瞬变电磁法在煤矿富水性超前探测中的应用.pdf

第 9期 2 0 1 3年 9月 山 西 焦 煤 科 技 S h a n x i Co k i n g Co a l S c i e n c e Te c h n o l o g y No ． 9 S e pt ． 201 3 技术经验 瞬变电磁法在煤矿富水性超前探测中的应用 贺润 山 太原市国土资源局 万 柏林分 局， 山西 太 原 0 3 0 0 2 4 摘要根据煤矿防治水规定， 利 用近期兴起 的瞬变电磁 法对煤矿掘进工作面的富水性进行超 前探 测， 对发现 的异常进行预测预报 。作为一种新的物探 方法 ， 由于其简便 、 快速的优 点， 在生产 中得 到了广泛应用。本 文介绍了瞬变电磁法在煤矿超前探测中的应用， 并对探测效果进行验证 ， 以期对发 现的 问题进行一些有益的探讨 。 关键词煤矿 富水性 ；超前探 测；瞬变电磁 法； 预测预报 中图分类号 T D 7 4 5 ． 2 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 2 0 6 5 2 2 0 1 3 0 9 0 0 6 9 0 4 1 井下超前探测的原理 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 ， 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。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 。 从岩性物性差异的角度来看 ， 一般变化规律认为 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 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。 探测迎头前方受断层 、 陷落柱 、 溶洞等影响， 可能 存在导水裂隙或含水构造 ， 在地球物理上表现 电性差 异 ， 因此， 采用瞬变电磁法可 以探测迎头前方 电性 分 布情况 ， 判断前方赋水性 ， 为巷道安全掘进提供更多 水文地质信息。良导体 瞬变电磁感应原理 图见 图 1 。 图 1 良导体瞬变电磁感应原理图 2矿井及测区概况 该矿位于山西盂县县城以东。本次探测位置为 1 5 2 0 7回风顺槽工作 面 ， 北 为 1 5 2 0 9工作 面， 西部 为 孙家庄保安线， 东为南运输、 回风大巷， 南为 1 5 2 0 5 综 收稿 日期 2 0 1 30 62 2 作者 简介 贺润山 1 9 6 6 一 ， 男 ， 河北蔚县人 ， 1 9 8 7年毕业于 山西矿业学 院， 工程师 ， 主要从事矿产地质勘察及技术管理工作 f Em a i l 2 9 4 5 2 8 6 3 0 q q ． c o rn 山 西 焦 煤 科 技 2 0 1 3年第 9期 采工作面。地面位置西部位于孙家庄保安线 ， 北部为 山坡梯 田地带 ， 南部为 1 5 2 0 5综采工作面与常家沟保 安线 ， 东部为采空区。地 面无 建筑物 、 小井 及其 它。 地面标高 9 4 0， 覆盖层厚度 1 4 0～1 8 0 m。煤层顶板为 石灰岩 ， 底板为砂质泥岩。 井 田位于沁水煤 田东北部边缘 、 沁水块坳盂县坳 缘翘起带。区域构造 以东西 向褶皱带派生有北东 向 和近东西向断裂为基本特征。陷落柱不发育 。 井 田总体构造形态为一轴向近东西向的褶皱， 岩 层走向北东， 倾 向北西和南东 ， 倾 角一般为 5 。 ～l 5 。 。 井 田内共发育 4条正断层 ， 落差均为 5～3 0 m， 倾角 6 5 。 ～ 7 0 。 ， 断层走 向近东西 向。 矿井充水因素 主要有大气 降水 、 地表水 、 含水层 水和采空区积水 ， 所以， 矿井在开采过程 中要加强雨 季防治水管理 ， 并高度重视老窑采空区积水的探放水 工作 ， 确 保 矿井 安 全 生 产。现对 其 充 水条 件 描述 如下 大气降水 本 区以大气降水为井下开采涌水的主 要补给来源， 流量动态变化 与大气 降水关 系特别密 切 。大气降水经第 四松散层 、 二叠 系砂岩 、 石炭 系石 灰岩溶裂隙下渗补给， 因此 ， 降水量大小对矿井充水 有很大影响。 地表水体 秀水河 由西向东经过本井 田， 该河床 的孔隙水会沿地层露头风化带 的孔隙 、 裂隙补给地下 进入矿井 ， 是矿井 充水因素之一。 顶板和井筒渗水 由于煤层上覆含水层富水性不 强， 补给条件也不好 ， 主要为井筒渗水 、 顶板渗水和采 空区渗水 ， 据该矿开采 1 5 煤层情况 ， 1 5 煤层矿井正 常涌水量为 6 0 0 m ／ d ， 最大涌水量为 7 0 0 m ／ d 。 据生产矿井充水情况与矿区水文地质条件来看 ， 本区煤层充水通道主要为煤层顶板以上岩石的裂隙 、 岩溶 、 开采后形成的导水裂隙带及井筒 。本井 田 1 5 煤层水文地质条件 为中等。 3现场数据采集 本次矿井瞬变 电磁物探工作使 用的仪器为中煤 科工集团重庆煤科 院公司生产 的 YC S 4 0 A 矿用 瞬 变电磁仪 。这套矿用瞬变 电磁仪对低阻充水破 碎带 反映特别灵敏 、 体积效应小 、 纵横向分辨率高， 且施工 快捷 、 效率高 ， 既可以用于煤矿掘进头前方 ， 也可以用 于巷道侧帮 、 煤层顶 、 底板等探测 ， 为煤矿企业在生产 过程 中水 患和导 水构造 的超 前预 测预报 提供 技 术 手段 。 该瞬变电磁仪系统可 以通过加大发射功率的方 法增强二次场 ， 提高信噪 比， 从而加深勘探深度 ； 通过 多次脉冲激发场的重复测量叠加和空间域多次覆盖 技术的应用 ， 提高信噪比， 从而应用 于工作复杂 、 噪声 干扰大 的煤矿井下水害超前预报 ， 有效勘探深度能达 到 2 5～ 1 2 0 m。 本次探测位置位于 1 5 2 0 7回风顺槽 9 6 7 导线点 前 3 6 m。巷道采用锚杆 、 网、 钢带 、 锚索联合支护 ， 矩 形断面。探测工作受到迎头位置积水 的严重干扰 ， 施 工过程中受到工字钢支护和单体液压支柱的干扰 ， 探 测深度降低 ， 采样质量较差 ， 探测结果可信度降低 。 本次矿井瞬变 电磁法勘探采用重叠 回线装置， 利 用多匝 1 ． 5 m1 ． 5 m矩形 回线 ， 发射线框 l 0匝， 接 收线框 2 4匝。叠 加次数 6 4次 ， 时间采用标准 时间 序列 。关断时间为 2 5 0 。 该次探测测点布置于工作面迎头 ， 发射 、 接收线 框沿顶板 、 顺层 、 底板方 向呈扇 面布置 。采用重叠 回 线装置 ， 发射线框采用多匝 1 ． 5 m1 ． 5 m矩形 回线 。 探测分顶板 、 顺层 和底板 3个方 向扫描 ， 顶板方 向主 要控制巷道顶板方向的含水构造 ， 顺层方 向主要控制 巷道前方向及两帮 的含水构造。底板方 向主要控制 巷道底板方向的含水构造 。顶板 、 水平 、 底板方 向扫 描左右各 5 0 。 范 围， 每 1 0 。 1个测点 ， 共 1 1个测点 ， 3 条测线共计 3 3个测点。探测布置示意图见图 2 。 1 o o a L ． 、 L 、 L 1 线瞬变布置平面图 b 测线布置剖面图 图 2 探 测示意图 L2 2 0 1 3年 第9期 贺润山 瞬变电磁 法在煤矿富水性超前探测 中的应用 4数据处理与分析 瞬变电磁数据处理 ， 利用相关计算公式计算视电 阻率 、 视深度等一些基本参数 ， 根据 资料的实际情况 应进行滤 波 、 一 维反 演处 理 ， 直 至获 得合适 的解释 数据 。 本次资料解释将坚持 现场水文地质分析与物探 资料解释相结合 ， 进行定性解释 ， 采用综合处理与解 译技术 ， 减少多解性 ， 提高解释可靠性 。 根据矿井瞬变 电磁场扩散特征 ， 及 T E M视 电阻 率拟断面图， 综合地质和水文地质资料 ， 分析判别沿 三个方向探测电性变化情况 ， 工作面顶板 、 顺层 、 底板 方 向超前探测视 电阻率等值线图见图 35 。 6 0 40 2 0 0． - 2 0 40 6 0 图 3 工作 面顶 板方 向超前探测 视电阻率等值线示意 图 图4 工作面顺层方向超前探测视电阻率等值线示意图 图 5 工作面底板方向超前探测视电阻率等值线示意图 图 3～ 5中坐标 0， 0 点的位置均为 目前掘进工 作面的空间位置 ， 为了直观表现探测剖面的视电阻率 分布规律 ， 对斜向上及斜向下的圆锥形探测曲面作平 面处理。在每幅图中， 由 A正常区、 B过渡区 、 C异常 区组成 ， 表示岩层 由高阻变化为低阻的趋势， 在一般 情况下 ， 岩层含水性越强 ， 其 电阻值越低。 由图 3可知 ， 顶板方 向探测剖面内的视 电阻率变 化较大 ， 在掘进面的左前方 、 右前方 5 0 m距离以外均 存在一定范围的低阻区域。 由图 4可知 ， 水平探测剖面内在左帮 、 右帮距掘 进工作面4 0 m距离之外 的范围存在较大范 围的低阻 区域 。 由图 5可知 ， 底板方向探测剖面 内 5 0 m距离之 外的范围存在明显 的低阻异常区。异常区可能相对 富水。 。 5结论 及探 讨 由于物探资料存在多解性 ， 且影响视 电阻率大小 的因素较多。因此 ， 异常区的富水性仅是一种相对定 性评价 ，根据各i 贝 0 线的空间关系 ， 对 比分析各个探测 剖面所示视 电阻率分布 ， 可以得到以下主要结论 目前 ， 掘进层位的顶 、 底板之间的阻值变化不大 ， 均显示 5 0 m范围后为低阻异常区域 ； 距离工作面迎 头 4 0 m以内范围相对富水性不强 ； 工作面顶板 、 底板 5 0 m范围后显示为低阻异常 ， 相对 富水性较强 ； 从图 4可以看出 ， 掘进工作面正前方没有 明显的低阻异常 区域。工作面迎头顺层方向相对富水性较弱 ； 受工作 面顶板淋头水及单点支柱低阻干扰影响 ， 探测异常范 围可能与实际存在一定误差 ， 要求矿方依照井下实际 揭露情况为准。 物探作为地测防治水的一种手段 ， 其成果不能作 为巷道掘进工作的最终指导结论 ， 还需与其他手段相 结合才能获得更准确的结论 。 经对该异常进行钻探并在 3个工作 日内放水约 1 0 0 0 0 m ， 后该含水区域出水量趋 于正常 ， 后续 掘进 过程 中陆续排水约 3 0 0 0 m ， 顺利通过了该物探异常 区。经随后验证 ， 该异常已趋于正常。 值得注意的是 探测过程中由于受仪器关断时间 及发射线框 的限制 ， 矿井 瞬变电磁法探测范 围为 2 5 ～ 1 0 0 m； 探测深度只局限于视深度的概念 ， 可能与实 际探测深度 有一定误差 ； 瞬变 电磁 法属于全方位探 测， 无法对异常区的距离准确定位； 由于地质条件的 7 2 山 西 焦 煤 科 技 2 0 1 3年第 9期 复杂性及瞬变电磁法固有的局限性 ， 对以上所提的低 阻异常区无法做 出采空积水或是裂隙发育带积水 的 明确判断； 瞬变电磁法对静态导水裂隙的导水能力缺 乏判断 ， 在巷道掘进中对以上提出的重点异常区以外 的导水裂隙也必须加以注意； 岩性的电性差异也可以 造成视 电阻率的微小变化。 参考文献 [ 1 ] 孙银行． 瞬变电磁资料的精细处理 和解 释研究 【 D] ． 济南 山东科技大学硕士论文 ， 2 o 0 7 _ 『 2] 杨振威 ， 吕庆 田， 凌标灿 ， 等． 瞬变 电磁法在探测底板赋水性中的应用【 J ] ． 辽宁工程技术大学学报 自然科学版 ， 2 0 l l 8 2 7 2 8 E 3 ] 易德礼 ， 徐胜平 ， 金国祥， 等 矿井瞬变 电磁法在探测工作面顶板富水 区的应用 c J ] 西部探矿工程 , 2 0 0 4 1 2 3 63 7 ’ Ap p l i c a t i o n o n Tr a n s i e n t El e c t r o ma g n e t i c M e t ho d i n Ad v a nc e d De t e c t i o n o f Ri c h W a t e r i n Co a l M i n e He Ran s h ah Abs t r a c t Ac c o r d i n g t 0 t h e wa t e r p r e v e nt i o n a n d c o n t r o l r e g u l a t i o n s i n c o a l mi n e s ，u s i n g t he r e c e n t a ris e n t he 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 0 d c a r r i e s o u t a d v a n c e d d e t e c t i o n f o r r i c h wa t e r o f t h e t u n n e l i n g f a c e i n t h e c o a l mi n e , f 0 r e c a s t s t l 1 e f o u n d a b n o m a l a r e a s ．As a n e w g e o p h y s i c a l me t h o d s ，d u e t o i t s s i mp l e a n d f a s t a d v a n t a g 。 ，h a s b e e n wi d e 1 v u s e d i n t h e p r 0 d u c t i o n． I n t r o d u c e s t he a pp l i c a t i o n 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 i n a d v a n c e d d e t e c ’ t i o n。 f c 。 a 1 mi n e s ，a n d t h e d e t e c t i 。 n r e s u l t s a r e v e r i f i e d，i n o r d e r t 。d 。S O ree b e n e fi c i a l d i s c u s s i 。 n f o r t h e fou n d p mb l e ms ． Ke v w0 r d s Ri c h wa t e r。 f c 。 a 1 mi n e ； Ad v a n c e d d e t e c t i 。 n； 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 。 d；F o r e t 上接第4 5页 Th e I mp a c t o f Na t ur a l W i n d Pr e s s ur e o n t h e M i n e Ve n t i l a t i o n S y s t e m a n d Co u n t e r me a s u r e s Zu o Zha o q ua n Ab s t r a c t Be c a us e t h e u n de r g r o u n d r o a d wa y e l e v a t i o n i s d i ffe r e n t a n d c l o s e l y l i n k e d，ma k e s a rt e mpe r a t u r e a n d d e n s i t v i s d i f f e r e n t i n t un n e l s ，whi c h wi l l p r o d uc e t he na t u r a l wi n d pr e s s u r e i n e v i t a b l yTh e e x i t 。 n o f t h e n t r a l wi n d D r e s s u r e，wi l l l e a d t 。t h e wi n d fl。 w 。 f s 。 me b r a n c h e s i n t he mi n e V e n t i l a t i 。 n n e t w。 r k c h a “ g 。，a f f e 。 t t he t a b l t y 0 f t h e wi n d no w a n d t h e s a f e t y 0 f mi n e p r o d u c t i o n． T he r e f o r e，t h e a na l y s i s o f t h e e f f e c t o f n a t u r a l w n d p r e s s ur e o n mi n e v e n t i l a t i 。 n s y s t e m i s v e r y n e c e s s a r y for t h e rai n e s a f e t y p r o d u c t i 。 n． Ai mi ng a t t h e p r o b l e m whi c h 陀 b 。 “ t t h 。 r e t u m a i r o f t h e p e d e s t r i a n i n c l i n e d s h a f t d u ri n g i n f r a s t r u c t u r e o f S h a n x i J i e x i u Yi t a n g Ru i d o n g c o a l c o mp a n y ， h r 0 u g h i ns t a n c e．a n a 1 v z e s t h e c a us e s o f r e t ur n a i r i n pe d e s t r i a n i n c l i n e d s ha f t a s we l l a s t h e i n fl ue n c e o n t he V e n t i l a t o n s y s t e rn a n d p u t s f o r wa r d t h e c o un t e r me a s u r e s Ke v wO r d s Na t u r a l wi n d p r e s s u r e；I n flu e nc e；Co n t r o l ；Co un t e r me a s u r e 上接第 4 8页 I n v e s t i g a t e o n Fi r e Zo n e S e a l i n g a nd M a n a g e m e n t i n Co a l M i n e Re n Zh e n y u Ab s t r a c t I n o u r c 0 u n t r y e v e r y y e a r b e c a u s e o f fi r e a c c i d e n t s ma k e ma n y o f t h e mi n i n g a r e a a r e c l o s e d,a n d t hu s l e ．d d t 0 a l a r g e n u mbe r o f r e s o u r c e s a r e f r o z e n． Th e a u t ho r s umma r i z e s i t e ma na g e me n t e x p e ne n c e [ o r ma n y v e a r s ，d i s c u s s fi r e z o n e s e a l i n g ，fi r e z 0 n e ma n a g e me n t a n d c l o s e d fi r e z o n e u n s e a l e d， e mp h a s z e t h e p r o g r a mma t c mk 。 f t h e ” c 。 a l mi ne s a f e t y r e g u l a t i 。 n s ” a n d ”rai n e s e a l i n g fir e p r e V e n t i n g a n d e x t i n g u i s h i n g P 。 。 t 。 “” m i z o ne ma n a g e me n t a n d h a v e a c e r t a i n r e f e r e n c e v a l ue f o r ma n a g e me n t p e r s 0 n n e l o f t h e mme t i r e z o n e ‘ Ke v wOr ds Fi r e z o n e s e a l i ng；Fi r e z o n e un s e a l e d； Fi r e z o n e ma n a g e me m