该剖面 横坐标方 向6 0～8 0 m、 纵坐标方 向 02 0 m和极坐 标正前方 0 。 ～ 前上方 1 5 。 之间位置 ， 局部视 电阻率值 在 2 0 0 m附近 ， 产 生较 弱高 阻异 常 ， 为高阻异常 体 3 ， 推断该位置是 由于高阻岩层 、 构造或 电力干扰 引起 ； 在该剖面横坐标方 向 一 4 0～一2 0 m、 纵坐标 方 向0～ 4 0 m和极坐标后方 0 。～ 后上方 6 0 。 之间位置 ， 视电阻率值小于 4 0 Q m， 产生较弱低阻异常， 为低 阻异常体 1 ， 推断该位置是由于前方底板低阻岩层 干 扰 、 前方底板弱含水体干扰或 电力干扰引起 。 在有效探测范围 8 0 m之外存在 2处高阻异常 ， 异常幅度较明显。结合该工作面的开采资料和视电 阻率等值线梯 度变化特征 ， 在 该剖面横 坐标 方 向 一 1 0 0～一 5 0 m、 纵坐标方 向 0～ 8 0 m和极坐标后上方 0 。 ～前上方 4 5 。 之间位置存在局部高阻异常 ， 视电阻 率值大于 2 0 0 n m， 为高阻异常体 4， 推断该位置是 由于采空异常、 构造异常、 高阻岩层或 由于电力产生 干扰影响引起的； 在该剖面横坐标方 向 一 9 0～ 4 0 m、 纵坐标方向 8 0～1 4 0 m和极 坐标后上方 4 5 。～前上 方 7 5 。 之间位置存在大范围高阻异常 ， 视电阻率值大 于 2 0 0 Q m， 为 高阻异常体 5 ， 结合老空 区分布层 位 ， 推断该位置是 由于采空引起 ， 为采空异常区域。 5结语 结合在山西部分煤矿的探测经验和矿井瞬变 电 磁法 的特点 ， 为了在巷道掘进过程 中实现更全方位的 超前预测预报 ， 实现巷道的安全掘进 ， 提出以下建议 1 本文仅以巷道掘进头顶板采空区探测 为例， 表 明了矿井瞬变电磁法探测巷道顶板效果明显 ， 在其 他实际应用过程中， 矿井瞬变电磁法对巷道掘进头底 板 以及侧帮都取得 了非常明显 的效果。该方法拓展 了传统矿井物探方法的探测范围 ， 实现了矿井全方位 的超前探测。 2 矿井瞬变电磁法采用发射线框 边长 2 i n 2 m 和接收线框分别为 匝数不等的 2个独立 回线 ， 采 用 中心回线装置， 与异常体产生最佳耦合响应 ， 提高 信噪 比， 有利于异常的识别 。该装置与其它矿井物探 方法相 比， 具有轻便 、 快速 、 探测深度大和对异常体反 映灵敏等特点。 3 矿井瞬变 电磁法采用不接地 回线 ， 可 以实现 多角度立体探测 ， 这是高密度电法所不能实现的。 4 矿井瞬变 电磁法数据处理过程 中采用最新 的 切片技术 ， 不仅可以反演形成剖面图， 还可 以形成不同 探测角度的顺层切片图， 可以实现多角度立体探测。 参考文献 [ 1 ] 李金铭 ． 地 电场 与电法勘探 [ M] ． 北京 地质 出版社 ， 2 o o 5 8 7 8 9 ． [ 2 ] 张 昌达 ． 空 时间域 电磁法测量 系统 回顾与前瞻工程地球物理学报． 2 0 0 6， 3 4 2 6 9 2 7 3 ． [ 3 ] 刘树才 ， 岳建华 ， 刘志新． 煤矿水文物探技术与应用 [ M] ． 徐州 中国矿业大学出版社 ， 2 0 0 6 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n r e s u l t s c a n b e u s e d for f u t u r e c o a l d e v e l o pme n t s t r a t e g y f o r mu l a t i o n ． Ke y w o r d s C o a l C o n s u m p t i o n ；G M 1 ， 1 ；O p t i mi z a t i o n ； P r e d i c t i o n 上接第 3 3页 Ap p l i c a t i o n o n Tr a n s i e n t El e c t r i c M a g n e t i c M e t h o d i n Ro o f Go a f De t e c t i o n o f Co a l M i n e Zh a o W e ns h u，W a n g J u nq i ，nu Yi Abs t r a c t Th e a r t i c l e t a k e s a d v a n c e d d e t e c t i o n o f t h e r o o f u pp e r c o a l g o a f i n t he t u nn e l l i n g e nd a s e x a mp l e，b y a d o p t i n g a d v a n c e d d e t e c t i o n t e c hn o l o g y o f t r a n s i e n t e l e c t r i c ma g n e t i c me t h o d o f c o a l mi n e，c a r r y i n g o u t t h e a d v a nc e d d e t e c t i n g d a t a c o l l e c t i n t he t un n e l l i n g e n d，d a t a h a nd l i ng，i n v e r s e c a l c u l a t i o n a n d e t c ． ，for ms t h e a p p a r e n t r e s i s t i v i t y s e c t i o n c h a r t o f t h e t u nn e l l i n g e n d r o o f ，e x p l a i ns t h e r a n g e a n d l o c a t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f t h e u p pe r c o a l g o a f i n t h e t u n n e l l i n g e n d．Th e a d v a n c i n g de t e c t i o n me t ho d o p e n u p r a n g e o f t h e a d v a n c i ng d e t e c t i n g，h a s b u i l t a s e t o f t h e t e c h n o l o g y me t h o d o f b e i n g s u i t a b l e t o t h e a l ld i r e c t i o n a d v a nc i n g pr o b i n g i n mi n i n g a n d d i g g i n g p r o c e s s o f c o a l mi n e ． Re s u h i s i n d i c a t e d t ha t t r a n s i e n t e l e c t r i c ma g n e t i c me t h o d o f c o a l mi n e h a s o p e n u p t h e t r a d i t i o n d e t e c t i n g r a n g e o f g e o p h y s i c a l pr o s p e c t i n g i n c o a l mi n e，h a s r e a l i z e d t h e a l ldi r e c t i o n a dv a n c e d d e t e c t i n g，n o t o n l y t he f r o n t ，b u t a l s o t h e r o o f，t h e flo o r a n d t h e s i de h a v e be t t e r p r o b i n g e f f e c t ．T r a ns i e n t e l e c t r i c ma g n e t i c me t h o d o f c o a l mi n e h a s n o t o n l y i n - v e r s e c a l c u l a t i o n t o s e c t i o n a l d r a wi ng，a l s o c a n t i e r s e c t i o n pi c t u r e s o f t he d i f f e r e n t p r o b i ng a n g l e，r e a l i z e mu l t i a ng l e s t e r e o s c o pi c d e t e c t i n g． Ke y wo r d s Tr a n s i e n t e l e c t r i c ma g n e t i c me t h o d o f c o a l mi n e；PROTEM t r a ns i e n t e l e c t r o ma g n e t i c i n s t r u me n t ； Adv a n c e d d e t e c t i o n；Go a f g e o p h y s i c a l p r o s p e c t i n g；Th e s e c t i o n