矿井瞬变电磁法在水害超前探测中的应用.pdf

第 4 0卷第 3期 2 0 1 3年 6月 矿 业安 全 与环保 MI NI NG S AF E TY E NVI R0 NME NT AL P R0 TE C T I ON Vo 1 ． 4 0 No ． 3 J u n ． 2 0 1 3 黄晓容． 矿井瞬变电磁法在水害超前探测中的应用[ J ] ． 矿业安全与环保， 2 0 1 3 ， 4 0 3 7 7 - 7 9 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 3 0 3 - 0 0 7 7 - 0 3 矿井瞬变 电磁法在水害超前探测中的应用 黄 晓容 中煤科 工集团重庆研 究院 ， 重庆 4 0 0 0 3 9 摘要 分析 了矿井瞬变电磁法在水害超前探测 中的地质效果 ， 并系统介绍 了矿井瞬变 电磁法探测 的 地球物理特征、 基本原理、 井下干扰特性， 以及装置参数设计 的选择原则。以峰峰矿 区黄沙矿 2 1 0 6工作 面运料巷探测为例 ， 通过物探资料圈定 的低 阻异常区域经打钻验证， 说 明该物探方法的地质解释成果准 确可靠， 可为矿井防治水工作提供有效的技术支持。 关键词 矿井瞬变电磁法； 矿井水害； 超前探测 ； 井下干扰 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 5 2 0 1 1 3 3 网络出版地址 h t t p ／ ／ w w w． c n k i ． n e t ／ k c m s ／ d e t a i l ／ 5 0 ． 1 0 6 2 ． T D． 2 0 1 3 0 5 2 0 ． 1 1 3 3 ． 0 2 1 ． h t ml App l i c a t i o n o f M i n e Tr a n s i e n t El e c t r o ma g ne t i c M e t ho d i n Adv a nc e De t e c t i o n o f W a t e r Di s a s t e r HUA NG Xi a o r o n g 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 o fC h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d 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 ，C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r a n a l y z e d t h e g e o l o g i c a l e f f e c t 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 i n t h e a d v a n c e d e t e c t i o n of wa t e r d i s a s t e r a nd s y s t e ma t i c a l l y de s c ribe d t he g e o ph y s i c al c h a r a c t e r i s t i c s，b a s i c p rinc i p l e，un d e r g r o u n d i n t e r f e r e n c e f e a t ur e s a n d t h e s e l e c t i o n of p ara me t e r de s i g n of t h e mi n e t r a ns i e nt e l e c t r o ma g ne t i c me t h o d． By t a k i n g t he d e t e c t i o n o f 21 0 6 wo r ki n g f a c e h a u l a ge g a t e i n Hua ng s ha Mi ne o f Fe n g f e ng Co a l Mi n i ng Ar e a a s a n e x a mp l e， t h e l o wr e s i s t i v i t y a n o maly a r e a whi c h wa s d e l i n e a t e d b y t h e g e o p hy s i c a l d a t a a n d t h e n v e rifie d b y d ril l i n g i n d i c a t e d t h a t t he g e o l o g i c a l i n t e r pr e t a t i o n r e s ul t s o f t hi s g e o p h y s i c al p r o s p e c t i n g me t h o d are a c c u r a t e a n d r e l i a b l e ，a n d c a n p r o v i d e a n e f f e c t i v e t e c h n i c a l s u p p o f o r t h e p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l of t h e mi n e w a t e r d i s a s t e r ． Ke y wor ds mi n e t r a n s i e n t e l e c t r o ma g ne t i c me t ho d；mi ne wa t e r di s as t e r ；a d v a n c e d e t e c t i o n；un d e r gro u nd i nt e r f e r e nc e 水害是煤矿主要灾害之一。我 国煤矿开采深度 平均每年增加 1 0～2 0 i n ， 随着煤矿开采深度的加大， 以及一些矿区下组煤的大规模开发 ， 煤矿水文地质条 件愈加复杂 ． 力 Ⅱ 之历史原因， 部分煤矿尤其是一些小 煤矿水文地质资料不清 ， 防治水工作基础较为薄弱。 因此 ， 采用物探和钻探等综合探测技术手段 ， 查明矿 井水文地质条件 ， 是煤矿水害防治工作的关键_ 1 J 。 目前 ， 煤矿水害超前探测技术 主要有矿井直流 电法 和矿井 瞬变电磁法 。矿井直 流电法虽 收稿 日期 2 0 1 2 1 1 0 5 ； 2 0 1 3 0 4 1 0修订 基金 项 目 国家科 技重 大专项 2 0 1 1 Z X 0 5 040 0 0 2 0 0 3 ， 2 0 1 1 Z X0 5 0 4 0 0 0 2 0 0 5 作者简介 黄晓容 1 9 8 2 一 ， 女， 重庆南川人， 工程师， 主 要从事矿井安全技术的研 究工作。E ma i l h x ron g 一 1 9 8 2 1 63． c o m。 然应用较多 ， 但 由于技术不太成熟 ， 应用效果不尽如 意 ； 矿井瞬变 电磁 法采用非接 触方式 ， 具有设 备轻 便 、 工作方式灵活 、 工作效率高 、 探测距离大 以及成 本低等优点 ， 近年来 已用于解决煤层顶底板岩层 内 部 的富水异常 区探测 、 巷道掘进迎头前方 的突水构 造预测、 含水陷落柱勘查等水文地质问题 。 1 矿井瞬变 电磁 法 1 ． 1 矿井地球物理特征 煤系地层中砂岩 、 泥岩和煤层具有不 同的电性 特点， 煤层电阻率相对较高， 砂岩次之， 泥岩最低。由 于煤系地层是层状介质， 地层导电性特征在纵向上具 有固定变化规律 ， 而在横向上相对 比较均一l l 。 当煤系地层存在断层 、 裂隙、 陷落柱等地质构造 破碎带时， 如果地质构造不含水 ， 则其导 电性较差 ， 相对周围围岩表现为高阻 ； 如果地质构造含水 ， 由于 7 7 Vo 1 ． 4 0 No ． 3 J u n ． 2 0 1 3 矿 业安 全 与环保 MI NI NG SAFETY ＆ ENVI R0NMENTAL PROTECTI ON 第 4 0卷第 3期 2 0 1 3年 6月 其导电性好 ， 相对周围围岩则表现为低阻。 当断层、 裂隙和陷落柱等地质构造发育时 ， 无论 其含水与否 ， 都将打破地层电性在纵向和横向上的 变化规律。这种变化规律为矿井瞬变电磁法勘探提 供了充分的物性条件 ， 也是矿井物探工作进行地质 解释的根本依据。 1 ． 2矿井瞬变电磁法基本原理 矿井瞬变电磁法 或称矿井时域瞬变电磁法 是 以岩石导电性差异为物理基础 ， 利用不接地 回线或 电极 向巷道周 围空间发送 脉冲式一次 电磁场 ， 并在 一 次脉冲电磁场间歇期间 ， 用线圈或接地 电极 观测 由该脉冲电磁场感应的大地涡流产生的二次 电磁场 的空问和时间分布 ， 来解决有关地质 问题 的时间域 电磁法 。 矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法的基本 原理 相同， 所不同的是， 矿井瞬变电磁法是在井下巷道内 进行 ， 瞬变电磁场呈全空间分布， 全空间效应成为矿 井瞬变电磁法固有的特性。这种瞬变响应来 自于回线 两侧地层空间， 即双“ 烟圈效应” ， 因此矿井瞬变电磁法 探测接收到的信号是来 自周围全空间岩石电性的综合 反映。全空间瞬变电磁场的双“ 烟圈效应” 见图 1 。 ／一 ＼ ∈ j ／／T ● 一 ￡ 0／ ／ 一 一 J ／ 土 一 ～～ ～、 ～ ￡ t 2 ， 二 二 。 一 I 一 ／ ， ＼ 、 ＼ J t t 3 ＼ ＼ 、、 、＼ ～ 一 ●一 ／／ r 7 图 1 全空间瞬变电磁场的双“ 烟圈效应” 示意图 矿井瞬变电磁视电阻率为全空间岩层 电性特征 的综合响应 ， 视电阻率的计算公式演化如下 p Bc 4 t X 1『 o 2 tx o S N ， s n I J 6 ． 3 2 x 1 0 B C S N 了 S n 了 V ／ I 一 一3 t 一 式 中 B为井下工作装置 与地面装置之 间的比例系 数 ； C为全空间响应系数 ； s为发射线框 的面积 ； N为 发射线框的匝数 ； S为接收线框 的面积 ； 为接收线 框 的匝数 ； t 为二次场衰减 时间； V为感应电位 ； ，为 供 电电流强度 。 2 井下干扰情况及处理技术 煤矿井下实际测量结果表明 ， 影响井下 瞬变 电 7 8 磁法探测效果的主要设施有 巷道底板上的铁轨 ； 工 字钢 、 锚杆 ； 运输胶带支架 ； 钻机和掘进机 ； 金属管线 等。这些金属设施在井下瞬变电磁法探测 中能产生 较强的瞬变电磁响应 ， 如在巷道底板下采用重叠 回 线组合测量时 ， 有铁轨地段 比无 铁轨地段 的瞬变 电 磁响应强几倍。 巷道 内铁轨、 锚杆 、 运输胶带支架及各种金属管 线等金属物体在 瞬变 电磁 中是一种低阻响应 ， 使得 实测视电阻率减小几个数量级 ， 但此类影响在测线 方 向往往是均一的， 可作为一种背景异常进行校正。 对于巷道内的其他孤立 的金属机电设备 如变 压器 、 电动机 、 密集钢梁支护、 掘进机 、 钻机等 ， 是矿 井瞬变电磁法超前探测的强干扰体 ， 对资料处理 和 解释的影响极大。因此在实测时应偏 移测点位置 ， 尽量避开干扰体 ， 同时做好记录 ， 以便在资料解释时 排除此类影响。 3 井下施工方法技术 3 ． 1 工作 装置 矿井瞬变 电磁法探测受巷道有 限空 间的限制 ， 无法采用地表探测时 的大线圈装置 ， 只能采用边长 小于 3 i n的多匝小回线进行探测。根据不 同的地质 任务和井下工作环境条件 ， 选择合适 的回线边长与 匝数 ， 回线边长通常有 1 mx l I n 、 1 ． 5 m 1 ． 5 i n 、 2 m 2 m。回线在一定的范围内线框越小 ， 其体 积效应也 越小 ， 横向、 纵 向分辨率越高。 3 ． 2 施工方法 矿井瞬 变 电磁 法 的测点 布置 方式 通 常有 “ 扇 形” 、 “ 半圆形 ” 和“ u形 ” 测点布置方式。“ 扇形 ” 布 置方式通常能有效避开掘进工作面附近的金属干扰 体 ， 能 同时进行水平方向和垂直方向的超前探测 ， 是 在掘进工作面进行超前探测常用 的测点布置方式。 “ 扇形” 布置方式超前探测分水平和垂直 2个方 向扫描 ， 水平方 向扫描左右各 5 O 。 范 围， 每 1 0 。 布置 1 个测点 ， 共 1 1 个测点 ； 垂直方向扫描上下各 5 0 。 范 围， 每 1 0 。 布置 1 个测点 ， 共 1 1个测点。测点布置如 图 2所 示 。 4应用实例 峰峰矿区黄沙矿 2 1 0 6工作面煤层倾角 5 。 ， 上帮 F 3 9断层断距变化较大， 由7 I T I 增大到近 1 0 0 m， 已 按 煤矿安全规程 规定预留了防水煤柱。为保障安 全生产 ， 需查明 2 1 0 6工作面上巷及掘进头前方范围 内是否存在导含水构造异常体。 第 4 0卷第 3期 2 0 1 3年 6月 矿 业安 全 与环保 MI NI NG S AF E I Y E NVI R0 NME NT AL P RO T EC T I ON Vo 1 ． 4 0 No ． 3 J u n ． 2 0 1 3 输大巷超前探测到的断层落差为 1 5 m， 断层反射波 极强， 图形显示非 常明显 ； 1 2 0 4 1工作面运输巷 掘进 头 西二胶带巷与 1 2 0 4 1 运输巷交叉 口向西 6 8 8 ． 8 m 处 超前探测发现 的前方小断层落差仅 为 0 ． 3 5 m； 1 1 0 0 1工作 面回风巷和 1 1 1 3 1工作面 回风巷共 6次 探测都未发现落差较大断层 ， 与巷道揭露情况基本 相符。 验证说 明， 声波远距离超前探测技术适用于快 速预报煤矿巷道掘进 头前方 1 5 0 m范围内断层 、 陷 落柱等具有差异性界面的地质异常构造体位置及其 含水性等 ， 且具有较 高分辨率。该技术 的推广应用 可减少超前钻探工作量， 提高巷道掘进速度 ， 指导巷 道安全掘进。 4 ． 2存在 问题及改进方 向 4 ． 2 ． 1 数据采集质量问题 在本项 目1 1 次探测 中 ， 2次探测受到掘进头钻 场影响 ， 部分探 测受 打孔 、 装 药 、 封孔等施工质量不 高影响 ， 造成采集的原始数据有偏差 ， 影响物探结论 的准确性。 为了保障原始数据质量 ， 就需要注意避免炮孔 、 接收孔与掘进头之间存在的钻场 ， 防止炮孔偏斜 ， 装 炸药时要确保送炸药至孔底 ， 封孔时炮泥量要足够 ， 保障炸药与围岩耦合良好。 4 ． 2 ． 2准确选择数据处理参数问题 数据处理软 件输入 的参 数一般 为通用 经验数 值 ， 在多数情况下适用但不精准 ， 需要根据实际探测 情况进行调整， 必要时可以采用几个参数分别处理， 对结果进行综合判断， 作出合理选择。 对 同一巷道条件下连续跟踪多次探测 ， 有助于 通过总结选择准确的处理参数 ， 提高预报精准度。 4 ． 2 ． 3改进 方 向 实践证 明， 声波远距离超前探测技术准确率较 高 ， 对断层 、 陷落柱 等地质异 常构造体 漏判几率较 低， 但存在误判、 多判的可能性， 容易把局部节理裂 隙或岩层界面判断为异 常体 ， 这与其 探测原理 和应 用软件 的解析能力有关 ， 需要改进。 与所有物探手段一样 ， 该技术存在多解性 ， 在资 料处理解释过程 中需加强与其他物探技术和钻探 、 水文地质资料的结合 ， 综合分析解释 ， 才能“ 去伪存 真” ， 减少误判 ， 提高预报准确性 ， 更好地 为煤矿安全 生产服务 。 参考文献 [ 1 ]王俊茹． 工程与环境地震勘探技术[ M] ． 北京 地质出版 社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ]刘志刚． 隧道隧洞施工地质技术[ M] 。 北京i 中国铁道出 版社 ， 2 0 0 1 ． [ 3 ]戴前伟， 何刚， 冯德 山．T S P 一 2 0 3在隧道超前预报 中的 应用[ J ] ． 地球物理学进展， 2 0 0 5 ， 2 0 2 4 6 0 4 6 4 ． [ 4 ]张景科， 谌文武， 雷启云． T S P 2 0 3地质超前预报原理及 其提高精度的途径[ J ] ． 天津城市建设学院学报， 2 0 0 4 ， l 0 3 1 7 0 - 1 7 3 ． [ 5 ]何振起 ， 李海， 梁彦忠． 利用地震反射法进行隧道施工地 质超前预报[ J ] ． 铁道工程学报， 2 0 0 0 4 8 1 8 5 ． [ 6 ] 刘秀峰 ， 李 忠．T S P探 测数据采 集和处 理 中应注 意 的几 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