矿井瞬变电磁在千米深井下超前探测的应用.pdf

2 0 1 3 年 第1 期 鸯撼j iI 舛技 5 矿井瞬变 电磁在千米深井下超前探 测的应 用 冯磊 ， 张 晓华 ， 徐波 济 宁矿业集 团安居煤矿 ， 山东 济 宁2 7 2 0 0 0 摘要该文结 合煤矿应用实例， 介绍 了瞬变电磁法在井下巷道对迎 头进行超前水 文地质条件探测 的施 工原理 、 方 法及数据 的处理解 释， 并通 过钻探验证， 证明了矿井瞬变电磁法的有效性和可靠性， 该方法可以准确反映巷道前方水文情况， 满足 了 巷道超前预测预报的要求。 关键词矿井瞬变 电磁超前探放水钻探验证 富 含 水性 中图分类号 T D 7 4 5 ． 2 1 文献标识码B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 52 8 0 1 ． 2 0 1 3 ． O 1 ． 3 近几年发展起来的矿井瞬变电磁法凭借其成本较 低 ， 体积效应小， 对地层低阻区分辨率高等优势 ， 成为 巷道超 前探测水害的最常用方法 。 1 矿 井 瞬变 电磁 法的 基本 原理 瞬变电磁法是在发射 回线电流的作用下 ， 周围地 质介 质中产生了过渡 过程 的感 应 电磁场 一 次场 ， 该 场在良导介质内产生涡旋的交变电磁场 二次场 ， 其 结构和频率在时间与空间上均连续地发生变化， 通过 所接受的地质信号研究这一变化规律 ， 可以了解沿探 测方 向地层介 质 的变化 情况 。 即在 导 电率 为 仃、 导磁 率为 的均匀各向同性大地表面敷设面积为 s的矩形 发射回线， 在回线中供以阶跃脉冲电流， 图 1 矩形框 磁力线 r I t0 ≥o 在电流断开之 前 t 0时 ， 发射 电流在 回线周 围 与大地空间 中建立起一个 稳定 的磁 场 ， 见 图 1 ； 在 t 0 时刻 ， 将 电流突然断开 ， 由该 电流 产生 的磁场也 立 即消 失。一次磁场的这一剧烈变化通过导电介质传至回线 周围的巷道围岩中， 并在围岩中激发出感应电流 以维 持发射电流断开之前存在的磁场， 使空间的磁场不会 即刻消失。由于介质的欧姆损耗 ， 这一感应电流将迅 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 2 8 作者简介 冯磊 1 9 8 7一 男 ， 山东 济宁 ， 本 科 ， 毕 业于 山东科 技大 学 ， 助理工程师 ， 现在安居煤矿从事地质工作 。 速衰减 ， 由它产 生的磁场也随之迅速衰减 ， 这种迅速 衰 减的磁场又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 。这 一过程继 续下 去 ， 直至 矿井巷 道 围岩的欧姆损耗将磁场能量消耗完毕 为止 。这便是 矿井中的瞬变电磁过程 ， 伴随这一过程存在的电磁场 便是矿井的瞬变电磁场。 矿井瞬变电磁 法原理与地 面瞬变 电磁原理基本 一 样 ， 井下测量 的各 种装置 形式和时 间序列也相 同 ， 但 由 于矿井瞬变 电磁探测是在井下巷道内进行的 ， 电磁 场为 全空间， 见图2 ， 因此， 矿井瞬变电磁法所测信号为线框 周围全空间岩石电性的综合反映。但可利用小线框体 积效应小、 电磁波传播具有方向性的特点， 通过改变线 框平面方向并结合地质资料来判断地质异常体的空间 位置 引。 ▲ ‘ z 图2全空 间瞬变 电磁场 的传播 2矿 井瞬变 电磁 法现 场 施工 方法 安居煤矿井深千米 ， 水文地质条件复杂， 井筒施工 期间揭露多处含水层， 且含水量大 ， 现三条大巷所处岩 层均为煤层底板砂岩含水层 ， 即将穿过的F X 4 8断层落 差较大 ， 且距离三灰水较近 ， 有导通 三灰水 的可能 。因 此 ， 为探测东 部集 中轨 道 大巷 前方 岩层 富 含 水 性 ， 利用瞬变电磁法进行超前探测 ， 并通过钻探验证。 6 未 媳j i ； 斜技 2 0 1 3 年 第1 期 2 ． 1 使用 的仪器及装置参数 的选择 本次探测使用 Y C S 4 0 A 型瞬变电磁仪 ， 该电磁仪 对低阻充水区域反映特别灵敏、 体积效应小、 纵横向分 辨率高， 且施工方便、 快捷、 效率高， 既可以用于煤矿掘 进头前方 ， 也可以用于巷道侧帮、 煤层顶、 底板等探测。 除在硬件上具有较多优点外， 在软件解析中除集 成了经典和专家的时间域瞬变电磁法勘探理论技术与 方法外 ， 还添加 了矿井信号校正方法及更为独特有效 的信号分析处理方法。利用一次场波形发射和二次磁 场接收 ， 结合 软件分 析解 释 ， 可以进行 复杂 的含水地 质 构造探 测。 针对探测 目标体 的深度 和范围 ， Y C S 4 0 A 型 矿用 瞬变电磁仪具有多套功能参数设置， 可进行针对性的 选择合适的一套 参数设 置 。一般 情况下 ， 矿井 瞬变 电 磁用于超前探测 时 ， 本仪 器系统选 择 的技术参 数如 表 1所示 。 表 1 瞬变电磁超前探测系统参数设置表 仪器参数设置 装置参数设置 发射 电压 7 ． O V 发射边长 1 ． 5 m 发射频率 8 ． 3 Hz 发射 匝数 9匝 叠加次数 6 4 电阻要求 1 0 抑制系数 3 接收边长 2 ． 0 m 测 道 数 4 0 接收 匝数 l 8匝 记录时窗 0 ． o o 8 ms ～ 8 6 4 ms 2 ． 2 测 点布置及 勘 探工作 量 矿 井瞬变 电磁 法在 煤矿井 下巷 道 内进 行 ， 测 点 间 距 2～ 3 m。根 据多 匝小线框 发 射 电磁 场 的方 向性 ， 可 认 为线框平 面法线方 向即为瞬变 电磁探测方 向 。因 此 ， 将发射接收线框平 面分别与巷道 顶板 、 底板及巷道 掘进方 向成一 定的角度进行探测 ， 就 可反映巷道顶 、 底 板岩层或平行巷道内部的地质异常。 一9 O- 8 O一 7 0． 6 0 5 O 4 0 3 O_ 2 0． 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 图3 迎头正前方视电阻率等值线图 9 0 m。同时做好地质编录及水化学台账， 保障施工安 全。 4富 水异 常 区钻 探验 证 矿井瞬变电磁 法探测 到东部集 中轨 道大巷迎头前 方岩层有一定富水区域， 根据“ 有疑必探， 先探后掘” 的防治水原则 ， 在 4 } } 探水硐室设计了 3个钻孔进行超 前探 测 ， 以更好 的掌握前方岩层水文地质 情况 ， 并验证 瞬变电磁法的探测 结果。钻孔参数 如表 2所示 。 表 2 设计钻孔具体参 数 钻孔编号 方位角 。 倾角 。 孔深 m 孔径 m m 1 2 8 5 22 5 9 9 4 2 2 8 5 2 1 8 0 9 4 3 2 8 5 1 O l 5 4 9 4 其 中 2 T L ， 钻 进 8 5 m时 出水 ， 出水量 2 ． 6 m ／ h ， 3 孔钻进 5 0 m时出水 ， 出水量 3 ． 2 m ／ h ， 水压均为 0 ． 5 M P 左右 ， 2 0 1 1 年 1 0月 ， 经过近一个月 的疏放 ， 两钻孔基本 疏干 ， 累计放 水量 1 5 0 0 m ， 有 利地 保 证 了巷道 掘进 的 施工效率和安全 。 3数 据 的处理 解释 5结 论 本次瞬变电磁探测数据处 理采用 Y C S 4 0 A 型矿 井瞬变 电磁仪配套 的 MT e m 2 ． 0处理 系统 ， 其处理 主要 流程为 数据 上传一格 式转 换一 数据 滤波 处理一计 算 晚期视电阻率一正反演计算一结果成图。 结合 图 3分析 在 巷道正前 方存 在 明显 电阻率 差 异界面 迎头前方 6 0～ 9 0 m所圈范围 ， 左侧电阻率值 明显低于右侧。在巷道左侧 一 3 5～ 0 m， 前方7 0～1 0 5 m 范围内存在明显相对低阻异常区， 且从迎头位置到低 阻异常区 箭头所指方向 ， 视电阻率呈逐渐降低的趋 势 。鉴于该异常 区位于 三维地 震预测 的 F X 4 8断层 范 围， 在排除前方岩性变化， 尤其是泥岩干扰情况下， 该 区域很可能为富水区。为确保矿井安全生产， 建议暂 停巷道掘进 ， 根 据分析结 果对 迎头顶 板前 方进行 打钻 探查， 确认低阻异常区性质， 建议钻孔施工参数 探水 钻方 位 角 2 8 3 。～2 9 3 。 倾 角 3 0 。～4 0 。 钻 深 不 小 于 通 过实例 可以看 出矿井 瞬变 电磁法在 井下超前探 测 中取得了 良好 的效 果 ， 较 为准确 的预测 了前方 岩层 水文地 质情况 ， 且施工 方便 、 工作效 率高 ， 为矿井 防治 水工作 提供 了有力的技术保证 。但矿井 瞬变 电磁仍有 许多问题需要研究 ， 如探测盲 区的消 除 ， 井 下噪声 干扰 的处理等 。 参考文献 [ 1 ] 姜志海， 岳建华， 刘志新． 矿井瞬变电磁法在老窑水超前探测中 的应用[ J ] ． 工程地球物理学报 ， 2 0 0 7 ， 4 4 ； 2 9 1～2 9 3 [ 2 ] 于景邮． 矿井瞬变电磁法勘探[ M] 徐州 中国矿业大学出版社． 2 0 O 7 [ 3 ] 刘树才 ， 岳建华 ， 刘志新． 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 5 [ 4 ] 薛国强． 论瞬变电磁测深法的探测深度[ J ] 石油地球物理勘探， 2 0 0 4， 3 9 5 5 7 5～5 7 8 加 ∞ ∞ ∞ 加 印 如 ∞ ∞ 加