矿井瞬变电磁法在超前探测中的应用.pdf

2 0 1 4年第 7 期 中州煤炭 总第 2 2 3 期 矿 井瞬变 电磁 法在超前探测 中的应用 甘 露 山西晋 煤集 团技术研 究院有 限责任公 司 ， 山西 晋城0 4 8 0 0 6 摘要 介绍 了矿 井瞬变电磁法的原理 ， 矿井瞬变 电磁法 的探 测装置 、 参数及 在掘进 工作面和 回采 工作 面 中的 基 本探测方法。对于掘进 工作 面， 水平横 向的扇形测线布置 1 4个方 向， 竖直方 向布置 3个方 向， 可较好地完 成 掘进 工作面顶板 、 顺层和底板 的超前探测 ； 对于 回采 工作 面， 两巷探测方 向按 与煤层呈 3 O 。 、 6 0 。 和 9 0 。 角 向 顶板和底板 探测。某矿在掘进 工作 面及 回采工作 面进行 了瞬变 电磁 法探测 ， 钻探及 后期掘进和 回采揭 露结 果 验证此方法具有较好 的探 测效果。 关键词 矿 井瞬变电磁法 ； 超前 探测 ； 掘进 工作 面； 回采 工作 面 中图分类号 P 6 3 1 ． 3 2 5 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 4 0 7 0 0 9 3 0 4 App l i c at i o n o f M i ne Tr a ns i e nt El e c t r o m a g ne t i c M e t ho d i n Adv a nc e d De t e c t i ng Ga n L u T e c h n i c a l a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e o f J i n c h e n g A n t h r a c i t e G r o u p， J i n c h e n g 0 4 8 0 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t r o d u c e d t he t he o r y o f t r a ns i e n t e 1 e c t r o ma g n e t i c me t ho d， i t s d e t e c t i o n d e v i c e a n d t h e p a r a me t e l ’s we r e a l s o i nt r o d uc e d O n dr i v i ng f a ce a n d wo r k i n g f a c e． Fo r d r i v i n g f a c e， i t c a n c o mp l e t e t h e a d v a n c e d de t e c t i o n o n r o a dwa y o f r o o f ， b e d di ng a nd f l o or t h r o u g h 1 4 d i r e c t i o n s o f f a n s h a p e d de t e c t i n g l i n e o n h o r i z o n t a l d i r ec t i o n a nd 3 d i r e c t i o n s o n v e r t i c a l d i r e c t i o n． Fo r wo r k i n g f a c e， i t c a n c o mp l e t e t he a dv a nc e d d e t e c t i on o n wo r ki ng f a c e a c c o r d i n g t o t h e c o a l s ea m wh a t i s 3 0。． 6 0。a nd 9 0。 a n g l e t o t h e t o p a nd bo t t o m de t e c t i o n． Tr a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t ho d h a s be e n a p pl i e d o n d r i v i n g f a c e a n d wo r k i n g f a c e i n c o a l mi n e， r e s u l t s o f d r i l l i n g， p o s t dr i v i ng a nd c o a l wi nn i ng h av e v e r i fie d t h a t t h e me t ho d h as a c hi e v e d g o o d d e t e c t i o n e f f e c t ． Ke ywo r ds mi ne t r a n s i e n t e l e c t r 0 nl a g n e t i c me t h o d； a d v a nc e d e t e c t i o n； d r i v i ng f a c e； wo r ki ng f a c e 矿 井水 害 事故 破坏 性 大 ， 突发性 强 ， 往 往 导致 大 量 的人 员 伤亡 ， 重 特 大水 害 事故 是 仅 次 于 瓦 斯 事 故 的“ 第 二杀 手 ” ⋯ ， 给 矿工 生命 和 国家 财产 造 成 无 法 挽 回的损失 。近年来 ， 伴随着煤矿规模化 、 机械化 、 现 代化 水平 的不 断提升 ， 资 源整 理力 度 的不 断加 大 ， 矿 井 开拓 范 围也 随之 不 断 扩 大 ， 各 大 矿 区 的水 文 地 质 条件 日趋 复 杂 ， 多 种 水 害 类 型 逐 渐 显现 。一 些 矿 井 除受 地表 水 、 采 空 区积水 、 顶板 砂 岩水 等水 害影 响 外 ， 许 多矿 井还 受底 板 奥灰 承压水 的威胁 ， 这 些水 害 隐患 的存 在 给 矿 井 安 全 生产 带来 很 大 威 胁 。同 时 ， 大量兼并重组 、 改扩建矿井防治水力量薄弱 ， 相关基 础 工作 欠缺 ， 在 新 一 轮 资源 整合 与 产 能 快 速 增 长 的 形势下 ， 防治水工作面临着严峻考验。 目前 ， 矿井突 收稿 日期 2 0 1 40 31 3 作者简介 甘露 1 9 7 1 一 ， 女 ， 山 旧晋城人 ， 1 9 9 4年 毕业于 山西矿 业学院 ， 主要从事煤 田地质勘查工作 。 水 事故 大 多发生 在 掘进或 回采 过程 中 ， 因此 ， 开展 掘 进 、 回采工 作面 顶 底板 及 工 作 面 内部 的 隐蔽 致 灾构 造 超前 探 测 对 于矿 井 水 害 防治 具 有 重 要 意 义 。 目 前 ， 常 用 于矿井 水 害超 前 探 测 的 物探 方 法 主 要有 矿 井 直 流 电法 、 音 频 电透视 法 、 瑞 利波 及矿 井瞬 变 电磁 法 。这 些方 法各 有其 特点 和不 足 。矿井 直流 电法 主 要 用 于探 测底板 、 侧 帮及 前 方 一定 范 围 内 的含水 构 造 ， 但 该方 法受 体 积 效应 的影 响较 大 ， 定 向性一 般 。 音 频 电透视 法 主要用 于探 测采 煤工 作面 内部及 顶底 板一定范围内的富水性 ， 该方法受体积效应影响较 大 ， 且 现场 施工 强度 大 ， 工 作效 率低 。瑞 利波 法具有 定 向性 好 的优点 ， 但 由于 受震 源及 井下条 件所 限 ， 超 前 探测 距 离相对 较小 。矿 井瞬 变 电磁法具 有对 低阻 异常体反应灵敏 、 方 向性强 、 体积效应小、 工作效率 高和成本低等优点 ， 在矿井水害防治 中取得了 良好 的应 用效 果 。本 文 基 于 矿井 瞬变 电磁 技术 探 测 的原理 、 技术和方法 ， 设计和优化 了工作 装置， 探讨 93 2 0 1 4年第 7 期 中州煤炭 总第 2 2 3 期 了矿井瞬变电磁法在超前探测 中的应用 ， 结果表明， 矿井瞬变电磁法对掘进和回采工作面富水性探测具 有 较好 的探查 效果 。 1 矿 井瞬变 电磁 法原理 向井 下 巷 道 内 布设 的发 射 线 圈通 以一 定 的 电 流 ， 发射 电流会在 回线 周 围空 间 中建 立一 个 稳 定 的 电磁场 ， 当发射线 圈 中的 电流 突然 断开 时 ， 在 线 圈平 面上下 空 间中就要 被激 励起 感应 涡流 场 以维 持在 断 开 电流以前存在的磁场 ； 断电瞬间的电流集 中于发 射线圈附近的岩层表 面， 随后 电流开始扩散到巷道 矿 井 中 ； 在 切断 电流后 的任一 晚期 时 间 ， 感应 涡 流在 与线 圈平面 平行 的面 内呈 多个 层 壳 的 “ 环带 ” 形 ， 像 是 从发 射线 圈 中吹 出的“ 烟 圈” ， 故将 电流 向外 扩 散 的过程 称之 为 “ 烟 圈效 应 ” ’ 。 矿井瞬变电磁法是在井下巷道 内进行 ， 电磁场 是在矿井范围内进行传播 ， 接收线圈接收的信号是 来 自发射线 圈上下 两个 方 向矿井 岩石 电性 的综合 反 映。所以在线圈的两侧都会产生“ 烟圈效应 ” ， 其响 应 特征 为矿 井 电磁 响应 ， 如 图 1 所 示 。因此 ， 矿井 瞬 变 电磁视电阻率为矿井岩层电性特征的综合响应 。 ． ／一 、 ， ＼、 、 ， ‘ ， 1 ．．． - ’ ‘ 。 ‘ ‘ f 2 _．_ - ‘ ‘ ’ ’ 。 _ - _ f ● ●_ ’， ●‘●- ． _⋯● ‘ ⋯⋯。 _ ． ． ． ． ， 线 图 1矿 井 瞬 变 电 磁 传 播 视 电阻 率 的计 算公 式演 化 为 2 0 f 2 t z 0 S Ns nl p ， 【 万J 式 中， 。 为真空磁导率 ； S为发射回线面积 ； N为发 射 线框 匝数 ； s 为 接收 线框 面积 ； n为 接收 线框 匝 数 ； ， 为供电电流； f 为时间 ； V为电位差 。 2矿井瞬变电磁 法探 测装 置及 参数 目前 ， 矿井瞬变 电磁探测常用的回线装置形式 有偶极装置和重叠回线装置。偶极装置是保持发射 线 圈和接收 线 圈的 距 离不 变 ， 而 整 个 探 测 系统 沿 测 线 逐 点移动 观测 ， 该装 置发 射 、 接收线 圈分 离消 除 了 互感作用 ， 且相对比较灵活轻便 ， 比较适于井下掘进 ． 9 4 ． 和回采工作面的超前探测 图 2 a ； 重叠 回线是 发射线圈和接收线圈相互重叠 ， 回线一般为正方形 图 2 b 。矿井 瞬 变 电磁 法探 测 深度 与 发 射 电流 和发 射线 圈 的匝数 有 关 ， 由于 井下 发 射 电流 不 能过 大 ， 因此 ， 在 电流一 定 的 条件 下 ， 一般 通 过 增 加发 射 线 圈匝数 来增 加发 射 磁 矩 ， 从 而 达 到增 加 探 测深 度 的 目的。但发 射线 圈 匝数增 加 会 造 成 互感 加 重 ， 从 而使 浅层 探测 的盲 区增 大 。因此 ， 巷 道有 限 的空间 、 施工 安全 和特定 的施 工条 件决 定发 射 电流及 回线边 长 均不能 过大 。 目前 ， 一 般设 备 均 采用 1 ． 5 m1 ． 5 1 1 1 和 2 ． 0 m 2 ． 0 1T I 的多匝小线圈 ， 发射电流一般在 3 ． 2～ 4 ． 2 A之 间 。 由于 受关 断 时 间 、 线 圈 自感 和互 感 的影 响 ， 无 法探 测到浅 部地层 信 息 ， 在探 测 方 向浅 部 形成 2 0 m左右 的探 测盲 区 。 a 偶极 h 重叠回线 图 2矿井瞬变电磁法工作装置 3 矿 井瞬变 电磁超前探 测方法 3 ． 1掘 进工作 面超 前探 测 矿 井 瞬变 电磁法 探 测 时 ， 应 保证 掘 进巷 道 作 业 面整齐 。巷道 高度 和宽 度须保 证 能按 规定角 度摆 放 线 框 。将 铁 器设备 移 动到施 工 区域后 方 1 0 m之外 ， 以减少 其 对 瞬 变 电磁 场 的 影 响 。沿 掘 进 方 向 探 测 时 ， 探测 距离 1 0 0 m范 围 内进 行 断电 ， 以免采 集数 据 质 量较差 、 幅值波 动 、 数 据 点数 值 畸变 ， 影 响 探 测 成 图效果及 异 常分辨 。测 点布 置在 掘进 工作 面正前 方 图 3 ， 探测 方式 是使 发射 、 接 收线框 的法 线 方 向垂 直于巷道左帮进行探测 ， 然后在水平面内旋转线框 ， 使 线框 的法 线方 向从巷 道左 帮每 隔一 定角度 向右帮 旋转 ， 旋转到垂直巷道右帮为止 ， 形成一个横 向的扇 形 测线 。为 了增加 横 向分辨 率和 获得 较为完 整 的信 息 ， 需要多个角度采集数据且水平摆动角度不宜过 大， 一般水平方向摆动间隔角度选取 1 5 。 。 顶底板方 向探测 是使发射 、 接收线框的法线方 向垂直 于巷 道顶板 ， 然 后在 垂直 面 内旋转线 框 ， 使线 框 的法 线 方 向从 巷 道 顶 板 每 隔 一 定 角度 向 底 板 旋 转 ， 旋 转到 垂直 巷道底 板 为止 ， 形成一 个纵 向 的扇形 2 0 1 4年第 7期 甘露 矿 井瞬 变 电磁 法在超 前探 测 中的应 用 总第 2 2 3期 测 线 。在 实 际掘 进 工 作 面 超 前探 测 过 程 中 ， 每个 发 射点 按 图 4所 示 的探 测 方 向 ， 调 整 发 射 线 框 的 法 线 与巷道顶底的夹角大小 ， 以探测巷道顶板 、 顺层和底 板方 向的异 常分 布情 况 。 图 3 掘 进面 水平探测方 向示意 巷道断面 、 顶板探测方 ／ ． V 巷 道 发射线框 4 巷道底板 巷道 断面 ．_ 巷道 发射线框 ’ - 顺层探淤 90 o 巷道底板 方 向 ⋯ 巷 道 发 射 线 框 ⋯ ⋯ ⋯ 々人 ＼ ‘底板探测 巷道底板 向 e 图 4掘 进 面 竖直 探 测 方 向示 意 1 2 1 3 1 4 当线 框 以 仰 视 角 度 放 置 时 图 4 a ， 探 钡 0 方 向指 向顶板可以探测顶板一定深度范围内异常的分 布 情 况 ； 当线 框垂 直 于掘 进 面 时 图 4 b ， 探 测 方 向 为 顺 层 方 向 ； 当 线 框 以 俯 视 角 度 放 置 时 图 4 e ， 探 测 方 向指 向底 板 ， 可以 探 测 底 板 一 定 深 度 范围内异常体分布情况 。 3 ． 2 回采 工 作面探 测 对 于 回采 工 作 面探 测 ， 测线 布 置 在 工 作 面运 输 巷 、 回风巷 内 ， 测点 间距 为 1 0 m， 转 换 不 同 角度 则 可 探 测 工作 面 顶 板 或底 板 岩 层 一 定 范 围 的 电 阻 率 分 布 ， 根据电阻率分布情况 推断异 常 目标 的位置和特 性 。一 般情 况 下 ， 为 了充 分 掌握 回采 工 作 面 顶 底 板 的富水 性情 况 ， 两巷 探 测 方 向分 别 为 与 顶 板 呈 3 0 。 ， 6 0 。 ， 9 0 。 方 向， 与顺层呈 0 。 ， 与底板呈 3 0 。 ， 6 O 。 ， 9 0 。 方 向 图 5 。 另 外 ， 可根 据 工 作 面 斜 长 、 最 大 探 测 距 离 等 情 况 ， 确定顺层方向的探测次数。 图 5 回 采工 作 面 物 探 测 线 方 向 示意 4应 用 实例 4 ． 1掘 进工 作面超 前探 测 某 矿 为 资源 整 合矿 井 ， 井 田范 围 内的 大 量 隐蔽 性 采空 区是 矿井 安 全 生 产 的 重 大 隐患 。 因此 ， 矿 井 开展 了瞬变 电磁 法老 空水 害探测 。超 前探 测水平 方 向共 布 置 l 4个 方 向 ， 水 平 方 向 摆 动 间 隔 角 度 为 1 5 。 ； 竖 直方 向 为 3个 角 度 ， 即与 顶板 呈 4 5 。 、 沿 顺 层 方 向及 与底 板 呈 4 5 。 。 为 了便 于分 析 ， 只选 取 了该 矿 2 1 0 1 巷 1 2 2 0 m处 顺层 方 向 的探 测结 果 图 6 。 从 图 6顺 层探 测 结果 中可 以看 出 ， 在 有 效探 测 深 度 为 1 2 0 m范 围之 内 ， 发现 1处低 阻异 常 ， 异 常从 左帮 0 。 至正前方 9 0 。 深度在 4 5 m以外大范围分布 ， 结合 地质 资料 及现 场施 工 环 境 分 析 ， 推 断低 阻异 常 1可 能 为采 空 区积水 。通过 验证 发现 与物 探结 果吻合 较 好 ， 前 方 约 4 0 0 0 0 m 的采 空 区积水 。 曼 嫩 嚣 单位 掘进面中线距两帮距离／ m 图 6巷 道 1 2 2 0 m 处 顺 层 超 前 探 测 视 电 阻率 拟 断 面 示 意 4 ． 2 回采 工作 面顶 底板 探测 该 矿 为 了进～ 步 确 定 1 3 1 0工 作 面 顶 底板 富水 情 况 ， 以便 于工 作 面的安 全 回采 ， 在 该工 作 面实施 了 95 ． ∞ 加 ∞ O O 5 ；}； n I I - 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