瞬变电磁超前探测技术在山西金谷煤矿中的应用.pdf

第3 8 卷第2 期 2 0 1 5年 2 月 煤 炭 与 化 工 Co a l a n d C h e mi c a l I n d u s t r y Vo l - 3 8 No ． 2 F e b ．2 0 1 5 瞬 变电 磁超前探测技术在山 西金谷煤矿中 的应用 郭培鹏 冀中能源 邢矿集团公司 河北煤炭科学研究院，河北邢台0 5 4 0 0 0 摘 要 针对金谷煤矿周 围小窑采空 区进行探测，利用 瞬变电磁超前探测技术对含水构造反 应明显这一特性 ，定性判别小窑采空区位置 ，为巷道安全掘进提供依据。 关键词 瞬变电磁 ；超前探测；小窑采空区 中图分类号 T D 7 1 3 文献标识码B 文章编号2 0 9 5 5 9 7 9 2 0 1 5 0 2 0 0 9 4 0 2 Tr a ns i e n t El e c t r o ma g ne t i c Adv a n c e d De t e c t i o n Te c hno l o g y Ap p l i c a t i o n i n S h a n x i J i n g u M i n e GUO P e i ． ． p e n g H e b e i C o a l S c i e n c e R e s e a r c h I n s t i t u t e ， X i n g t a i Mi n i n gI n d u s t r y G r o u p ， J i z h o n gE n e r g y , X i n g t a i 0 5 4 0 0 0 , C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e d e t e c t i o n o f s ma l l p i t g o a f a r o u n d J i n g u Mi n e ，t r a n s i e n t e l e c tr o ma g n e ti c a d v anc e d d e t e c ti o n t e c h n o l o g y wa s a p p l i e d t o r e fl e c t w a t e r - b e a r i n g s t r u c t u r e a n d l o c a t e the g o a f o f s ma l l p i t ， w h i c h p r o v i d e d r e f e r e n c e f o r s a f e mi n i n g ． Ke ywo r d s t r ans i e n t e l e c t r o ma g n e ti c ； a d v a n c e dd e t e c ti o n ； s ma l l p i t g o a f 邢台矿业集团金谷煤矿主井掘进阶段，面临周 边已废弃小煤窑较多。为确保井筒掘进安全，防止 小窑透水事故发生，2 0 1 2 年 2 月 1 1日，河北煤炭 科学研究院进行完成了该巷道的井下瞬变电磁超前 探测现场工作。 1 工作区主要情况 井田位于沁水块坳郭道 一 安泽近南北向褶带的 中西部边缘地带。区内地层出露较好，自东北向西 南由老而新依次出露石炭系上统太原组、二叠系 下统 山西组 、下石盒子组 、二叠 系上 统上石盒子 组，第四系主要分布于山梁、山坡和沟谷。 井田内主要可采煤层有 2 、9 、1 0 、1 1 号 4 个 煤层 ，各煤层厚度变化相对稳定，变化规律明显 ， 结构简单 一 较简单，煤类单一，煤质变化小 ，2 号 煤层沿沟谷有较大面积的出露和剥蚀，为局部可采 煤层。9 号煤层为大部可采煤层，1 0 、1 1 号煤层为 全区稳定可采煤层。 2号煤层 位于山西组下部 ，上距 K 8 砂岩平 2 0 ．O 0 m左右。下距 K 7 砂岩底 1 1 ．2 0 m左右。据钻 孔揭露 2 号煤层厚度为 0 ．0 0 0 ．9 0 m，平均 0 ．4 5 m 。 不含夹矸。顶板为粉砂岩、砂岩、泥岩 ， 局部有炭 质泥岩伪顶，底板为泥岩、粉砂岩，该煤层结构简 单 ， 不含夹矸，属局部稳定可采薄煤层。 9号煤层 位于太原组 K 灰岩之下，K 2 灰岩 为其直接顶板，K 2 灰岩底面凹凸不平 ，9 号煤层上 距 K 2 灰岩 0～0 ． 6 1 m， 下距 1 0号煤层 0 ． 6 1 ～1 ． 3 6 m。 9 号煤层厚度为 0 ． 6 2 ～1 ．5 0 m，平均 1 ．0 0 m，结构 简单，不含夹矸 ，基本稳定，东北部不可采，为大 部可采薄煤层。 1 0 号煤层 位于太原组下段顶部，上距 9号 煤层 0 ． 6 1 ～1 ． 3 6 m，下距 1 1 号煤层 9 ． 1 6～1 8 ． 1 6 m， 厚度为 0 ．7 4 ～1 ．3 0 m，平均 1 ．0 0 m 。 ，顶板岩性为 灰黑、深灰色泥岩 ，底板灰色、深灰色泥岩 或泥 岩夹细砂岩，煤层结构简单不含夹矸。属全区稳定 可采煤层。1 1 号煤层位于太原组下段，上距 1 O 号煤层 9 ． 1 61 8 ． 1 6 m左右 ，厚度为 1 ． O 1 ～1 ． 9 5 m， 平均为 1 ．4 4 m，顶板为泥岩，底板为泥岩 、粉砂 岩，含 0 ～1 层夹矸，为全区稳定可采煤层。 主井下山巷道位于 9号煤顶板 K 2 灰岩内，由 收稿日期2 0 1 4 1 2 0 8 ；责任编辑聂明勋 作者简介郭培鹏 1 9 8 3 - ，男，河北邢台人，水文地质助理工程师。E - m a i l 7 1 4 2 5 8 0 2 8 q q ． c o rn 引用格式郭培鹏． 瞬变电磁超前探测技术在山西金谷煤矿中的应用[ J 】 ． 煤炭与化工，2 0 1 5 ，3 8 2 9 4 9 5 9 4 郭培鹏瞬变电磁超前探测技术在山西金谷煤矿中的应用 2 0 1 5 年第 2 期 于过去矿区周围存在小窑 ，此次物探 目的就是探 明 巷道掘进前方是否存在含水小窑采空。 2 瞬变电磁超前探测原理 井下瞬变电磁法是在矿井下利用不接地 回线 向 围岩发送脉冲电流，以激励探测 目 标体感应产生二 次电磁场，脉冲间歇期间，利用接收线圈观N--次 场随时间变化的响应。二次场从产生到结束 ，时间 是短暂的，这也是 “ 瞬变”一词的由来。 工作时，首先给发射线框供一脉冲电流，脉冲 电流在断开之前，发射电流在回线周围的空间中产生 稳定的磁场 一 一次磁场。当脉冲电流突然切断时， 由该电流产生的磁场也立即消失。根据麦克斯韦电磁 理论， 该一次磁场的剧烈变化会在周围介质中激发出 感应电流。由于地下有限导电率介质的欧姆损耗， 这 感应电流将迅速衰减，由它产生的磁场一二次磁场 也随之迅速衰减。这种迅速衰减的二次磁场又在其周 围的介质中感应出新的强度更弱的涡流-二次涡流。 这一过程继续下去，直到地下岩层介质的欧姆损耗将 二次磁场能量消耗完毕为止。 研究结果表明，发射电流关断后 ，感应 电流呈 环带分布，涡流极大值首先位于紧挨发射回线的介 质中，随时间的推移不断远处扩散 ，强度逐渐减 弱。扩散的速度与地下岩层的电阻率有关 ，不同时 间扩散到远处不同位置。 早期瞬变电磁场信号是由近处的感应电流产生 的，反映近处地电特征，晚期瞬变电磁场信号由远 处的感应电流产生的，反映较远处地电特征。因 此 ，观测和研究瞬变电磁场随时间的变化规律 ，可 以探测岩层 电性沿探测方向的变化 ，达到探测之 目 的，进而来解析地下良导电地质体，这便是井下瞬 变电磁探测的基本原理。 低电阻率地质体 如小窑采空区 能引起较 强且衰减慢的二次涡流场，而贫水区等高阻体引起 的二次场较弱。由于早期信号反映浅部地电特征， 晚期信号反映较深部地电断面，这样通过记录地下 二次瞬变场变化的情况可以了解不同探测内深度岩 层的电阻率变化情况， 达到探水目的。 3 瞬变电磁超前探测工作布置 河北煤炭科学研究院利用瞬变电磁侧向探测技 术 ，在主井主巷掘进工作面 距井 口6 5 m 向巷 道前方探测 ，平面上进行左 3 0 。、左 2 0 。 、左 1 0 。、正前、右 1 O 。、右 2 0 。、右 3 0 。探测，每 个角度在垂 向上又进行了顺下山 一 1 5 。、一 2 5 。、 一 3 5 。一 4 5 。一 5 5 。探测。掘进工作面瞬变超前探测 工作布置如图 1 所示。 图1 掘进工作面瞬变超前探测工作布置示意 4 瞬变电磁超前探测结果 4 ． 1侧向探测结果 除 一 1 5 。探测方向外，在其他探测角度上巷道 前方 8 0 m左右存在一处低阻异常区 图 2 ，异 常范围上小下大，异常的顶部位于 9 号煤、1 0号 煤附近向下延伸至 l 1 号煤，9号煤、1 0 号煤异常 反应不明显 ，因此分析在 1 1 号煤附近存在采空 ， 且空区积水向下有一定的渗透扩撒。 1 6 O 1 4 0 {1 2 0 碰 1 0 0 8 0 羹 器 2 0 - 8 0 1 6 0 1 4 0 1 2 0 1 o o 8 O 6 0 4 0 2 0 2 5 。探测方向 一 3 5 。探测方向 _ 4 5 o探测方向 一 5 5 o探测方向 - 8 0- 6 0 - 40- 2 0 02 0406 O U -8 0 - 6 0- 4 0 2 0 02 O4 06 O 8 O 图2 瞬变电磁侧向探测曲线 4 ． 2 矿方验证结果 根据矿方提供资料，在巷道掘进工作面布置钻 孔 ，经打钻验证，该异常区确为小窑采空区，含水 量较大，证实了本次物探对小窑含水采空区异常这 一 分析结果。 5 结 语 瞬变电磁超前探测技术对井下小窑采空区探测 效果明显，减少了突水事故的发生，确保了巷道的 掘进安全，保障了煤矿安全生产 ，为矿方以后防治 水工作提供了技术依据。 95 Ⅷ ／ 橱 蘑 器鞲