瞬变电磁法在梨园矿井下富水性探测中的应用.pdf

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2 0 1 0年1 2月 矿 业 安 全 与 昧 保 第3 7 卷第6 期 瞬变电磁法在梨园矿井下富水性 探测中的应用 别玉平 , 邢 学玲 1 . 中平能化公司梨园矿, 河南 汝州 4 6 7 5 3 3 ; 2 . 河南理工大学, 河南 焦作 4 5 4 0 0 0 摘 要 应用瞬变电磁技术, 采用非接触 式、 多匝数的正方形重叠回线装置, 查明了宁庄井2 1 0 3 1工 作面风巷和机巷及其掘进迎头的富水情况。通过工作面掘进 资料验证, 表明瞬变电磁法在井下巷道及 掘进迎头水害体发育情况探测 中不仅行之有效, 而且 明显优越于其他矿井物探方法, 并能为井下注浆等 防治水措 施提供 可靠 的依 据 。 关键词 井下瞬变电磁法; 富水性探测; 超前探测 ; 扇形探测 中图分类号 T D 7 4 5 P 6 3 1 . 3 文献标志码 C 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 0 0 6 0 0 7 2 0 3 水害是影响煤矿安全生产的主要灾害之一。在 矿井开采过程 中, 如何探测井下岩层 的富水性和查 明采掘工作面前方及顶板富水异常 区位置 , 一直是 工程水害问题研究的热点。矿井瞬变电磁法是 目前 地球物理探测领域应用前景广 阔的新型探测方法, 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, 已成 为煤矿水 害探测的最佳选择 。 为了准确把握井下工作面 、 断层等的富水情况 , 确保安全生产 , 结合梨园宁庄矿井底板承压水的具 体情况, 采用澳大利亚产 T e r r a T E M 型瞬变 电磁仪 , 在 2 1 0 3 1工作面首次进行 了瞬变电磁探测 , 查明风 巷和机巷及其掘进迎头的富水性 。 1 矿 井瞬变 电磁 法基本原理 矿井瞬变 电磁法的基本原理就是 电磁感应 定 律 , 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 , 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。在电流断 开之前, 发射电流在 回线周 围空间 中建立起一个稳 定 的磁 场 。断电 后 , 由于该 电流 产 生 的磁 场 也立 即 消失 , 一次磁场 的剧烈变化通过巷道 内空气和周 围 导电介质传至 回线周 围的岩层中, 并在岩体 中激发 出感应电流以维持发射 电流断开之前存在的磁场 , 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 2 6 ; 2 0 1 0 0 61 9修订 作者 简 介 别 玉平 1 9 6 5 一 , 男, 河 南 内 乡人, 工程 师, 1 9 8 7年毕业于焦作矿业 学院 , 现 任平煤集 团公 司梨 园矿 总工 程师。 72 使空间的磁场不会 即刻消失。由于介质 的热损耗 , 直到将磁场能量消耗完毕为止。 矿井瞬变电磁法为全空 间瞬变响应 , 这种瞬变 响应是来 自回线平面上下 或两侧 地层。感应电流 呈环带状分布, 随着 时间推移, 该电流环 向外扩散 , 并逐渐变形为圆电流环。等效电流环像从发射 回线 中“ 吹” 出来的一系列“ 烟圈” , 因此 , 将巷道顶、 底板 导电岩层 中涡旋电流 向外扩散的过程形象地称为 “ 烟圈效应” , 见图 l 。因此 , 基于瞬变 电磁场 “ 烟圈效应” 理论 , 推导出矿井瞬变电磁法全空间视 电阻率 p的计算公式如下 。 ,一 、 、 . . 一/ 力 √ o 7 .一 茎 . 一I , , , 、 、一 ~一 _、 图 1 矿井瞬变 电磁全空间烟圈效应 图 p c 力 6 . 3 21 0 I 1 C S N / 3 WI _ 2 / 3 t I 5 / 3 式中 C为全空间响应系数 ; 为磁导率 ; |s为接收回 线线圈面积 ; Ⅳ为线 圈匝数; t 为二次场 衰减时 间; V / I 为 归一化二次场电位值。 2 0 1 0年 1 2月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 7卷第6期 2工作面概况 宁庄井主采煤层为二叠系山西组二, 煤层 , 底板 寒武 系 灰岩 水 水 压 高, 水 文地 质 条 件 比较 复 杂。 2 1 0 3 1 工作面机巷和风巷长度分别为 1 9 0, 5 7 0 m, 采 用 u型钢支架支护 , 机巷 内布置了运输机 , 风巷内布 置 了轨道 。 3 探测方案设计 为了探测 2 1 0 3 1工作面机巷 、 风巷底 板及机巷 迎头前方是否存在富水异常区域 , 依据瞬变 电磁场 “ 烟圈效应” 理论 , 结合井下巷道的实际条件 , 采用边 长为 2 m 2 m正方形多匝重叠回线装置 , 发射线框 和接收线框分别为匝数不 等、 且完全分离的 2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。采样时窗为 t一3 4, 叠加次数 1 2 8 , 时间采用 标准时间序列。 在 2 1 0 3 1工作面机巷内探测实际长度为 1 9 0 m, 布置 2 0个测点 , 编号依次为 0 , 1 , 2 , ⋯, 1 9; 风巷内探 测实际长度 为 5 7 0 m, 布置 5 8个测点 , 编号依次为 0 , 1 , 2 , ⋯ , 5 7 。在机巷迎头沿顺层方 向进行超前探 测工作时 , 布置 5个测点 , 具体形式如图 2所示。 巷道 断面 - 发射 线框 探 测方 9 I 底板 图 2 瞬变 电磁法超前探测 测点布置及探测方 向 在风巷掘进迎头进行超前 探测工作时 , 迎头测 点间距为 1~ 5 m, 每个测点 向 3个不同的方 向进行 探测 见图 3 。根据多匝小线框发射 电磁场的方 向 性 , 线框平面法线方 向即为瞬变探测方 向。因此 , 将 发射接收线框平面分别对准煤层底板或平行煤层方 向进行探测 , 就可反 映煤层底板岩层或平行煤层 内 部的地质异常。为了更加精确地探测巷道迎头前方 各个方位的地质异常情况 , 在迎头处加密测点进行 测量 , 具体布置形式如图 3所示 。 4 探 测结果分析 4 . 1 机巷 掘进 迎头超 前 探测 图 4为机巷掘进迎头超前探测煤层顶板赋水性 视 电阻率等值线拟断面图, 从中可看 出, 巷道迎头正 前方测点对应的视电阻率等值较高 , 而 2 1 号和 2 5号 图 3 瞬变 电磁法测点布置示 意图 0 1 测点对应的视 电阻率值相对较低 , 这主要是 由于两 侧工字钢支护的影响所造成 的。整个视 电阻率等值 线 图没有出现 明显的扰动异常区域 , 表明机巷掘进 迎头前方在探测范 围内无富水地质构造存在 , 巷道 在迎头前方 1 1 0 m以内可继续向前安全掘进 。 2 1 0 2 2 0 2 3 0 2 40 2 5 0 图4 机巷超前探测视电阻率等值线图 4 . 2 风巷 掘进 迎 头超前 探测 以巷道中点 向两侧 的实际宽度为横坐标 , 相对 于巷道迎头 的实际探测距离为纵坐标 , 将 2 1 0 3 1工 作面风巷迎头每个测点的探测数据按实 际位置坐标 绘在平面图上 , 沿底板 、 顺煤层以及顶板方 向视 电阻 率等值线与相应的探测方向如图5 7 所示。 综合分析以上各 图, 风巷掘进迎头正前方探测范 围内视电阻率变化较为均匀 , 视电阻率等值线无明显扰 动异 常。表 明该巷道 迎头底板 、 顺煤层以及顶板方 向在 探测范围内地层连续性较好 , 无富水地质构造存在。巷 道可在迎头前方 1 1 0 m以内继续向前安全掘进。 根据工作面掘进 验证 , 宁庄井 2 1 0 3 1工作 面机 巷 、 风巷在掘进过程中, 实际情况与瞬变 电磁法探测 的结果一致 , 表明瞬变电磁探测结果准确 。 73 霉 踟 枷 邢 铷 蜘 2 0 1 0年 l 2月 矿 业安 全 与环 保 第3 7卷第6期 l 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 l O 0 l 20 } ’ 一 发射线相 巷道断面 / - \ 巷道掘进方向 f \ \ / 6 0 。 。 探 测 方 图5 底板方向视电阻率等值线图及探测方向 煤 层 底 板 一 1 2 0. 1 O 0 . 8 O 一 6 0 4 0 2 O o 2 0 4 O 6 0 8 O 1 0 O 1 2 O 图 6 顺煤层方向视电阻率等值线 图及探测方向 探 测方向 , 一 , 道掘进 方向 巷道断面, / 发 射鳙 I l 6 0 。 l 一 l 2 O . 1 O O 一 8 0 6 O 一 4 0 2 0 0 2 0 4 O 6 O 8 O 1 0 O 1 2 O 图7 顶板方向视电阻率等值线图及探测方向 5结论 利用瞬变电磁法探测梨园矿宁庄井 2 1 0 3 1工作 面 的富水 地质构造 , 结果 表 明 , 机巷 和 风巷 掘进 迎头 前方在探测范围内无富水性地质构造存在 , 巷道在 迎头前方 1 1 0 m以内可继续向前安全掘进。在工作 面掘进过程中发现 , 实际结果与探测结果一致 , 瞬变 电磁的探测结果准确 , 可以在狭小的巷道迎头空间 中工作和数据采集 , 不影 响煤 矿巷道 的正常掘进。 同时 , 通过改变回线装置的平面倾角 , 可以向巷道周 围空间任意方向 图 1中 轴方 向进行探测。 7 4 . 煤 层底 板 参考文献 [ 1 ] 陈永新, 李永军, 李小明.瞬变电磁法在矿井水害超前探测 中的应用[ J ] . 华北科技学院学报, 2 0 0 8 , 5 1 1 7 2 o . [ 2 ]于景邮 , 刘志新 , 汤金云. 用瞬变电磁法探查综放工作 面 顶板水体的研究[ J ] . 中国矿业大学学报, 2 o 0 7 , 3 6 4 5 425 46. [ 3 ]刘志新, 岳建华, 刘仰光. 扇形探测技术在超前探测中的应 用研究[ J ] . 中国矿业大学学报, 2 0 0 7 , 3 6 6 8 一 8 2 5 . [ 4 ]李文峰. 瞬变电磁技术在邢台矿区防探水中的应用[ J ] . 中国煤炭地质 , 2 0 0 8 , 2 0 8 6 2 6 4 . 责任编辑 吕晋英 m ∞ 知 ∞ 如 ∞ 如 加 m 0 m ∞ ∞ ∞ 加 ∞ ∞ ∞ 加 m 0 m ∞ 舳 ∞ 如 ∞ 如 加 m 0
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