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科技信息 工 程技 术 矿井瞬变电磁法在潘二煤矿 1 1 2 2 3底 祓萱超前搽测 巾硇 应用 淮 南矿 业 集 团 程锐 [ 摘要 ] 本 文从 超前预测 预报巷道 前方 富水性 着手 ， 利 用瞬 变电磁 法 ， 结合 地质控层钻 孔资料进行 分析 ， 确 定巷道 前方低 阻异常 区， 如灰岩含 水层 、 富水溶洞 ， 从 而保障巷 道在 施工过程 中的安全掘进 。 [ 关键词 ] 超前探 测 瞬变电磁 法低 阻异常区 潘二煤矿于 1 9 8 9年 1 2月投产 ， 设计生产能力 2 ． 1 Mt ／ a ， 随着高位技 改工作的逐项完成 ， 矿井产 量逐年提升 ， 2 0 0 9年实际生产能力 3 1 6 ．7万 吨 ， 预计到 2 0 1 2年矿井生产能力达 4 ． 5 Mt ／ a 。截至 2 0 0 9年底 ， 矿井剩余 可采储量 1 9 2 7 3 ． 6万吨 ， 其中 A组煤可采储量 7 4 9 3 ．6万 吨 ， 占矿井可采 储量的 3 8 ． 8 ％。为保 证矿井可持续发展 ， 实现矿井跨越式发展 的奋斗 目 标 ， 解放 A组煤 ， 势在必行 。 1 ． 工程概 况 潘二 煤 矿 1 1 2 2 3底 板 放水 巷 平 面设 计 总 长 1 8 2 0米 ，设 计标 高 一5 0 6 m一 5 6 0 m。从东一和西二相向施工 ，整体施工层位位于 C 灰岩 中 ，该层 灰岩距 上覆 A 煤 层底 板法距 为 l 5米 ， A组煤层 为强 突 出煤 层。 C 灰岩距下伏C 。 灰岩法距为8 ～1 0 米， 其中C 。 。灰岩为含水层。 由 于 1 1 2 2 3 底板放水巷整体施工在 C 灰岩中， 巷道在掘进过程中受到底 板 C 灰岩水的严重威胁， 其中西一的 1 2 放 1 孔和 l 2 放 2 孔， C 灰岩水 初始压力分别达到 3 ． 6 0 MP a和 3 ． 8 0 MP a 。 2 0 0 9年 6月 2 6日，矿 井一 水平 A组煤 东一 采 区轨道 上 山下 口 G D1 钻场 1 样放水孔施 工至 9 7 ． 5 m处 发生一起严重 瓦斯 喷出现象 ， 高值 超限持续时间 4 1分钟 ， 共喷出瓦斯 6 7 0 0 m 。 后来查明 瓦斯气源来 自灰 岩煤 系地 层 ； 贮气空 腔及导气通 道为灰岩 的溶洞 、 溶 隙 ； 喷孔 现象产生 是钻孔触及含气溶洞中高压瓦斯所致 。 由上述分析知该巷道掘进受到瓦斯和底板水 的双重威胁 。 本着 “ 有 掘必探”的原则 ，潘二煤矿对 1 1 2 2 3掘进巷道进行 连续跟踪预测 与预 报 ，利用富水区和瓦斯蓄积空腔 与正常围岩之 间的电性差异作为探测 基础 ，通过瞬变电磁方法查 明巷道 掘进前方 电性低 阻异常区的具体位 置 ， 结合巷道在实际掘进过程 中， 施 工控层钻孔准确控 制前方煤层及灰 岩层位信息 ， 可 以大大提高探测解释 的准确性 。 2 ． 矿井瞬变电磁 方法技术 2 ． 1 技术原理ll _ 图 1 双极性 电流脉 冲示意 图 图 2瞬变电磁场后延下降 图 3瞬变 电磁感应原理 图 I_ 图 4全空间电磁场“ 炯圈” 扩散示 意图 瞬变电磁 法属时间域电磁感应方 法。其探测原理是在发送 回线 上 供 一个 电流脉 冲方波 图 1 ， 在方波后沿下 降的瞬间 ， 产 生一个 向回线 法线方 向传播 的一次 磁场 ， 在一 次磁场的激励 下 ， 地质体 将产生涡 流 ， 其大小取决于地质体的导电程度 ， 在一 次场消失后 ， 该涡流不会 立即消 失 ， 它将有一个过 渡 衰减 过程 图 2 。该过渡过程 又产 生一个衰减 的 二次磁 场向掌子面传播 ， 由接收 回线接 收二次磁场 ， 该二次磁场 的变化 将 反映地质体 的电性分布情况 。如按 不同的延迟时间测量二次感 生电 动势 v t ， 就得 到了二次磁场 随时间衰减 的特性 曲线 。如果没有 良导体 存 在时 ， 将 观测到快速 衰减 的过 渡过程 ； 当存 在 良导体 时 ， 由于 电源 切 断的一 瞬间 ， 在导体内部将产生涡流 以维 持一次场的切断 ， 所观 测到的 过渡过程衰变速度将 变慢 ， 从而发现导体的存 在 图 3 。 瞬变电磁 场在大地中主要以“ 烟圈“ 扩散形式传播 图 4 ， 在这一过 程 中， 电磁 能量直接在 导 电介质 中传播而消耗 ， 由于趋 肤效应 ， 高频 部 分主要 集中在浅表附近 ， 且其分布范 围是源下面的局部 ， 较低频 部分 传 播到深处 ， 且分布范围逐渐扩大。 传播深度 d - - 、 1 、 ／ 叮 r 传播 速度 2 0 t “k ／ l X o t 卜 _ _ 为传播 时间 ， 单 位 S ； o 一为介质 电导率 ， 单位 l ／ sq n 1 ； u 一 为真空中的磁导率。 根据 理论分 析 ，瞬变电磁测深 与发送磁 矩覆 盖层电阻率及最小可 一 2 9l一 科技信息 工 程技 术 分辨 电压有关。 由 2 式得 t 2 1 0 z 观测时间 t 与表层电阻率 ， 发送磁矩之间的关系为 t [ ] 了 3 4 其中 M 一为发送磁矩 ， p 广 为表层电阻率， 一为最小可分辨电压， 它的大小与目 标层几何参数和物理参数，还与观测时间段有关。联立 3 、 4 式 ， 可得 上 ⅢI 5 H 0 ．5 5 f 坐 1 5 ＼ 1 1 ／ 上式为实际探测时用来 计算最 大探测深度公式 。 为采用地质体本身物性参数一电阻率来直观表达地质体的导电性 情况， 采用晚期公式计算视电阻率， 由于全空间与半空间电磁场的分布 差异 ， 其计算公式 为 p 。1 K x 6 式 中 K 全空间效应 系数 ， 无量纲 ； V广 实测电磁 场的垂直分量感应 电动势 ， 单位 u v ； 2 ．2工作方法 2 ． 2 ． 1 设备组成 矿井瞬变电磁法的应用受巷道空间限制 ， 其工作装置与地面大线 圈工作方式不 同， 只能采用 多匝小 回线 ， 通常 回线边长为 2 m， 根据 瞬变 电磁法多种装置方 法之间的对 比分析 ， 重叠 回线具有施工方便 ， 异常响 应幅度大 ， 分辨能力 强的优点 ， 为矿井瞬变 电磁主要工作装置 。因此矿 井瞬变电磁得以大大简化 ，主要为接收一体化的主机以及重叠线圈两 个 部分 ， 实际应用非常方便 ， 1 到 2人可完成现场探测 。 2 ．2 ．2探测环境条件要求 瞬变电磁场对低阻体反应敏感， 故而得以广泛应用。 矿井巷道掌子 面附近存在多种电磁噪声， 如臬不设法避免 ， 目标响应信号会淹没于电 磁噪声 中， 因此必须进行有效 的摆脱 干扰 ， 现 场探测 时掌子面附近通 常 要求做到 1 不能有大型金属物， 施工机械应撤 出较远位置 ； 2 迎头工作面 电器开关要断 电。 2 ． 2 _ 3现场探测布置 巷道掘进， 其主要是探测巷道预掘地段地质体的电性分布， 另外也 需考虑预掘巷道两侧的岩层富水性分布情况，因此现场要求对预掘巷 道左 右帮 和顶底板岩层 的电性分 布进行 探测 ， 依 据实际需要 ， 进行合理 布置 ， 如图 5所示 ， 从 巷道掌子 面左 帮开始 ， 使重叠天线 的法线垂直 巷 道左帮断面 图5中的 1 号测点 ， 然后旋转天线， 使天线的法线方向与 巷道 的左侧分别成 6 O 。 、 4 5 。 和 3 O 。 的夹 角进行探测f 图 5中的 2、 3和4号 测点 。当天线的法线方 向与巷道掌子面垂直时 ，根据掌子面宽度布置 2 3 个 测点 图 5中的 5 、 6和 7号测点 。到巷道右 帮时 ， 类似左帮方法 分别成 3 O 。 、 4 5 。 、 6 O 。 和 9 0 。 的夹角进行探测 图 5中的 8 、 9 、 1 0和 1 1 号测 点1 ， 从而实现从多个 角度采集 数据 ， 为扇形观测系统。 9 lO ll 图 5 T E M超前测线布置示意 图 为 了对 顶 、 底 板深度范围 内岩层进行探测 ， 现场采用一定 的偏转角 度对顶 、 底 板进行 扫描 图 6 ， 其 中对顶板 3 O 。 和对底板 3 O 。 ， 按法线方 向 l O O m计算 ， 则 控制最大深度为 5 0 m， 这 样可以探测 巷道上 、 下一定范 围 内岩层 富含水状况 。 2 ． 3资料解释 从岩性物性差异 的角度 ， ～般变化规律认 为泥岩 、 粉砂岩 、 中砂岩 、 粗砂岩、 砾岩到煤层、 灰岩， 电阻率逐渐增高， 即煤层、 灰岩相对其它岩 ． - - 2 92．．- 层为高 电阻率 阻层 ，若岩层含水 ，则随着其含水率 的增加 电阻率值减 小 ， 因此岩层 电阻率发生变化除与岩层岩性本身有关外 ， 其含水性也起 决定作用 ， 故在 灰岩等 高阻地 层中 ， 地 层含水 ， 表现为低 电阻率值 ； 相 反， 则表现高 电阻率值。 因此 ， 利用视电阻率值 的高低对掌子面前方岩层富水性进行判定 。 巷 道 断 ＼ ／ 铡 方 向 ／ 巷 道 发射线框 3 ＼ 巷道 底 扳 1 超前顶扳探测 巷道断面 ， 巷道 ■- 发射 线框 探测方I 巷道 底 板 2 超前顺层探浏 巷 道断面 ／ 巷 道 笈射线 框 ＼ ＼ 探 泓 方 f 、 巷 道 底 板 3超前 底板探 测 图 6顶底板超前探测方 向 3 ． 巷道掘进连续追踪超 前探测效果 为保障潘二煤矿 1 1 2 2 3底板放水巷安全 、 快速掘进 ， 定期采用矿井 瞬变 电磁方法进行 超前 预测预报 。正常情况下 ，超前探测距离可达到 1 0 0 m，但受现场电磁噪声水平和实际地质条件 ，探测距离有一 定的波 动， 其范围小于 l O m， 由于瞬变电磁晚期信噪比相对较低 ， 现场探测实 际控制距离一般小于 8 0 m， 超过控制距离时 ， 需进行下一次预测预报。 图7为 1 1 2 2 3 巷道超前探测其中的一次视电阻率结果， 从中可以看出， 视电阻率高低起伏 ， 分辨 明显 。至 目前 为止 ， l 1 2 2 3共进行 l 2次跟踪探 测， 共发现低阻异常区 1 7 处 其中6 处与实际揭露地质异常吻合， 并且 定位准确 ； 1 处为钻孔钻探验证， 定位准确； 8 处巷道未实际揭露， 暂时 无法验证。2 处 为假报 。 从验证结果上看 ， 有虚报的假异常， 但真正的地 质异常无一漏报 ， 即漏报率为零 。 ⋯ ⋯ 一 一 ⋯⋯ ⋯⋯ 品 ⋯⋯ ⋯⋯ 一 蒜 ； ⋯ ⋯ 一 ； 。 ⋯ l ⋯ l t 。r l l l I I ■■ 图 7 2 0 1 0年 2月 2 3 13掌子面前方瞬变电磁探测结果 在 6 处 实际揭露 的地质异常 中， 有 3处为断层面导水 水量很小 ， 1 处为 上灰岩出水 水量 0 ．2 m 3／ h ，2 处为裂隙发育带。 在 1 处钻探揭露 的异常区为灰岩水与瓦斯喷出 水量 2 m 3 ／ h 。 4 ． 结束语 应用效果证明 ， 在巷道掘进过程中循环控层 ， 利用钻 L 首先控制煤 层及灰岩层位 ，可 以大大提高瞬变电磁法在掘进头超前探测前方构造 破碎带 、 裂 隙发育区等富水异常区的有效性和实用性。但该方法需做进 一 步研究 ，如解释低阻异常 区范围偏大 ，岩性破碎 造成 的误报无法排 除， 现场受影晌因素较多， 理论上急需研究出超前探测装置本身的解释 模型， 从而提高解释精度， 使这项技术更好地为矿井安全生产服务。 1 9 9 8 参考文献 [ 1 ] 蒋邦远 实用近 区磁源瞬变电磁 法勘探 [ M ] 北京 地 质 出版社 [ 2 ] 牛之链． 时间域 电磁 法原理 [ M]长沙 中南工业出版社 ， 1 9 9 2 一 T t 』头 ～ 迎 ；詈 6 ● ● 上 ● ● ● ● 0 ● ● ● ● ● ● 』 蛐 ． 5 ．_ L巷 ]
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