全空间瞬变电磁法在煤矿防治水中的应用.pdf

第3 9 卷第9 期 2 0 1 1 年 9月 煤 炭 科 学技 术 Co a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y V 0 1 ． 3 9 Nn 9 S e p t ． 2 0 1 1 全空间瞬变电磁法在煤矿防治水中的应用 于景邮 ， 刘振庆 ， 廖俊杰 ，蒋宗霖 ，孙伟涛 1 ．中国矿业大学 资源与地球科学学 院，江苏 徐州2 2 1 0 0 8；2 ．深部岩土力学与地下工程 国家重点实验室 ，江苏 徐州2 2 1 1 1 6 ； 3 ．中国煤炭地质总局 1 1 9 勘探队，河北 邯郸0 5 6 1 0 7 摘 要 针对煤矿生产和建设 中的水害源探测 问题 ，基于瞬变电磁法 “ 烟圈效应”理论 ，采用重叠 回线装置对掘进工作面前方和 回采工作面顶底板 隐伏含 导水构造进行探测 ，对测点布置和探 测方向的设计进行了 研究。结果表明在掘进工作面两侧拐角位置，同一个探测方向分别按与巷道 掘进方向呈3 0 。 、4 5 。 和6 0 。 角进行探测，不仅避免了掘进工作面常规方法超前探测时存在的盲区， 而且有利于对异常区的空间定位；对回采工作面顶底板探测时，在同一个测点探测方向按与煤层呈 4 5 。 角 向顶板和向底板探测，使得探测范围内发育 的赋水构造 与工作装置耦合最佳 ，提高了信噪比。 关键词 瞬变电磁法；超前探测；掘进工作面；含 导水构造 中图分类号P 6 3 1 文献标志码 A 文章编号0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 1 0 9 一 O 1 1 0 0 4 Ap pl i c a t i o n o f Fu l l S pa c e Tr a n s i e n t El e c t r o m a g ne t i c M e t ho d t o M i ne W a t e r Pr e v e n t i o n a n d Co nt r o l Y U J i n g C U ff ’ ，L I U Z h e n q i n g ， L I A O J u n - j i e ， J I A N G Z o n g - l i n ，S U N We i t a o 1 ．S c h o o l o fR e s o u r c e s a n d C - e o s c i e n c e s ， C h i n a U n i v e r s i t y of Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．S t a t e K e y L a b of D e e p R o c k a n d S o i l Me c h a n i c s a nd U n d e r g r o u n d E n g i n e e r i n g ， Xu z h o u 2 2 1 1 1 6， C h i na； 3 ．N o ． 1 1 9 G e o l o g i c a l E x p l o r a t i o n T e a m， C h i n a N a t i o nal A d m i n i s t r a t io n ofC o a l Geo l o gy ， H a n d a n 0 5 6 1 0 7 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e wa t e r d i s a s t e r p r e d i c t i o n p r o b l e ms i n t h e mi n e c o n s t r u c t i o n a n d mi n e p r o d u c t i o n，b a s e d o n“ t h e s mo k e c i r c l e e f f e c t ”t h e o r y o f t h 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，t h e o v e r l a p p i n g r e t u r n l i n e d e v i c e w a s a p p l i e d t o s u r v e y t h e h i d d e n wa t e r b e a r i n g fl o w s t r u c t u r e s i n t h e fr o n t o f t h e g a t e w a y d ri v i n g f a c e and i n t h e r o o f a n d fl o o r o f t h e c o a l m i n i n g f a c e a n d t o s t u d y the d e s i g n o f t h e me a s u ri n g p o i n t l a y o u t and t h e s u r v e y d i r e c t i o n ．T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t a t the t u r n i n g c o rne r l o c a ti o n s o f t h e t w o s i d e wa l l s i n t h e g a t e w a y d r i v i n g f a c e ，t h e s u rve y c o u l d b e c o n d u c t e d o n the s a me s u rve y d i r e c t i o n w i t h t h e g a t e w a y d ri v i n g d i r e c t i o n i n 3 0。 ，4 5 。a n d 6 0 。 。 T h u s t h e b l i n d a r e a e x i s t e d i n t h e c o n v e n t i o n a l g a t e wa y d ri v i n g me t h o d c o u l d b e e l i mi n a t e d d u nn g t h e p i l o t s u r v e y a n d t h e s p a c e p o s i t i o n i n g i n t h e a b n o r mal z o n e w o u l d b e f a v o r a b l e ．Du rin g t h e r o o f an d flo o r s u rve y o f t h e c o al mi n i n g f a c e， a t t h e s u rve y d i r e c t i o n o f t h e s a n l e me a s u r - i n g p o i n t ，t h e d e t e c t i o n c o u l d b e c o n d u c t e d o n t h e 4 5 。o f s e a m t o t h e r o o f and t o fl o o r ，the w a t e r s t r u c t u r e d e v e l o p e d i n t h e d e t e c t i o n s c o p e c o u l d b e b e s t c o u p l e d w i t h t h e wo r k d e v i c e a n d t h e s i gn a l a n d n o i s e r a t i o c o u l d b e i mp r o v e d ． Ke y w o r d s t r ans i e n t e l e c t r o m a g n e t i c m e t h o d ；p i l o t d e t e c t i o n ；m i n e r o a d w a y h e a d i n g f a c e ； w a t e r b e a ri n g fl o ws t r u c t u r e 矿井突水事故大多发生在富水矿井的巷道掘进 或工作面回采过程中，因此在巷道掘进和工作面回 采前 ，采用物探技术查明巷道掘进工作面前方或 回 采工作面顶底板及工作面内的隐伏含 导水异 常构造，提前采取治理措施成为矿井物探防治水的 关键所在，因此，超前预测异常构造具有非常重要 的实际意义 】 。目 前煤矿常用的物探防治水方法主 要有矿井直流电法 、无线 电波透视法、音频电透视 法和矿井瞬变电磁法等 J ，而矿井瞬变电磁法凭 借其对低阻异常体反应灵敏，方向性强，体积效应 小、横向分辨率高、工作效率高和成本低等优点， 在探测隐伏含 导 水构造 、充水钻孔 、采 空区 积水等方面取得了很好的应用效果 J 。本文基于 矿井瞬变电磁法全空 问 “ 烟 圈效应 ”理论 ，为 了 收稿日 期 2 0 1 1 0 4 2 1 责任编辑 曾康生 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 计划资助项 目 2 0 0 7 C B 2 0 9 4 0 0 作者简介于景邮 1 9 6 6 一 ，男，安徽无为人， 教授，博士生导师，博士，主要从事矿井地球物理勘探、工程与环境地球物理勘探、电磁 法勘探资料处理和解释方法等方面的研究与教学工作。T e l 1 5 0 6 2 1 9 6 9 8 7 ，E - m a i l i a m l i u z h e n q i n g 1 6 3 - e o n l l 1 0 于景邮等全空间瞬变电磁法在煤矿防治水中的应用 2 0 1 1 年第 9期 尽大可能减小体积效应 的影响，设计 了 “ 扇形” 超前探测技术和定距工作面探测技术 ，采用井下钻 孔验证的方法，发现瞬变电磁法探测结果与验证钻 孔资料吻合较好 。 1 地质一 地球物理特征 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，黏土岩类最低。 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 向上存在 固定 的变化规 律，而在横向上相对比较均一。当存在含水的构造 破碎带时，则其导电性变好，相当于存在局部低电 阻率值地质体。综上所述，当含水断层、裂隙和陷 落柱等地质构造发育时，会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瞬变电磁法探测提供了 良好 的地质条件 。 2全空间瞬变电磁法基本原理 1 “ 烟 圈效应” 理论。矿井瞬变电磁法是利 用不接地回线于井下巷道内设置通以一定电流的发 射线 圈，发射电流会在回线周 围空间中建立一个稳 定的磁场。当发射线圈中的电流突然断开时 ，在线 圈平面上下空间中就要被激励起感应涡流场以维持 在断开电流以前存在的磁场。此时瞬间的电流集中 于发射线 圈附近的岩层表面，并按 r 规律衰减 r 为发射线圈中心至观测点距离 J ，随后电流开始 扩散到巷道全空间中。在切断电流后的任一晚期时 间 t ，感应涡流在在与线圈平面平行的面内呈多个 层壳的 “ 环带”形，像是从发射线 圈中吹出的 “ 烟圈” ，故将电流向外扩散的过程形象的称之为 “ 烟圈效应” [ ，如图 1所示 。 ／ 一 、 ＼ 二／ 线 圈 ， 一 - ,t -t L ／ ≮ -， ， 、 t- tz I -- 、 - ’ _ ～ 一 Z 图 1 全空 间 “ 烟 圈” 效应 2 视电阻率计算公式。全空间瞬变电磁法探 测隐伏导 含水异常构造，主要依据是异常构 造的视电阻率值较围岩视电阻率值低。所以计算全 空间瞬变电磁视电阻率公式具有十分重要的意义。 目前全空间瞬变电磁法没有具体的公式可用， 需根据地面公式进行推导。因其基本原理与地面瞬 变电磁法基本一样，其视电阻率的定义与地面定义 也应基本相同。但全空间瞬变电磁法测量装置接收 回线 中的感应 电动势为巷道周围空间有效探测范围 内所有介质围岩电性特征的综合响应，为全空间岩 性电性特征的综合响应，故其视电阻率的计算公式 演化为 一 r 兰 、 s p L 式中 。 为真空磁导率 ；c为全空问响应系数 ；S 为发射线圈面积 ；N为发射线圈匝数 ；s 为接收线 圈面积 ；n为接收线圈匝数 ；U为接收 的归一化二 次场电位 ；t 为二次场衰减时间。 3 全空间瞬变电磁法探查技术 1 探查装置。理论上发射磁矩越大探测深度 越大，增大发射磁矩一方面可以增大发射线圈供电 电流 ，然 而根据煤矿安 全要求 ，发 射 电流不 能过 大；另一方面可以增大发射线圈的面积或增加发射 线圈的匝数 ，但是巷道有限的空间和特定的条件决 定 了地面常用的大边长 回线不能在井下应用 ；而发 射线圈匝数增加则造成 自 感加重，从而使浅层探测 的盲区增大l 8 J 。为了保证有足够的发射功率和足 够强的有用感应信息，通过多次数值模拟与物理试 验，设计了2 m 2 m的多匝数且发射线圈与接收 线圈匝数不同的方形重叠回线测量装置 图 2 ， 试验结果显示 ，该装置对探 测隐伏含 导 水异 常体效果明显 。实践表明，采用此类装置具有 轻便快捷、与巷道掘进工作面前方异常构造耦合 好 、信噪 比高等优点。 发 图2 探查装置示意 2 测点布置。当巷道掘进工作面前方存在较 1 1 1 2 0 1 1 年第9 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 9 卷 大的含 导 水异常构造时 ，会破坏煤 岩 层 的整体性从而使电性产生明显差异，含 导水 异常构造的视电阻率值会明显低于围岩视电阻率 值。通过对比左右两侧帮与掘进工作面前方的视电 阻率等值线图，可以推断出未知异常构造的位置、 空间范围及其连通情况，故布置测点如图3 所示。 预 留保护区 探测方 向 5 m 1 1 1 --1 1为探测方 向 图3 超前探测测点布置 在进行工作面顶底板富水性探测时，为了尽可 能地减小全空间瞬变 电磁法所带来的体积效应 ，应 尽可能多的增加测点。考虑其施工强度，结合多次 的试验及实际应用发现 ，测点间距 布置在 1 0 m具 有很好的探测效果。 3 施工技术。全空间瞬变 电磁法在煤矿井下 巷道内进行施工，测点间距一般选择 1 0 m。根据 多匝小线框发射电磁场的方向性 ，可认为线框平面 法线方向即为全空间瞬变电磁法探测方向。因此 ， 将重叠 回线平 面对准煤层顶板、底板或平行煤 岩层方向进行探测 ，就可反 映煤 岩 层顶 、 底板岩层或平行煤 岩层 内部的异常构造。由 于 “ 烟 圈” 沿 4 7 。 倾 斜 锥 面扩 展 ，故 设 计 4 5 。 、 9 O 。 、4 5 。 对应底板 、顺 层、顶板方 向 图 3 ，可 探测垂直煤 岩层平面前方一定范围内的所有 异常构造。其线框所在平面与顶、底板夹角 即 线框架设角度视探测要求和煤 岩层倾角而 定。若煤 岩层倾斜，则可分为 4种情况分析 面向巷道掘进工作面左侧为左侧帮，右侧为右侧 帮，巷道底板到线圈的角度按逆时针取正，顺时针 取负 。①若煤 岩层左倾角 ，掘进工作面断 面左低右高，则左侧帮相应探测角度变为 1 3 5 。 、 9 0 。 、4 5 。 ；掘进工作面位 置不变 ；右侧帮相 应角度变为4 5 。 、9 0 。 、1 3 5 。 。②若煤 岩 层右倾角 ，掘进工作面断面左高右低，则左侧帮 相应角度变为 1 3 5 。 一 卢 、9 0 。 一 卢 、4 5 。 - ／3 ；掘进工作 面位置不变；右侧帮相应角度为 4 5 。 一 卢 、 9 0 。 一 、 11 2 1 3 5 。 。③若煤 岩层下倾 ，则掘进工作面处 的相应角度变 为 4 5 。 、9 0 。 - ／ 3 、1 3 5 - ／ 3 ；左 右帮 不变。④若煤 岩层上倾 ，则掘进工作面处相 应的角度 变 为 4 5 。 J B 、9 0 。 ／ 3 、1 3 5 。 ；左 右帮 不变。 顶板 顶板 顶板 底板 底板 底板 a 底板 方向 b 顺层方 向 c 顶板方向 图4 探测方向示意 当异常构造距顶 、底板较远或位置大小不太明 确时，可采用同点多角度探测 图 5 ，改变 O t 角 度，以达到全面覆盖，使线圈与异常体达到最佳耦 合状态，获得更强的二次场信号。 4 应用实例 图5 多角度示意 1 巷道掘进工作面超前探测实例。图 6为采 用 “ 扇形”超前探测技术 所成 的图，为 了便 于分 析 ，只选取图 3中的顺层方 向的探测结果。分析该 图发现，视电阻率值整体在 5 Q m以上，说明整 体富水性 较弱 ，在 右上方处视 电阻率等值 线在 3 n m以下 ，为相对低阻异常构造发育区 图中标 出 ，推测此处含水裂隙发育。通过对 比钻孔验证 结果与探测结果发现两者吻合较好。 1 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 于景邮等 全空间瞬变电磁法在煤矿防治水中的应用 2 0 1 1年第 9期 作面探测技术所成的某工作面底板视电阻率等值线 图 ，选取 图 3中的底板方 向探测结果。分析该结果 图发现，视电阻率值整体偏大，在 1 0 Q Il l 以上， 在左下方位置视电阻率等值线小于 4 Q m，为相 对低阻异常 构造位 置 图 中标 出 ，且 其范 围较 大 ，与下部含水区连通较好 ，需特别注意 。结合钻 孔资料发现，此处含水量较大，需进行注浆改造才 能进行 回采。 测 点距离 ／ m 图7 某工作面底板探测视电阻率等值线 5 结 论 率 ／ m 1 1 通过分析岩石的地质一 地球物理特征，为 全空 间瞬变 电磁法在 煤矿井 下巷 道探测 导 含 水异常构造提供了理论依据。 2 采用多角度探测导 含 水异 常构造 ，根 据煤 岩 层倾角提 出 4种探 测角度 ，能很好地 适用于有限空间的矿井巷道中，可 以较好地确定出 异常构造 的位置、空间范围及其连通情况。 3 通过分析全空间瞬变 电磁法在井下掘进工 作面超前探测及工作面底板探测实例，结合钻孔验 证资料，表明此方法具有较好的探测效果。 参考文献 [ 1 ] 刘振庆 ，于景邮 ，胡兵 ，等 ．矿 井瞬变 电磁 法在探 查迎 头前方构造中的应用 [ J ] ．物探与化探，2 0 1 1 ，3 5 1 1 4 01 4 2． 刘树才，岳建华，刘志新 ．煤矿水 文物探 技术与应用 [ M] ． 徐卅 l 中国矿业大学出版社， 2 0 0 5 ． 刘志新 ，刘树才 ，于景 邮 ．综 合矿井 物探 技术在 探测 陷落 柱中的应用 [ J ] ．物探与化探 ，2 0 0 8 ，3 2 2 2 1 2 2 1 5 ． 纵跃进 ，鲁金海 ，程建 忠 ．瞬 变电磁 法探 测陷落 柱技术 在 袁庄 煤矿 的应 用 [ J ] ．煤 炭 科 学 技 术 ，2 0 0 8 ，3 6 6 1 0 01 0 2 ． 牛之琏 ．时间域电磁法原理 [ M] ．长沙中南大学 出版 社 ．2 0 0 7 ． N a b i g h i a n M N ．Q u a s i - s t a t i c T r a n s i e n t R e s p o n s e o f a C o n d u c t i n g H a lf - s p a c e A n A p p r o x i m a t e R e p r e s e n t A c t io n [ J ] ． G e o p h y s i c s ，1 9 7 9，4 4 1 0 1 7 0 0 1 7 0 5 ． 于景 邶 ．矿井 瞬变 电磁法勘探 [ M] ．徐州 中国矿业大 学 出版社 ，2 0 0 7 ． 张华 ，曹军 ，孙海 ．瞬变 电磁法 多匝重 叠小 回线装 置实验研究 [ J ] ．地震地质 ，2 0 1 0 ，3 2 1 9 0 9 6 ． 刘志新 ．矿井 瞬变 电磁场分 布规律 与应用研究 [ D] ．徐州 中国矿业大学 ，2 0 0 86 4 7 0 ． 姜志海 ． 巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测机理与技术研 究 [ D] ．徐州 中国矿业 大学 ，2 0 0 8 5 9 7 1 ． 上接第 4 0页 取 1 6个预抽钻孔对煤层进行高压水力割缝 ，通过 高压水力割缝从而增加煤体的暴露面积，使抽采钻 孔附近煤体局部卸压 ，改善了瓦斯流动条件 ；改变 煤体原始结构，增大煤层透气性，保证抽放效果的 同时缩短了抽放时问 ，为安全顺利揭开突出煤层奠 定 了基础。在 8号煤层底板 2 m垂距位置在巷道 的 顶部和西帮 靠断层帮施工金属骨架钻孔，对 于防止因揭开煤层后煤体出现垮落、片帮而引起的 煤与瓦斯突出起到了良好 的预防作用 。 参考文献 [ 1 ] 林光武 ． 复杂地质条件对煤层开采的影响和对策 [ J ] ．安 全 与健康 ，2 0 0 3 1 4 6 4 7 ． [ 2 ] 沈永铜，王海锋 ．复杂地质条件近水平煤层石门揭煤瓦斯 治理技术 [ J ] ．煤炭技术 ，2 0 0 7， 2 6 1 0 6 4 6 6 ． [ 3 ] 庄玉伦 ．复杂地质条件煤层开采适用技术群的研究 [ J ] ． 煤炭科学技术 ，2 0 0 0， 2 8 5 1 6 1 9 ． 施力芳 ，郭丛林 ．复杂地 质条件 下长距离 石 门揭 煤顶板 综 合治理技术 [ J ] ．煤 矿现代化 ，2 0 0 7 5 1 8 2 0 ． 李晓伟 ．复杂 地质条件 下石 门及 井筒揭煤 突 出危 险性快 速 预测研究 [ D] ．徐州 中国矿业 大学 ，2 0 0 9 1 1 3 0 ． 李志红 ，何勇 ，陶杰 ．复杂 断层 带石 门揭煤施 工技 术 [ J ] ．淮南职业技术学院学报，2 0 0 7 ， 2 2 7 3 4 ． 刘勇．高压脉冲水射流增透技术在煤矿石门揭煤中的应 用研究 [ D ] ．重庆 重庆大学 ， 2 0 0 9 1 4 8 ． 樊栓保 ．国内外煤与瓦斯突出预测的新方法 [ J ] ． 矿业安全 与环保 ，2 0 0 0 ，2 7 5 1 7 一l 9 ． 单智勇 ． 煤巷掘进煤与瓦斯突出事故抑制技术研究 [ D ] ． 徐州 中国矿业大学 ，2 0 0 95 1 1 0 0 ． 孙忠强，郭立稳，朱令起，等 ． 石门揭煤发生突出的危险 性研究 [ J ] ．煤炭工程 ， 2 0 0 6 8 7 3 7 4 ． 谢雄刚．石门揭煤过程煤与瓦斯突出的注液冻结防治理论 及技术研究 [ D ] ．长沙中南大学，2 0 1 0 l 一 1 2 9 ． 1 l 3 1j] J 1 J 1 j ∞∞ 印 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 量 蜷 嚣 1 j 1 j l 引 引 m n r }r j r L r L