利用矿井瞬变电磁法超前探测走向导水断层研究.pdf

第4 8 卷 第3 期 煤炭工程 C OAL EN GI NE E RI NG Vo 1 ． 4 8． No ． 3 do i 1 0 ．1 l 79 9 ／c e 2 O1 6 03 O 2 9 利用矿井瞬变电磁法超前探测走 向导水断层研究 焦险峰 ，刘树才 。 ，姜志海 ，刘鑫明。 1 ．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 ； 2 ．中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州2 2 1 1 1 6 ； 3 ． 河北联合大学 矿业工程学院，河北 唐山0 6 3 0 0 0 摘 要 导水断层给井下安全生产带来严重的 灾害隐患，为 了推进矿井瞬 变电磁法的 实用 性 ．开展 了导水断层瞬变电磁场响应特征研究。基 于三维低 阻薄板地 电模型．采用理论分析、物 理模拟相 结合的方式，探讨了板状导体上感应 涡旋电流与一次场的激发关系，研 究了走向导水断 层矿井瞬变电磁超前探 测视 电阻率响应特征。研究结果表明①感应涡旋 电流主要与板状体有效 切割一次场磁力线 多少有关，激励 角3 0 。 ～ 6 0 。 时．感应涡旋电流较强；②矿井瞬变电磁超前探测 扇形视 电阻率等值线图上。走向导水断层呈现左右对称分布 2个低 阻异常夹中间 1个高阻异常的 响应特征 研究结果应用于工程实践 。取得 了良好效果。 关键词 走向断层 矿井瞬变电磁 法；超前探测；响应特征 中图分类号T D1 6 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 - 0 9 5 9 2 0 1 6 0 3 0 0 9 2 ． 0 4 App l i c a t i o n o f 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 i n a dv a n c e d d e t e c t i o n o f wa t e r c o nd uc t i v e s t r i k e f a ul t J I AO Xi a n f e n g ，L I U S h u - c a i 一，J I A NG Z h i - h a i 一，L I U Xi n - mi n g 1 ． S c h o o l o f R e s o u r c e s a n d E a r t h S c i e n c e ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g＆ T 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 ； 2 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y f o r Ge o me c h a n i c s＆ De e p Un d e r g r o u n d En g i n e e r i n g， Xu z h o u 2 21 1 1 6， Ch i n a ； 3 ． S c h o o l o f Mi n e s ．He b e i Un i t e d Un i v e r s i t y T a n g s h a n 0 6 3 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t T o p r o mo t e t h e p r a c t i c a b i l i t y o f 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， t h e p a p e r s t u d i e s t h e r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s o f w a t e r c o n d u c t i v e s t r i k e f a u l t i n 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 f i e l d ．Ba s e d o n t h e g e o e l e c t r i c a l mo d e l o f 3 D c o n d u c t i v e s h e e t ，a c c o r d i n g t O t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d t h e p h y s i c a l s i mu l a t i o n， i t i s d i s c u s s e d h o w t h e e d d y c u r r e n t i n t h e s h e e t v a r y wi t h t h e e x c i t i n g p o s i t i o n o f t h e fi r s t fi e l d， a n d s t u d i e s t h e a p p a r e n t r e s i s t i v i t y r e s p o n s e o f t h e w a t e r c o n d u c t i v e s t r i k e f a u h b y 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 a d v a n c e d e t e c t i o n MT E AD ．T h e r e s u l t s s h o w t h e i n d u c e d e d d y c u r r e n t i s d e c i d e d ma i n l y b y t h e n u mb e r o f t h e ma g n e t i c l i n e ，w h i c h i s c u t b y t h e s h e e t ，a n d i t i s s t r o n g e r w h e n t h e e x c i t i n g a n g l e i s 3 0 。 ～ 6 0 。 ② o n t h e a p p a r e n t r e s i s t i v i t y c o n t o u r m a p o f MT E A D，t h e r e s p o n s e o f t h e w a t e r c o n d u c t i v e s t r i k e f a u l t i s o n e mi d d l e h i g h r e s i s t i v i t y a b n o r m a l a r e a wi t h t w o l o w r e s i s t i v i t y a b n o r ma l a r e a s o n t h e l e ft a n d ri g h t s i d e s s y mme t r i c a l l y ．T h e r e s u l t wa s a p p l i e d i n e n g i n e e r i n g p r a c t i c e，a n d g a i n e d g o o d e f f e c t s ． Ke y wo r d s s t r i k e f a u l t ； 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 d v a n c e d d e t e c t i o n ； r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s 2 0世纪末．国内开展了煤矿井下瞬变电磁法的实验丁 作．采用多N／ b回线装置形式，在煤矿井下巷道 中进行采 煤工作面顶、底板导含水构造探测 I - 3 ] 。近年 ，矿井瞬变电 92 磁理论 与方法技术不 断完 善 ，逐 渐形成 以偶极 一 偶 极与 重叠回线两种装置形式的扇形超前探测方法 ，在掘进 工作面前方积水采空区、充水钻孔 、隐伏导含水构造等探 收稿 日期 2 0 1 5 0 8 1 2 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 资助项 目 2 0 1 3 C B 2 2 7 9 0 0 ；国家 自然科学基金青年基金项 目资助 4 1 3 0 4 1 1 3 作者简介 引用格式 焦险峰 1 9 7 1 一 ，男 ，山西高平人 ，博士研究生，高级工程师，从事矿山地球物理勘探理论与应用技术方 面的研究 作，E ma i l l s c 3 8 8 5 4 3 4 1 2 6 ． C O rn。 焦险峰 ，刘树才 ，姜志海 ．等．利用矿井瞬变电磁法超前探测走向导水断层研究 [ J ] ．煤炭_T程 ，2 0 1 6 ，4 8 3 9 2 9 4 ，9 8 ． 2 0 1 6 年第 3 期 煤炭工程 测中．取得了较好的应用效果l l ] 。该技术还用于隧道不 良地质体的超前探测，形成隧道瞬变电磁超前探测技术与 解释方法 1 3 - 1 6 ] 。准确把握地质异常体的响应特征是地球物 理资料合理解释的基础，为此，笔者曾采用物理模拟与数 值模拟的方法对巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测机理进 行了研究 ．并探讨了典型地质异常体瞬变电磁超前探测异 常响应规律 ， ] 。有关学者利用 视纵 向电导微分成像与 A N S Y S有限元模拟，研究了隧道超前地质预报中不 良地质 体的瞬变电磁响应特征[ 1 9 ] 。瞬变电磁响应特征随导含水构 造的空间发育以及与发射 、观测装置相对位置关系的变化 而变化。导含水断层可近似看作 良导薄板地球物理模型 ， 当空间赋存方位与激发方向不同时，瞬变响应差异较大 ， 容易误导资料解释 ，因而研究激发方向不同时良导薄板 的 响应特征是正确推断断层发育的前提。 1 矿井瞬变磁场分布特征分析 矿井瞬变电磁法采用多匝小回线装置形式 ，发射源可 看作磁偶极子， 。 为磁导率，磁矩为 m的磁偶极子在 r 处 产生的磁场 日为 一 |_ 4 T o 4 0 r j 在 X O Z平 面内产 生的磁场 m 莽 根据上述两式得 到的 X O Z平 面内磁力 线分 布如 图 1所 示．该图同时示意了薄板体与激发源空问位置 7种关系下 磁力线的切割情况。薄板体上感应的二次涡旋电流与激励 角以及板状体空间分布面积有关，即磁通量。位置 1薄板 体所在平面与激发源所在平面垂直，磁力线方 向与薄板体 走向一致 ．此时薄板体有效切割磁力线最小，磁通量最小 ， 其所激发的二次涡旋电流最小，对于探测而言所接收到的 感应电动势响应最小。随着薄板体与激发方向间角度增大， 如位 置 2 、位置 3 、位置 4 、位置 5 ，穿过薄板体 的磁 力线逐 渐增 多 ．磁通 量逐 渐增大 ，二次 涡旋 电流逐 渐增 大 ，接 收 到的感应 电动势 响应 增强 。随夹 角增 大 ，如 位置 6 、位 置 7 ，受磁力线稀疏影响．薄板体上磁通量又逐渐减小 ，所感 应二次涡旋电流逐渐减小。基于此，对于环形扇面扫描方 式的矿井瞬变电磁超前探测而言，导含水断层 、裂隙等类 似于薄板状的低电性地质构造体，在视电阻率等值线图上， 构造体与激发方向一致的扫描点上呈相对的高阻异常反应， 而两侧呈现一定的相对低阻异常反应。 2 物理模拟 2 ． 1 模 型设 置 时间域瞬变电磁场物理模拟的基本准则 l } 图 1 磁 力线分布 图 X 口 f ＼＼Lm r 式中， 为电导率，单位是西门子 S ；L为线型尺 度 ，m； 表示模 拟系统 ； f表示 被模 拟的野 外 系统 ；k为 线性 比例尺 ．即缩 比系数 。 基于上述准则，采用了空气中的良导薄板模型，力求 符合高电性围岩介质中导含水断层的实际地质模型。实验 中缩比系数约 1 0 ．对应实际超前探测条件发射接收线框 边长 2 mx 2 m巷道 围岩 电阻 5 0 0 m。 2 ． 2参数设 置 采用 T E R R A T E M型瞬变仪，发射线圈2 0 c m 2 0 c m 4 0匝．0 ． 1 5 mm 规 格 漆包 线 接 收 线 圈 2 0 c m 2 0 c m 8 0 匝，0 ． 0 1 m m 规格漆包线。异常体采用 4 0 c m 2 5 c m 2 m m 的铝板。采样延时从 0 ． 0 5 ms 至 8 ． 6 2 5 m s ，计 2 2 个窗口，增 益 1 0 0档位，发射电流4 A。 2 ． 3 结 果分析 模拟时探测方 式与井 下实 际工作 方法完 全一 致 ，铝 板 距探测位置 3 0 c m．垂直放置于实验台上，由左侧 1 5 。 开始 以 1 5 。 间隔向右侧依次进行扫描。模拟实验视电阻率等值线 图如图 2所示．左右两侧 4 5 。 扫描方向纵向上 4 0 c m起 ，略 呈相对低阻异常反应；9 0 。 及左右两侧 7 5 。 扫描方向上略呈 相对高阻异常反应。这一特征表明，在矿井瞬变电磁超前 探测视电阻率等值线图上，薄板状低阻异常体的响应特征 由薄板走向与发射线圈激发方 向的相对位置关系决定 ，当 薄板处于探测点前方 且走 向与超 前探测 中间扫描 方 向近 乎 一 致时，异常位置出现在异常体左右两侧，而异常位置处 却呈高阻反应。物理模拟结果与上述理论定性分析一致。 这一特征要求矿井瞬变电磁探测时应充分考虑探测 目标体 的空间赋存形态与所采用装置形式 的耦合关系，以便进行 正确的资料解释。 3 应用实例 山东新宏煤矿开采 9 号煤层 ，该煤层厚约 0 ． 7 ～1 ． 0 5 m， 平均 0 ． 8 m左右 ，其底板下有 3个灰岩含水层 ，依次为七 灰 、八灰 、十灰。七灰厚是基本底板 ，厚 1 ． 3 ～1 ． 8 m。八灰 含水层 ，上距 9煤层约 5 1 ． 5 0 m，厚度 1 ． 4 0 5 ． 3 0 m，平均 93 煤炭工程 2 0 1 6 年第3 期 f 晕 g 基 淤 苗 ． ＼＼／ 图 1 0 倾 向主断面水平变形 曲线图 根据图 7 ～ 1 O分析可得 1 对比地表下沉曲线和页岩面下沉曲线 如图7所示 可以得出在采空区边缘 区域 ，地表下沉值受地表滑移的 影响较大，使得地表下沉值增大，下沉值增量随地表坡体 坡度的增加而增大。 2 对比地表和页岩面水平移动曲线 如图 8所示 可以 得出在山区凸形地貌下采动地表水平移动较平原地区要 小，分析其原因主要是凸形地貌两边的坡体相对于lT作面 为负坡坡体，地表的滑移增量表现为负值 ，使得水平移动 减小。 3 对比地表和页岩面 曲率 曲线 如图 9所示 可以得 出在山区凸形地貌下采动地表曲率较平原地区要小。 4 对比地表和页岩面水平变形曲线 如图 l 0所示 可 以得出 在山区凸形地 貌 下采动地 表水 平变 形较平 原地 区 要小；在山顶区域，采动后地表受拉伸的影响较大，水平 变形拉伸值较平地采动后要大 。 3结论 1 在采空区边缘区域．地表下沉值受地表滑移的影响 较大 ；同时在 山 顶 和山谷 区域 ，地 表下 沉 变 化较 为 平 滑 ， 表明该 区域采动影响 的倾斜值较小 。 上接 第 9 4页 [ 6 ] 姜志海 ，岳建华 ，刘 树才．多匝重叠 小 回线装 置形式 的矿 井瞬 变 电 磁 观 测 系 统 [ J ] 煤 炭 学 报 ，2 0 0 7 ，3 2 1 1 l 1 5 2 -1 l 5 6． [ 7 ] 于景邮 ，刘树 才，王扬州．巷道 内金属体瞬变 电磁响 应特 征及处理技术 [ J ] ．煤炭学报 ，2 0 0 8 ，3 3 2 1 4 0 3 -1 4 0 8 ． [ 8 ] 刘志新 ，刘树 才，刘仰光．矿井富水 体的瞬 变电磁场 物理 模型实验研究 [ J ] ．岩石力 学与工程 学报 ，2 0 0 9，2 8 2 2 5 92 6 6 ． [ 9 ] 郭纯 ，刘 自宙，白登海．地下全 空间瞬变 电磁技 术在煤 矿掘进头 的连续 跟踪超前 探测 [ J ] 地 震地 质，2 0 0 6 ，2 8 3 4 5 6 4 6 2 ． [ 1 0 ] J i a n g Z h i h a i ，Y u e J i a n h u a ，L i u S h u c a i ．P r e d i c t io n t e c h n o l o g y o f b u r i e d wa t e r b e a r i n g s t r u c t u r e s i n c o a l mi n e s u s i n g t r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i c m e t h o d[ J ] ． J o u r n a l o f c h i n a u n i v e r s i t y o f m i n i n g a n d t e c h n o l o g y ，2 0 0 7 ．1 7 2 1 6 4 1 6 7 ． [ 1 1 ] 刘志新 ，于景邮 ，郭栋．矿井瞬变 电磁法在 水文钻 孔探 测 中的应用 [ J ] ．物探与化探 ，2 0 0 6，3 0 1 5 9 - 6 1 ． 『 l 2 ] 姜志海 ，岳建华 ，刘志新． 矿井瞬变电磁法在老窑水超前探测 98 2 在采空区边缘区域地表水平移动受地表滑移的影响 较大，地表斜坡坡度越大，其影响越大 ；在 山区凹形地貌 下采动地表水平移动较平原地区要大，在山区凸形地貌下 采动地表水平移动较平原地区要小。 3 地表 曲率受地表起伏 的影 响较大 ，主要 表现为在 山 谷区域，地表曲率值较平地采动要小；在山顶区域，地表 曲率值较平地采动要大；在山区凸形地貌下开采地表曲率 较平原地 区要小 。 4 在 山谷 区域 ，采动后地表受压缩 的影 响较大 ，水 平 变形压缩值较平地采动后要大；在山顶区域，采动后地表 受拉伸的影响较大，水平变形拉伸值较平地采动后要大。 参考文献 [ 1 ] 邹友峰 ，邓 喀 中 ，马 伟 民．矿 山开 采 沉陷 工 程 [ M] ．徐 州 中国矿业大学出版社 ．2 0 0 3 ． [ 2 1 胡友健 ，吴北平 ，戴 华阳 ，等．山区地下 开采影 响下地 表 移动规律 [ J ] ．焦作工学院学 报，1 9 9 9，1 8 4 2 4 2 2 4 7 ． [ 3 ] 何万龙．山区地表移动与变形规律的研究 [ J 1 煤炭学报 ． 1 9 9 2 ，1 7 4 1 1 5 ． [ 4 ] 康建荣 ，何万龙 ，胡 海峰．山区采动地表 变形及坡 体稳 定 性分析f M1 ．北京 中国科学技术出版社 ，2 0 0 2 ． [ 5 ] 马超 ，康建荣 ，何 万龙．山区典型地貌 表土层采 动滑 移 规律的数值模拟分 析 [ J ] ．太 原理 工大学学 报 ，2 0 0 1 ，3 2 3 2 2 2 2 2 6 ． f 6 ] 王贵荣 ，袁志 明．韩 飞．黄 土山 区矿井 地表移 动变形 数 值模拟 『 J ] ．西安科技大学学报，2 0 0 7 ，2 7 2 2 3 6 2 3 9 ． [ 7 ] 康建荣．山区采 动 裂缝 对地 表移 动变 形 的影 响分 析 [ J1 ． 岩石 力学与工程学报 ，2 0 0 8 ，2 7 1 5 9 6 4 ． 8 1 戴华 阳，翟厥成 ，胡 友健．山区地表移动 的相似模 拟实 验 研究 『 J ] ．岩石 力学与工程学报，2 0 0 0 ，1 9 4 5 0 1 5 0 4 ． 责任编辑郭继圣 中的应用『 J 1 ． 工程地球物理学报．2 0 O 7 ，4 4 2 9 1 2 9 4 ． 李貅 ，武军 杰，曹大明 ．等．一 种隧道 水体不 良地 质体 超前地质预报方法 [ J ] ．工程勘察 ，2 0 0 6 3 7 0 7 6 ． 李术才 薛翊 国，张庆松 ，等．高风险岩 溶地 区隧道施 I 地质灾害综合预报预警关键 技术研 究 『 ．岩石 力学 与] _ 程学报 ，2 0 0 8 ，2 7 7 1 2 9 7 一I 3 0 7 ． 薛 国强 ，李貅．瞬 变电磁 隧道 超前 预报成 像技 术 f J 1 ． 地球物理学报 ，2 0 0 8 ，5 1 3 8 9 4 9 0 0 ． 苏茂鑫 ，李术 才，薛翊 国，等．隧道地质 预报 中的瞬 变电 磁视纵 向电导解 释方 法研 究[ J ] ．岩 土工 程学 报 ，2 O l 0 ， 3 2 1 1 1 7 2 2 1 7 2 6 ． 姜志海．巷道掘 进T作 面瞬变 电磁超 前探测机 理与技 术研 究 『 D] ．徐 州 中国矿业大学 ，2 0 0 8 ． 姜志海，焦险峰． 矿井瞬变电磁超前探测物理实验 [ J ] ． 煤 炭学报 ，2 0 1 l ，3 6 1 L 1 8 5 2 1 8 5 7 ． 苏茂鑫 ．李术 才 ，薛翊 国，等．隧道掌子 面前 方低阻 夹层 的瞬变 电磁 探测 研究『 J ] ．岩 石 力学 与 工程 学 报 ，2 0 1 0 s 1 2 6 4 5 2 6 5 0 ． 责任编辑郭继圣 4 3 2 l O 2 3 4 M “ _rL r L [r}