煤矿井下综合物探超前探测技术与应用(1).pdf

第 1 0卷第 1 期 华北科技学院学报 2 0 1 3年 1 月 煤矿 井下综合物探超前探测技术与应 用① 李健 ② 许海涛 李永军 1 山西晋城煤业集团赵庄二号井 ， 山西 晋城0 4 8 2 0 5； 2 ．华北科技学院 ， 北京 东燕郊1 0 1 6 0 1 摘要 为了查明掘进巷道前方是否存在异常区， 排除富水构造给煤矿生产带来的潜在安全隐患， 采用矿井 瞬变电磁法和高密度电法超前探测方法， 探查巷道掘进前方的地质情况。巷道超前探测、 超前预报对于煤矿 的安全掘进有着非常重要的作用。通过实例说明， 采用综合物探手段对掘进巷道超前探测， 可以达到仅采用 一 种物探手段而不能达到的效果。在实际工程勘探中， 可以准确反映出巷道前方地质异常体的空间特征， 为 矿井 防治水害提供 了依据。 关键词 矿井瞬变电磁法； 高密度 电法； 巷道超前探测； 构造赋水性 中图分类号 P 6 3 1 文献标识码 A文章编号 1 6 7 2 7 1 6 9 2 0 1 3 0 1 0 0 4 2 0 3 O 引言 随着煤炭开采 由浅部向深部发展， 构造探测 也出现了一些新情况 、 新问题。由于深度增加 ， 地 表勘探的精度降低 ， 发展井下近距 离探测成为 目 前研究开发的主要课题。巷道掘进前方断层及其 破碎带 、 裂隙发育 区、 岩溶 、 陷落柱等构造 的赋水 性的快速准确预测、 预报对巷道安全高效掘进和 预防水 害事故 的发 生有 着非常 重要 的作 用 J 。 近年来发展出来的矿井瞬变电磁技术凭借其体积 效应小、 探测方 向性强 、 分辨率高 、 对含水低阻体 敏感 、 施工效率高等特点 ， 通过设计适合矿井巷道 条件的装置形式 ， 可 以有效的解决工作 面煤层顶 底板 、 回采煤层及巷道前方构造赋水性状态。特 别是在矿井巷道超前探测方面 ， 瞬变电磁法有着 无可 比拟的优势 。 1 基本原理 1 ． 1 瞬变 电磁法 瞬变电磁法 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 s ， 简称 T E M 是一种建立在电磁感应原理基础 上的时间域人工源电磁探测方法。利用不接地回 线 磁源 或接地线源 电偶 源 向地下发送一次 脉冲磁场 一次场 ， 在其激发下 ， 地下地质体 中 激励起的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁 场 二次场 j 。该二次场的大小及衰减速度 与 地下地质体的导电性有关 ， 如果岩石裂隙发育丰 富 ， 含水量较大， 导 电性好 ， 则 二次场衰减慢 ； 反 之 ， 二次场衰减较快。根据二次场衰减 曲线 的特 征就可以判断地下地质体的电性 、 规模 、 产状等。 美国地球物理学家 M． N ． N a b i g h a n对发射 电流关 断后不同时刻地下感应 电流场 的分 布进 行 了研 究 ， 研究结果表 明， 感应电流呈环带分布， 涡流场 极大值最先位于紧靠发射 回线的地表下 ， 随着时 间的推移 ， 该极大值沿着与地表呈 3 0 o倾角 的锥 形斜面 如图 1 向下、 向外移动 ， 强度逐渐减弱。 Z 图 1 地 下感应 电流环带分布图 1 ． 2 高密 度 电法 高密度电法是一种阵列勘探方法， 多用 于中 浅层的工程勘察 当中。与浅层地震 、 探地雷达等 浅层勘探方法相比， 高密度电法具有成本低 、 受场 地干扰小等优点 。由于这些优 点， 高密度电法 在路基勘察 、 岩溶塌 陷、 堤坝渗漏 、 水文地质和工 程地质勘查等方面广泛应用 ， 并取得了巨大成功 。 高密度 电法是一种阵列勘探方法 ， 地面电极一次 ①收稿 E l 期 2 0 1 21 1 2 6 。 ②作者简介 李健 1 9 7 9一 ， 男 ， 山西晋城人 ， 大学 毕业 ， 现任 晋煤集 团赵庄 二号井 地质测量 部部 长助理 ， 矿井 防治水 办公室 副主 任 ， 长期从事矿井地测、 生产技术及管理工作。 42 第 1 期 李健等 煤矿井下综合物探超前探测技术与应用 布设完成 ， 布设 完后统一进行数据观测。与常规 电法相比， 高密度 电法数据实现 了 自动化或半 自 动化的数据采集 ， 大大地提高 了工作效率 。高密 度电法是常规 电法电极布设和观测形式 的改变 ， 原理上没有差别。 2 探测技术 2 ． 1 瞬变 电磁探测技术 采用迎头超前探测的方案， 在局部对巷道侧邦 及顶底板进行探测时， 则采用偶极装置的方案进行 构造及富水性探测研究。掘进巷道前方构造及富水 性探测研究超前探测方案 ， 主要采用多方向水平探 测， 使探测范围形成一个 以迎头为中心点的扇形区 域。探测方 向如下图 2所示。为了了解顶底板情 况， 也可采用垂直方向的探测方案， 如下图3所示。 迎头 9 0 。 左邦 右邦 图 2 水平方 向探测方式布置示意 图 图 3 垂直方 向探测方式布置示意图 2 ． 2 高密度电法探测技术 矿井高密度电法探测采用三级超前探测法 ， 在工作面顺槽 、 切眼 、 泄水巷掘进迎头与瞬变电磁 进行 同期探测 。井下探测施工装置如图 4所示 顶板 无 M 1 N1 M r l Nn 图4 矿井高密度电法施工装置图 2 ． 3 地球物理响应特征 从 电性上分析不同地层 的电性分布规律为 煤层 电阻率值相对较高 ， 砂岩次之 ， 粘土岩类最 低 。由于煤系地层 的沉积序列 比较清晰， 在原生 地层状态下 ， 其导电性特征在纵向 上 固定变化规 律 ， 而在横向上相对 比较均一。当存在构造破碎 带时 ， 如果构造不含水 ， 则其导电性较差 ， 局部电 阻率值增高 ； 如果构造含水 ， 由于其导电性好 ， 相 当于存在局部低电阻率值地质体 。综上所述 ， 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 。这种变化规律的存在 ， 为 以岩石导 电性 差异为物理基础的矿井瞬变电磁法探测提供了良 好的地质条件 。 3 应用 实例 以赵庄二号井 1 3 0 2工作面顺槽超前探测为 例 ， 1 3 0 2工作面为带压开采工作面 ， 受奥 陶系灰 岩承压水影响较大 ， 且工作 面地质和水 文地质条 件较为复杂。工作面处 于承压水区域 ， 采掘时会 受到威胁 ， 特别是在庄头正断层等构造附近 ， 受采 动影响形成裂隙， 会造成工作面涌水异常。根据 实见水文地质资料 ， 1 3 0 4 1 巷掘进至东回以南 3 0 0 IT I 时涌水量增 大， 淋水点 以锚索 杆 孔 、 顶板裂 隙为主 ， 正常涌水量 l 5～2 5 m ／ h 、 最大 5 0 m ／ h ； 3 O～ 4 5天疏干。为避免水灾水害事故发生 ， 保证 工作面安全回采 ， 采用矿井 瞬变 电磁法及高密度 电法对 1 3 0 2工作面顺槽进行超前探测 。第八 轮 探测地点为 1 3 0 2泄水巷迎头。具体位置为 1 3 0 2 泄水横J l l t L 2 2 ． 6 m处 。 3 ． 1 探测成果 采用矿井瞬变电磁和矿井高密度电法对 1 3 0 2 泄水巷迎头进行联合探测。1 3 0 2泄水巷由于巷道 较短且迎头处有掘进机影响 ， 对本次探测影响较 大。图5为瞬变电磁水平方 向探测成果图， 图 6为 高密度电法探测成果图， 从探测成果图中只看出迎 头前方 2 8 m范围内岩体 电阻率值较低 ， 且在 2 0 i n 左右范围迎头偏右方岩体富水性相对较高些 ， 现场 掘进过程中应加强注意 图7 。 43 第 1 0卷第 1 期 华北科技学院学报 2 0 1 3年 1月 图 5瞬变电磁水 平方 向探测成果图 图6高密度 电法探测成果图 图7 1 3 0 2泄水巷迎头超前探测成 果现场对 照图 3 ． 2 探 测成 果工程 验证 在实际掘进前 ， 对本次探测成果所圈定 的异 常区， 进行了进一步的钻探考证 ， 以防止矿井水害 的发生 。根据现场钻探及掘进揭露情况分析 ， 本 次探测异常区为 1 3 0 2泄水巷横川与 D F 2探巷贯 通点处 的积水 区， 该 区域与 1 3 0 4采空区有连通关 系 ， 有大量积水积存在 D F 2探巷 内。矿方在贯通 前对该巷进行了启密闭和排水工作 ， 保证 了贯通 安全 ， 与物探结论基本相符。 4 结论 矿井综合物探方法在井下巷道超前探测方面 具有施工方便 、 对施工空间要求不高 、 成本低 、 技 术 比较成熟 、 效率高的优点 ， 特别是可以在狭小的 巷道迎头空间中工作和数据采集效率高 ， 不影响 煤矿巷道的正常掘进 。 矿井综合物探方法可有效地预测巷道掘进迎 头前方的含水异常 ， 可提前预报前方断层及破碎 带、 裂隙发育区、 岩溶 、 陷落柱等构造的赋水性， 保 障了巷道的安全 、 快速掘进。同时瞬变电磁法装置 简便、 成本低、 效率高， 能够短时间内给出结果， 为’ 巷道的快速掘进节约了大量的时间， 提高了煤矿的 工作效率 ， 因此在矿井超前探测方面值得推广。 参考文献 [ 1 ] 郭纯， 刘白宙， 白登海 ．地下全空间瞬变电磁 技术在煤矿巷 道掘 进 头的连 续跟踪 超前探 测 [ J ] ．地震地质， 2 0 0 6 ， 9 3 4 5 6 4 6 2 [ 2 ] 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 [ 3 ] 牛之琏 ．时间域电磁法原理[ 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r a n s i e n t e l e e t r o ma g n e t i c me t h o d t o p i l o t e x p l o r e t h e t a p e r s p a c e of t h e g a t e w a y h e a d i n g f a c e ．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 an d h i g h d e n s i t y r e s i s t i v i t y w e r e a p p l i e d t o s u r v e y t h e g e o l 晒 c al c o n d i t i o n s i n f r o n t o f t he g a t e w a y hea d i ng { _a c B The a p p l i c a t i o n e x a m p l e s i n d i c a t e d t h a t t h e u s e of c o mb i n e d g e o p h y s i e a l p r o s p e c t i n g t e c h n i q u e f o r t h e a d v a n c e d e t e c t i o n of an o ma l y a r e a i n s t o n e d r i ft i n g C an a c h i e v e t h e r e s u h s w h i c h c ant b e a t t a i n e d b y o I l l y u s i n g o n e g e o p h y s i c a l p ms pec t i ng m e ans ．I n a p r o s p e c t i n g l i v i n g e x a mp l e ， t h e s p a t i al f e a t u r e of ．d _ n o ma l y b o d y C an b e r e fl e c t e d e x a c t l y u s i n g t h e me tho d s 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