瞬变电磁法在矿井水害超前探测中的应用.pdf

第 5卷第 1 期 华北科技学院学报 2 0 0 8年 1月 瞬变 电磁 法在矿 井水 害超前探 测 中的应用① 陈永新 ， 李永军 ， 李小明 1 ．晋城煤业集 团， 山西 晋城0 4 8 0 0 7 ； 2 ．华北科技学院 ， 北京 东燕郊1 0 1 6 0 1 摘要 介绍了矿井瞬变电磁超前探测技术的原理与方法， 并以凤凰 山矿 9 煤层瞬变电磁探测为例， 分析了 瞬变电磁法在探测巷道前方及煤层顶板富水 区中的应用。通过井下探放水钻孔及实际揭露资料验证， 该方 法探测采掘工作面前方及顶板富水位置和范围是非常有效的物探方法之一， 能为井下水害预报和防治提供 可靠依据。 关键词 凤凰 山矿； 瞬变电磁； 超前探测； 富水 区 中图分类号 T D 7 4 5 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 7 1 6 9 2 0 0 8 0 1 0 0 1 7 0 4 引言 水害是影响矿井安全生产 的五大灾 害之一 。 在矿井开采过程 中， 查明采掘工作面前方及顶板 富水异常区位置是煤矿安全生产亟待解决的水害 问题 。钻探方法准确但速度慢、 成本高， 难以圈定 富水区范围， 且打钻时存在危险； 传统的直流电法 等物探技术虽效率高、 成本低 ， 但 因体积效应大等 原因造成准确率和探测距离难 以满足生产需求 ； 矿井瞬变电磁法是近几年来发展起来的在煤矿井 下巷道 内探查其周 围空间不同位置、 不 同形态含 水构造的矿井物探方法之一 ， 瞬变 电磁法存在着 很多其他物探方法所不能比拟的优点， 凭借其近 距离观测 、 体积效应小、 方向性强 、 分辨率高、 对低 阻区敏感 、 施工快速的优点 ， 可以有效地探测巷道 周围 1 0 0 m范 围内的老空水 ， 已成为煤矿水害探 测的最佳选择 。通过选择合适 的装置形式 ， 应 用瞬变电磁法探测井下采掘工作面前方及顶板的 含水性。 笔者在山西晋城凤凰 山矿 9 煤层 掘进巷道 超前预报 中采用 了矿井 瞬变 电磁法 ， 对该矿 回风 巷掘进头前方一定范围内的富水 区进行了探测 ， 探测结果与钻探验证结果基本吻合 ， 取得 了良好 的应用效果。 1 矿 井瞬变 电磁法基本原 理[ 2 _5 ] 瞬变电磁法 T E M 是利用不接地 回线 大 回 线磁偶源 或接地线源 电偶源 向地下发送一次 场 ， 在一次场的间歇期间， 测量地下介质的感应 电 磁场 二次场 电压随时间的变化。该二次场的 大小及衰减速度与地下地质体有关， 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 。 矿井瞬变 电磁法是利用不接地回线向巷道周 围空间发射一次脉冲磁场， 在一次脉冲磁场间歇 期间， 利用线圈观测二次涡流场的方法。简单地 说 ， 瞬变 电磁法 的基本原理就是 电磁感应定 律。 其基本工作方法是 于井下巷道 内设置通 以一定 电流的发射线圈， 从而在其周围空间产生一次电 磁场， 并在巷道周 围导电岩矿体 中产生感应 电流， 断 电后 ， 感应 电流 由于损耗而 随时间衰减。衰减 过程一般分为早、 中和晚期 。早期 的电磁场相 当 于频率域中的高频成分， 衰减快， 趋肤深度小； 而 晚期成分则相当于频率域中的低频成分， 衰减慢， 趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次 场随时间变化规律 ， 可得到不同深度的地电特征。 在 电导率为 O - ， 磁导率为 。的均匀各相同性空间 附设面积为 5的矩 形发射 线 圈， 在 回线 中供 以 r 】t 0 Z 图 1 地下感应 电流环带分布 图 2 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 典型 实例 矿井 瞬变 电磁 探测 采 用 的仪 器 为 加 拿 大 1 8 G e o n i c s 公 司 P R O T E M- 4 7瞬变电磁系统 ， 该仪器 具有抗干扰 、 轻便 、 自动化程度高等特点。数据采 集由微机控制， 自 动记录和存储 ， 与微机连接可实 现数据回放 。 本次瞬变 电磁法探测选用 发射 电流为 1 A， 频率 2 5 H z ， 发射线圈 22 m 6 4匝 ， 接收线直径 0 ． 6 m， 发射 一接收间距为 5 m。本 次矿井瞬变电 磁法超前探测装置采用 的多 匝重叠 回线装置 ， 发 射线框和接收线框分别 为匝数不等、 且完全分离 的两个独立线框， 以便与煤层顶板含水异常体产 生最佳耦合响应。为探测工作面迎头前方的含水 构造的发育情况 ， 实 际测量时采用多方 向及多组 的数据 采 集 ， 以减 小 探 测 环 境 干 扰 数 据 的有 效性 。 3 ． 1 探测巷道掘进前方岩层的富水性 凤凰山矿 9 5 3 1 2工作面进风巷掘进过程中， 地质调查得 知前方可 能存 在多年前形成 的采空 区， 根据水文地质条件分析采空 区可能存在积水 ， 但不能确定是否确实存在采空区及采空区的准确 位置。为了保证巷道掘进安区 ， 在掘进头处利用 超前探测装置进行了瞬变 电磁超前探。探测结果 显示 见图2 ， 掘进头前方约 3 7 m处存在大的低 阻异常区， 可能有采空区积水。 图 2 9 5 3 1 2工作面进风巷水平超前 探测视电阻率断面图 横坐标为超前探测距 离／ 米 ， 纵坐标为探测角度／ 度 为验证物探结果并 指导工作面设计 ， 在采取 维普资讯 第 1 期 陈永新等 瞬变电磁法在矿井水害超前探测中的应用 相应措施下打钻探验 。朝巷道正前钻探时 ， 进尺 到 3 5 m处 出水 ， 防水量达 2万多立方米 。与探测 结果相符， 避免了采空水害的发生， 确保了矿井的 生产安区。 图 2横坐标为超前探测距离 ， 纵坐标为探测 角度 ， 曲线为富水性分析指标等值线 ， 不同色界代 表视电阻率相对高低， 数值越小， 视电阻率越低， 富水性相对也越强 。 3 ． 2 探测巷道顶板富水性 回风巷用于井下空气循环 ， 在煤矿开采 中必 须保证安全 。将瞬变 电磁法应用于煤矿井下探测 采掘面顶板富水异常 区， 一方面为布置探放水钻 孑 L 位置提供依据 ， 另一方面通过探 放水钻孑 L 提前 疏放异 常 区 内裂 隙水 ， 可 以确 保 工 作 面 安 全 回采 。 图 3和图 4为凤凰 山矿 9 2 3 1 1 掘进工作面顶 板富水性矿井瞬变电磁探测视 电阻率等值线拟断 面图， 图中横坐标为巷道内靠近工作面侧帮布置 测点坐标 ， 纵坐标为沿探测方向 图 3 、 4所示的 距离， 图中等值线上数值 为视 电阻率值 ， 单位 为 Qm。 6 o 了 o 8 o ∞ 1 o 01 1 O1 2 01 3 01 4 o 1 ∞ 1 6 o1 7 o1 ∞ 1 ∞ 2 ∞ 2 1 0 2 2 o 2 3 o 2 4 O 2 5 0 2 6 o 2 7 o 2 8 。 2 9 o 3 ∞ 3 1 0 3 2 0 3 3 0 3 4 0 3 5 0 3 6 0 3 7 0 3 8 0 3 ∞ 4 0 0 4 1 0 4 2 0 4 3 0 4 4 0 4 5 0 4 6 0 4 7 0 4 8 0 4 9 0 5 0 0 5 1 0 5 2 0 5 3 0 5 4 0 5 5 0 5 6 0 图 3 9 2 3 1 1工作面斜向上 4 5度探测方 向顶板视 电阻率等值线 图 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 o 1 8 0 2 0 0 2 2 0 2 4 0 2 6 0 2 8 0 3 0 0 3 2 0 3 4 O 3 6 o 3 8 0 4 0 0 4 2 0 4 4 O 4 6 0 4 8 O 5 0 0 5 2 0 5 4 O 5 圈 图 4 9 2 3 1 1工作面 回风巷顶板视 电阻率等值线 圈 l 9 维普资讯 第 5卷第 1 期 华北科技学院学报 2 0 0 8年 1月 结合岩性组合情况及探测环境的干扰情况， 分析图中视电阻率等值线变化规律可以看出 1 1 6 0～1 7 0 m段 ， 在 4 5 。 探测方 向出现高 阻 异常区， 而在其上部垂直方 向约 5 0 m左右 ， 则 出 现低阻异常区， 异常区等级为 A B ， 可能采空区存 在少量积水。而在垂直顶板探测方 向则 出现明显 的电性错位现象 ， 使 1 7 0 m以后电性低阻异常区 较 1 6 0 1 T I 以前段有所抬升。推测在此部位工作 面 顶板可能存在一类似断层的电性异常区块。而在 9 2 3 1 1工作面内部可能存在一不含水 的松散部位 或不含水陷落柱 。 2 在探测范围内， 9号煤层顶板 5 0 m以上 ， 不存在较大 的赋水体或赋水构造。 经过打钻验证未发现大的积水 区， 有小 的淋 水 ， 与探测结果基本相符 。 4 结论 1 通过瞬变 电磁法在凤凰 山矿 9号 煤层掘 进巷道的示范性应用 ， 证实该方法在探测采掘工 作面前方及顶板富水性方面是非常有效的物探方 法。能为布置探放水 钻孔位置提供依据 ， 并通过 探放水钻孔提前疏放异 常区内裂隙水 ， 为水害预 报和防治措施的提前制定提供可靠依据 ， 从而确 保工作面安全 回采。 2 该方法仪器具有抗干扰、 轻便 、 自动化程 度高等特点； 数据采集由微机控制， 可实现数据回 放； 探测装置轻便， 工作效率高； 采用发射线框和 接收线框分别为匝数不等、 完全分离的两个独立 回线 ， 与煤层顶板含水异常体产生最佳耦合响应 ， 提高信噪比， 有利于异常区的识别 。 3 瞬变电磁技术分辨率高但易受干扰。实 施探测时， 应采取一定的抗干扰措施 ， 如调高电流 强度 ， 选用多重复频率。同时， 井下巷道 内应清理 干净 ， 电缆尽可能断电。发射线 圈和接收线圈尽 量远离金属体 ， 且附近最好无积水 。总之 ， 要尽可 能创造有利的探测环境 ， 保障探测效果 。 参考文献 [ 1 ] 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 - 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