矿井瞬变电磁勘探技术在煤矿采空区超前探测中的应用.pdf

第 1期 2 0 1 4年 3月 水力采煤与管道运输 HYDRAUL I C C OAL MI NI NG ＆ P I P E LI NE TRANS POR TA TI ON No ．1 Ma r ． 2O1 4 矿 井 瞬变 电磁 勘 探 技 术在 煤 矿 采 空 区超 前 探 测 中 的应 用 汤怀念 郑煤 集 团超化 煤矿 河 南 新 密 4 5 2 3 8 5 摘要 为 了查 明郑煤 集团超化煤 矿采 空 区富水性 特征 ， 运 用瞬 变电磁 勘探 技 术对前 方采 空 区 进行探 测 ， 探测过 程 中采 集 了 3组感应 磁 场 强度数 据。通过 对采 集到 的数 据进 行分 析和 处 理 ，采空 区内存在低 阻异常 区， 通过对富水 区进行探 放水 ， 确保 了工作面的安全掘进。 关键词 瞬变电磁 超前探 测 采空 区 富水性 中图分 类号 T D 7 4 5 ． 2 1 文献标 识码 B 文章编 号 1 0 0 6 0 8 9 8 2 0 1 4 0 10 0 6 40 3 超 化 煤 矿 2 3 0 5 2上 付 巷 掘 进 过 程 中 将 从 2 1 0 9 1回采工作面采 空 区附近 穿过 ， 掘 进层 位 于 二叠 系山西组二 煤 层之 中。为查 明采空 区 内的 富水情 况 ， 防止 突水 事故发 生 ， 采 用矿 井 瞬变 电 磁法勘探 技 术在 掘 进迎 头对 前方 采 空 区进行 探 测 ， 为工作面 的安全掘进 提供 了相应 的技术资 料。 1 项 目内容 ① 探测 2 3 0 5 2迎头前面异常区情况 。 ②探测掘进头 3 O 。 向上 ， 顺层及 3 0 。 向下的低 阻体异常及分布范 围。 ③对测 区 内煤层 开 采 或水 害 治 理提 供 物 理 探测技术依据 。 ④为布置探防水钻孔设计提供依据和参考。 ⑤ 矿井 瞬变 电磁 法 勘探 装 置 类 型采 用 重 叠 回线组合装 置 ， 边长 1 ． 5 m 的激 发 和接 收正方 形 线圈 ， 激发线圈 匝数 1 6匝 ， 接 收线 圈匝数 4 0匝。 供 电电流档 为 4 A， 供 电脉宽 1 0 ms ， 采样率 l 6 s 。 每个测点至少采用 3 0次叠加方式提高信噪比， 确保 了原始 数据的可靠性。 2 矿 井瞬变 电磁 T E M 的原理及 特点 矿井 瞬变 电磁 和 地 面瞬 变 电磁 法 的 基 本原 理一样 ， 理论上也完全可以使用地面电磁法的一 切 装 置及 采集 参数 ， 但 受 井下 环境 的影 响 ， 矿井 瞬变电磁法 与地 面 的 瞬变 电磁 法 的数 据采 集 与 处理相 比又有很 大的 区别 。 由于矿 井轨道 、 高 压 环境及小规模线框装 置的影 响 ， 在井下 的探测 深 度很受 限制 ， 一 般可 以有 效解 释 1 0 0 m左 右 。另 外地面瞬变法为半 空间瞬变 响应 ， 这 种瞬变 响应 6 4 来 自于地表 以下半 空间层 ， 而矿井 瞬变 电磁 法为 全空 间瞬 变 响 应 ， 这种 响应 来 自回线 平 面上 下 或两侧 地层 ， 这对确定异常体的位置带来 很大 的困难 。实际资料 解释 中 ， 必须结合 具体地 质和 水文地 质情况综合分 析 。 矿井 瞬变 电磁 法特 点 ①受 矿井巷 道 的影 响 矿井瞬 变电磁法 只能 采用边 长 1 ． 5 r f l 的多匝 回线 装置 ， 这 与地 面瞬变 电磁法 相 比数据 采集 劳动强 度小 ， 测 量设 备轻 便 ， 工 作效 率高 ， 成 本低 ； ② 采 用小 规模 回线 装置 系统 ， 保 证 了数据 的质 量 、 降 低体 积效 应 的影 响 、 提高 勘探 分辨 率 ， 特别 是 横 向分 辨率 ； ③ 井 下测量 装 置距 离异 常体更 近 ， 提 高 了测量 信号 的信 噪 比， 经验 表 明 ， 井 下测 量 的 信号强度 比地 面 同样装 置及 参 数设 置 的信 号 强 很多 ； ④ 地面瞬变 电磁法 勘探一 般只能将 线框 平 置于地面测量 ， 而井下 瞬变 电磁 法可 以将 线 圈放 置于巷道底板测量 ， 探测 底板 一定深度 内含水 性 异常体垂 向和横 向发 育规律 ， 也 可 以将 线圈直 立 于巷 道 内 ， 当线 框 面平行 巷道 掘进 前方 ， 可进 行 超 前探测 ； 当线 圈平 行 于巷 道侧 面煤 层 ， 可探 测 工作 面内和 顶底 板一 定 范 围 内含 水低 阻 异 常体 的发育规律 ； ⑤矿井 瞬变 电磁 法对 高阻层 的穿透 能力强 ， 对低 阻层 有较 高的分辨 能力 。在 高阻地 区如果用 直流电法 勘探要 达到较 大 的探测 深度 ， 须 有较 大 的极距 ， 故其 体积 效应 就大 ， 而在 高阻 地 区用较 小的 回线 可达 到较大 的探测深 度 ， 故在 同样 的条件 下 瞬变 电磁 法直 流 电法 的体 积效 应 小得多 3 矿井瞬变电磁法地 球物理特征 在探测富水 区的位置 及其 分布 范 围等 方面 ， 2 0 1 4年 3月 汤怀念 矿井瞬变电磁勘探技术在煤矿采空区超前探测中的应用 第 1期 瞬变 电磁法 是 目前最 有效 的方法 之一 ， 其 物理基 础是 富水 区相对于周 围地层 有 明显 的电性差 异。 理论上讲 ， 干燥岩石的电阻率值很大， 但实际上 地 下 岩石 孔 隙 、 裂 隙总是 含水 的 ， 并且 随着 岩石 的湿度 或 者含 水 饱 和度 的增 加 ， 电 阻率 急 剧 下 降 ， 即赋水性 的不均匀 程度在 瞬变 电磁参 数 图件 上 反映为 电 阻率 的 高低 变化 。 当岩层 完 整 时其 电阻 率较 高 ， 受 构造 运 动或 地下 水作 用 的影 响 ， 部 分地段岩层破碎 或裂 隙发育 ， 破 碎程度 及其 含 水 的饱和度越 大 砂 岩 、 灰 岩 富水性 增 强 ， 岩 石 的导 电性 会显 著 增强 ， 地层 电阻率会 明显 降低 ， 断面图上 会有 明显 的低 阻异 常 反 映 。正 常 情 况 下 ， 各层位 电性在 横 向上 是相对 均一 的。 当存 在 局部低阻异 常体 裂 隙带 、 富水 区等 时 ， 在断 面 上就会出现局部低电阻率异常 区。从邻近井 田 钻 孔 电测 井 资料分 析 ， 从 地表 到该 号 煤层 ， 正常 地 层 的 电阻率 是依 次继 增 的 ， 当岩层 富水 时 ， 其 电阻率会 降低 ， 和 围岩相 比较形成 低阻 反映 。为 以导 电性差异 、 电性感 应差异 作前提 的瞬 变 电磁 法探测技术 的运用 提供 了 良好 的地 球物 理前提 。 该 区含 煤 地 层 为 二 叠 系 、 石 炭 系地 层 ， 煤 层 、 围 岩 、 富水 区与导 水通 道 的 电阻率 差异 明显 ， 具 有 良好的瞬变 电磁法勘探地质条 件 。 4工作布置 、 技术措施及质量评述 4 ． 1 工作布置 该 次矿井 瞬 变 电磁 法勘 探 试 验 在 2 3 0 5 2迎 头位置 。超前探测 布置测 线 3条 ， 通 过在 掘进头 移动发射接收线 圈 ， 形成 3条 超前探 测 的实测剖 面 。如 图 1所示 。 图 1 井 下施 工线 框摆 放角 度示 意 4 ． 2 施工技术措 施 矿井瞬 变 电磁 法 勘探 装 置类 型采 用 重 叠 回 线组合装置 ， 边 长 1 ． 5 m的激 发和 接 收正 方形 线 圈 ， 激发 线 圈 匝数 1 6匝 ， 接 收 线 圈 匝数 4 0匝。 供 电电流档 为 4 A， 供 电脉宽 1 0 ms ， 采样率 1 6 I x S 。 每个测点 至少 采 用 3 O次叠 加 方式 提 高信 噪 比， 确保 了原始数据 的可靠性 。 4 ． 3 质量评述 矿井瞬变 电磁 法勘 探试验 数据 采集 ， 严格 按 瞬变电磁法技术规程 电阻率测深法技术规 程 执行 ， 并通 过 多次 叠加 ， 提高 信 噪 比等方 法 ， 保 证 了该次试验 的数据采 集 ， 从而保 证 了施工 质 量 5 2 3 0 5 2迎头超前探资料解 释 5 ． 1 等视 电阻率扇 形剖 面 图 斜 向上 3 O 。 方 向 资料解释 图 2为 2 3 0 5 2迎 头前 方顺层方 向等视 电阻率 探测 扇形 剖 面 ， 图 中深 色 区域 为低 阻异 常 区 ， 共 o 0 _ 8 o 0 O O 2 o 40 60 8 口 1 0 。 图 2 2 3 0 5 2迎 头等 视 电阻率 扇形 剖 面图 斜向上 3 0 。 方向 获得低阻 异常 区 2处 ， 为异 常 一 、 异 常二 低 阻异 常区 。资 料 解 释 ① 异 常 一 低 阻 异 常 区 位 于 2 3 0 5 2迎头斜 向上 3 0 。 方 向左侧 帮 ， 前 方偏左 6 0 9 O 。 ， 相对距离约 6 5～ 1 0 0 m处。②异常二低阻 异常区位于 2 3 0 5 2迎头 斜 向上 3 0 。 方 向右 侧 帮 ， 前 方偏右 1 0 。～9 0 。 ， 相对距离约 6 0～1 0 0 m处 。 5 ． 2 等视 电阻率扇形剖 面图 顺层 方 向 资料解 释 6 5