矿井瞬变电磁法应用于巷道掘进工作面赋水性超前探测.pdf

第 3 6卷第 1期 2 0 1 5年 2 月 建 井 技 术 M I NE C0NSTRUCT1 0N TECH N0L0GY Vo 1 ． 3 6 NO ． 1 Fe b． 2 O1 5 矿井瞬变电磁法应用于巷道掘进工作面 赋水性超前探测 李平元 山西宏厦第一建设 有限责任公 司， 山西 阳泉0 4 5 0 0 8 摘 要 介绍 了矿井瞬变电磁法基本原理 、 特点及施工方法。阳煤集团五矿赵家分 区井底 车场轨道大巷施工中， 采用该物探方法， 对掘进工作面前方地层赋水性进行 了超前探测， 并对 探测结果进行了钻探验证， 证实 了物探结果的正确性。实践表明， 矿井瞬变电磁法探测 ， 施工 效率 高 ， 操 作简 单 ， 能够有 效地探 测巷 道掘进 工 作 面前 方 顶底 板 含 水 情况 ， 为 施 工 安全 提供 保 障。 关 键词 矿 井 瞬变 电磁 法 ； 超 前探 测 ； 巷 道 ； 钻探 ； 验证 中图分类号 TD 1 6 3 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 2 6 0 2 9 2 0 1 5 0 1 0 0 2 6 0 4 M i n e Tr a n s i e nt El e c t r o ma g ne t i c M e t ho d Ap pl i e d t o Ad v a nc e De t e c t i o n o f W a t e r Be a r i n g i n He a d i n g Fa c e o f M i ne Ro a d wa y LI Pi n g y u a n S h a n xi H o n gs h a No． 1 Co n s t r u c t i o n Co mpa n y Li mi t e d ， Ya n gq u a n 0 4 5 0 0 8， Ch i n a Ab s t r a c t Th e pa p e r i nt r o du c e d t he b a s i c pr i n c i p l e， f e a t u r e s a nd c o ns t r u c t i o n m e t ho d o f t he mi ne t r a n s i e n t e l e c t r o ma gn e t i c m e t ho d ．I n 3 c o ns t r uc t i o n o f a r a i l wa y r o a d wa y i n t he m i n e s ha f t b ot t o m o f Zh a o j i a B l o c k i n No ． 5 Mi n e o f Ya n g q u a n C o a l I n d u s t r y Gr o u p ， t h e g e o p h y s i c a l e x p l o r a t i o n me t h o d wa s a p pl i e d t o t he a d va nc e d e t e c t i o n of t h e wa t e r be a r i ng i n t he f r on t s t r a t a o f t h e he a di n g f a c e ．The dr i l l i ng e xp l o r a t i o n a nd ve r i f i c a t i on wa s c o ndu c t e d o n t he d e t e c t i on r e s u l t s a nd t he a c c u r a c y o f t he g e o phy s i c a l e xp l o r a t i o n r e s u l t s wa s ve r i f i e d． Th e pr a c t i c e s s ho we d t ha t t h e mi n e t r a ns i e nt e l e c t r o m a gn e t i c m e t ho d wa s hi gh i n t h e c o ns t r uc t i o n e f f i c i e nc y a n d s i m p l e i n t he op e r a t i o n a nd c o ul d e f f i c i e nt l y de t e c t t he wa t e r be a r i ng c o nd i t i o ns of t he r oo f a nd f l o o r i n f r o n t o f t he m i n e r o a d wa y he a di n g f a c e t o pr o vi de t he pr o t e c t i o n o f t he c on s t r u c t i o n s a f e t y ． Ke y wo r d s mi ne t r a ns i e n t e l e c t r o ma gn e t i c m e t h od； a d v a nc e d e t e c t i on； m i ne r o a d wa y； d r i l l i ng e xp l or a t i on； v e r i f i c a t i o n 煤矿掘进过程中遇 到的断层破碎带 、 裂隙发 育区、 岩溶等含水构造 ， 易引发突水 ， 给施工安全 带来严重威胁。因此， 准确预测掘进前方地质体 赋 水性 ， 具有 非 常 重要 的意 义口 ] 。矿井 瞬变 电磁 法超前探测技术 ， 具有方向性强 、 分辨率高、 对低 阻体敏感 、 施工快速等特点 ， 已成为煤矿矿井水害 探测 的主要技术手段之一。现以阳煤集 团五矿赵 家分 区井 底 车场轨 道大 巷掘进 工作 面超 前物 探及 钻探 为例 ， 对 该项 技 术 在 矿井 防治 水 中的 应用 作 一 介 绍 。 1 地质概 况 阳煤集团五矿赵家分 区太原组灰岩岩溶裂隙 含水层 ， 埋藏深 ， 赋水性弱， 正常情况下 ， 各含水层 无水力联系； 但陷落柱发育尚待查清， 它对岩层的 破 坏 应 引 起 重 视 。井 底 车 场 轨 道 大 巷 标 高 2 1 0 m 埋深 8 3 8 m ， 奥灰 水 位标 高 平 均 4 3 0 m， 巷道 掘进 受到 奥灰水 威胁 。 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 - 3 1 作者简介 李平元 1 9 7 1 一 ， 男 ， 山西 阳泉人 ， 工程师。T e l 1 3 9 3 5 3 0 0 5 0 2 ， E ma i l 3 3 9 3 9 6 2 1 1 q q ． c o rn 引用格式 李平元 ．矿井 瞬变 电磁法应用于巷道掘进工作面赋水性 超前探测口] ．建井技术 ， 2 0 1 5 ， 3 6 1 2 6 2 9 第 1期 李平元 矿井瞬变 电磁法应用于巷道 掘进 工作 面赋水性超前探测 2 7 煤 系地 层 赋 水 性 对 其 导 电 性 的影 响 最 为 关 键。当岩层裂 隙发育 ， 不含水时， 电阻率将明显增 大 ； 而 当 岩层 裂 隙 发 育 ， 且 含水 时 ， 电 阻率 将 明显 减小 。通 过对 该 区域 测 井 资 料 的统 计 分析 可 知 ， 灰岩 、 粉 砂岩 、 细 砂岩 与 中砂 岩 间存 在 一定 的 电性 差异 ， 砂 岩 与煤 层 、 泥岩 间有 明 显 的 电性 差 异 ， 具 备采用矿井瞬变 电磁法探测煤层顶底板赋水异常 区的条 件 。因此 ， 确 定 采用 矿 井 瞬变 电磁 法 来 查 明 掘进工 作 面前 方煤 层顶 底板 及顺 层 方 向的赋 水 性 ， 以防导水陷落柱 、 断层造成淹区、 淹面 ， 保证施 工安 全 。 2矿 井瞬 变 电磁 法 原理 及特 点 所 谓矿 井 瞬变 电磁 法 ， 就 是 将 地 面 瞬 变 电磁 法应 用 于煤 矿井 下 。它是 在煤 矿巷 道 有 限空 问 内 进行 数 据采 集 ， 电磁 场 为全 空间 响应 ， 接 收线 圈接 收到的信号是周 围全空间范 围内岩体 的综 合反 映 。 当巷道 空 间 尺 寸相 对 于 烟 圈非 常 小 时 ， 瞬 变 电磁响应可等效为同时向上 、 向下 、 向外扩散的电 流环 ， 即“ 双 烟 圈效应 ” 。 矿 井 瞬变 电磁 法 的主要 特点 是 1 煤 矿巷 道 空间狭 小 ， 通 常采 用多 匝小 线框 装置测量 ， 无法采用 大框 回线 。井下探测设备成 本较低 ， 相对轻便 ， 探测施工效率高。 2 采用 小 回线 测量 ， 可 以布 置相 对较 密 的测 点 ， 体积效应降低 ， 横向分辨率得到提高 。同时测 量装置靠 近 目标体 ， 感应 信号较强 ， 探测灵敏度 高 ， 能够接收任意方位信号， 即能对不同方 向 如 顶板、 底板 上的不同位置隐伏构造进行探测 。 3 受关断时间的影响 ， 早期测量信号容易发 生 畸 变 ， 使 得 近 区异 常 无 法 探 测 ， 即存 在 探 测 盲 区 。 4 井 下施工 时 ， 测量 数据 容易 受 到金属 干扰 体的影响。金属干扰体对有效信号有较强的屏蔽 干扰作用 ， 有时甚至能将有效信号完全淹没 ， 给资 料 的处 理 与解释 带来 较大 困难 。 3全 方位 空 间探测 1 全 方位 空 间探测施 工 技术 矿 井 瞬变 电磁 法应用 于 煤矿井 下 巷道 掘进工 作 面超 前探 测 时 ， 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 变探 测 方 向 。此 次探 测 ， 采 用 巷 道超 前 探 测 中多 采用 的 扇形探测技术[ 。如图 1 所示 ， 共布置 1 5条扫描 线 ， 形 成 对 掘进 工 作 面 左前 方 、 正 前 方 、 右 前方 的 扇面探测。数据采集 时， 分别使探测方向指向巷 道顺层 方 向 图 2 a 、 顶 板 方 向 图 2 b 、 底 板 方 向 图 2 c ， 以实 现 对 掘进 工 作 面前 方 岩 层 的 立 体探 测 。 r I l 工 ，／ ／ ‘，／工 一 ； 迎 头 ； { h O 5 。 0 。 图 1 矿井瞬变 电磁法超前扇形探测 扫描线平面布置 a 探测顺层方 向 b 探测顶板方 向 c 探测底板方向 图 2 矿井瞬变 电磁法超前扇形探测 方向立面示意 2 装 置参 数 选择 矿井瞬变电磁法的探测能力 ， 与装 置的发射 磁 矩 ， 即与供 电 电流 、 回线 面积 和 匝数 有关 。因井 下巷道空间较小和仪器防爆要求 ， 线框边长一般 小 于 3 m， 供 电电流 一 般 小 于 6 A。实 际 探 测 过 程 中 ， 回线边长减小 ， 虽能提高横 向分辨率 ， 减小体 积效应 ， 但 勘探 深 度变 小 ， 互感 增加 。然 而 由于 受 巷道 空 间限制 ， 亦 不 能选择 较 大 回线 ， 否则 不便 于 施 工 。考 虑 到 井 下 巷 道 实 际 施 工 条 件 ， 此 次 探 测 ， 选 用 边 长 2 m 的 正 方 形 多 匝重 叠 回 线 测 量 装 置 。 实 际探 测过 程 中 ， 可 以通 过 控 制 电流 大 小来 调 节信 号强 弱 。 回线 匝数 与 总 发 射 磁 矩有 关 ， 匝 数越多 ， 接收 回线感应信号越强 ， 探测深度越大 ； 但会增加互感 ， 降低探测装置的灵活性 ] 。 总之 ， 装置 参 数 选 择 至关 重 要 。井 下 进 行 数 第 1 期 李平 元 矿井 瞬变 电磁法应用于巷道掘进工作面赋水性超 前探 测 2 9 分 析 图 3可 知 ， 在掘 进工 作 面左侧 3 0 7 5 。 扫 描 线范 围 内 ， 掘 进 工 作 面 前 方 4 0 m 处 ， 存 在 一 低 阻异 常 区 ， 范 围较 大 ， 顺 层 、 顶 板 和 底 板 方 向探 测 结果一致。此处解释为局部裂隙发育 ， 含水 。 由于矿井瞬变 电磁法接收的是二次场信 号， 在一次场影响下 ， 存在 1个 3 0 m左右的探测盲 区 即图 3中的 白化 区 。根 据 此 次 物 探 结果 ， 矿 上 在掘进工作面左侧 ， 向煤层低 阻异常 区方 向布置 了 1个 超 前 验 证 钻 孔 。当 钻 孔 钻 进 到 底 板 3 5 m 深处 时， 发现煤层潮湿 ， 并且渗水 ， 验证 了物探结 果 的正 确性 。 4结 语 1 矿井 瞬变 电磁法探测 ， 施工效率高， 操作 简单 ， 不 需要 复杂 的前 期 准备 ， 能够 有 效地探 测 巷 道掘进工作面前方顶底板含水情况 ， 为施工安全 提供 保 障 。 2 矿 井 瞬变 电磁 法 探 测 离不 开 水 文 及 钻 探 等探 测手 段 。探 测 过 程 中 ， 应结 合 各 方 面资 料 进 行综合分析 ， 以提高探测精确度。 3 巷 道施 工 环 境 对 掘进 工 作 面 前 方 地 层 赋 水性判断有一定影响 。探测盲 区的存在， 是该探 测 方法 的一 个 弊端 。 参 考 文献 [ 1 ] 赵显毅 ， 吴春 阳 ．矿井瞬变 电磁 法应用 于立井探水 [ J ] ．建 井技术 ， 2 0 1 2 ， 3 3 I 2 2 2 5 ． [ 2 ] 刘志新 ， 岳建华 ， 刘仰光 ．扇形探测技术在超前探测 中的应 用研究[ J ] ．中国矿业大学学报 ， 2 0 0 7 6 8 2 2 8 2 5 ． [ 3 ] 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 O l I ， 3 6 I i 1 8 5 2 1 8 5 7 ． [ 4 ] 姜志海 ， 岳建华 ， 刘树才 ．多匝重叠小回线装置的矿井 瞬变 电磁观测系统[ 阳．煤炭学报 ， 2 0 0 7 l 1 5 2 1 1 5 6 ． 上 接 1 O页 得 了荣誉 ， 还 为 国外 类 似 工 程 施 工 积 累 了宝 贵 经 验 。 6结 语 I 国外项 目工程施工 ， 必须提前做好现场勘 察 、 项 目沟通 、 技术准备、 物资准备 、 设备许可 、 人 员组织培训和签证等工作 。 2 国外项 目施工 ， 应 根据 中国和 当地 的规 范 标准制定科学合理 的技术方案， 作为工程安全施 工 的技 术 保 障 。 3 国外项 目应加强安全管控 ， 严格按照当地 的规范 标准 进行 许可 和检 测 。 4 现场 应建 立 实 验 室 对 施 工 用所 有 原 材 料 进行 检验 和试 验 ， 加强 质量 管控 。 5 国外 项 目施工 应尽 量 利用 当地 资源 ， 并 应 尊 重 当地 居 民 的风俗 习惯 。 参 考文 献 [ 1 ] G B 5 0 5 1 1 2 0 1 0 ， 煤矿井巷工程施工规范I S ] ． [ 2 ] G B 8 9 1 8 2 0 0 6 ， 重要用途钢丝绳[ s ] ． [ 3 ] 江 军 ．磁西煤 矿超深立 井安全优质高效施J i [ J ] ．建井技 术 ， 2 0 1 4， 3 5 5 4 - 7 ． [ 4 3 江军 ， 唐胜民． 大直径深立井 安全、 优质 、 快速施工口] ．建 井 技 术 ， 2 O 1 2 ， 3 3 4 I 卜1 4 ． 世界首 台智能控制刮板输送机研 制成 功 煤 炭信息 周 刊 2 0 1 4年第 4 o期报道 ， 世界首台高效 节能的智能控 制刮 板输 送机 ， 日前 由 宁夏天 地奔 牛 实业 集 团研制成功 。该设备 能有 效解 决传统 煤炭输 送装 备能 耗 高 、 效率低 、 可靠 性差 、 寿命短 等 问题 ， 可 实 现采 煤机 、 皮带 机等采掘系统 的双 向协 同作业 。 该设备 由天地奔牛公 司 、 AB B上海 公 司、 神华 宁煤和 天地 传动 济 源 公 司合作 研 发 ， 是世 界 上首 台真 正 意义 上的智能变 速刮 板机 。它 能根 据溜槽 上 的装 料量 ， 全范 围 自主调速 。 智能控制刮板输送 机实现 了刮板链 张紧 力启 动时 自 动张紧 ， 停机 时 自动释放 ； 启动 、 停 机时长 和加 速度 ， 依载 荷轻重 自动 控制 。运行 中 ， 刮板 链 速依 载荷 分 布、 轻重 ， 自动控制 ； 保持各 电动机功率 平衡 ， 不受 电动机 性能差 异 影 响； 自动平 滑调 整刮板 链速 ， 使 刮板链 受力 最优 ； 断单 链报警 ， 断 双链 停 机 。该 机 具 备 与工 作 面 转 载机 、 破 碎 机 、 采 煤机 以及 胶 带机 等 双 向协 同工作 、 通 讯 和 上 传 功 能 ； 具 备手动干预功能 ， 较 目前 同类 同规 格设备 降低功 率 消耗 1 5 ～4 O Y oo ， 延长使用寿命 1 ． 4 ～2 ． 5 倍 。 该项 目成果 可形 成 系列 产 品， 用 于我 国 生产 能力 为 2 ． 0 ～1 2 Mt ／ a的骨干煤矿综 采 、 综 放工 作面 ， 替代 普通 的 低效率刮板 机 ， 降 低采 煤能 源 消耗 。该 项 目核心 控制 技 术 ， 还 可用于 旧设 备改 造 ， 延 长 旧设备 使用 寿命 ， 提 高生 产效率 ， 降低运营成本 。 建信