谈井下瞬变电磁法在巷道掘进头连续跟踪超前探测的应用.pdf

T e c h n o l o g y F O r u m 谈井下瞬变电磁法 在巷道掘进头连续跟踪超前探测的应用 李忠伟 哈尔滨光宇蓄电池股份有限公司，黑龙江 哈尔滨1 5 0 0 7 8 【 摘要 】本文对煤矿巷道掘进头的连续跟踪超前探测方法的 工作原理进行分析，在此基础上探讨了井下瞬变电 磁法在巷道掘进 头连续跟踪超 前探测 的应用。 【 关键词 1 煤矿巷道掘进头；探测方法；瞬变电磁法 引言 巷道掘进头 前方的构造破碎 带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等 富水 区 体 对巷道 的安全掘 进构 成了严重威胁 ，也是煤矿 发生 重大突水事故的主要原因。如何做到提前预报和及时防治 ， 关键 在于有效 的超前预测。多年来这一问题一直 困扰着煤矿 的基层技术 人员和施工人员。近年来 ，全空间瞬变电磁技术在中国得到了发 展 ，这一技术属于近距离观测 ，具有体积效应相对较 小、方 向性强、 分辨率高、对低阻区敏感、施工快速的优点，为我们提供了一条新 的探测途径 。实践证 明，通过设计合适的装置形式可 以有效地超前 预测巷道掘进 头前方数十米范 围内的水害危险性， 目前该技术 已成 为我们预 测煤矿 水害 的最佳选择 。 1巷道掘进头超前探测方法 巷道掘进头一般只有几平方米大小，既无法采用共面偶极方 』 弋 ，也无法采用中心 方式。因此 ，我们采用 了一种不共面同轴偶极 方式 。发射线圈 T x 和接 收线 圈 R x 分别位 于前后平行 的 2 个平面 内，二者相距一定的距离 要求 5 m ，实际中常采用 l O m 并处于 同～轴线上。观测时接收线 圈贴近掌子面 ，轴线指 向探 测方 向。对于巷道掘进头来 说，探测时分别对准巷道正前方 ，正前偏左、 偏右等不 同方 向，这样可获得前方一个扇 形空间的信息 。 巷道掘进头的超前探测与顶、底板的探测不同，顶、底板探测 是静态 的，而超前探测是动态的 ，目标空间随巷道 的掘进而变化 。 所 以，超前探测除 了装置方式的改变外，在时间上 还应该是一个连 续跟 踪的过程 。 2 并下瞬变 电磁法在巷道掘进头连续跟踪超前探测的应用 瞬变电磁法T r a n s i e n t E l e c t r o m a g n e t i c l e h t o d ， 简称 T E M 的原理是利用不接地 回线 向地 下发射 一次脉冲磁场 ，当发射 回线 中的电流突然断开后，地球 介质 中将激励起二次涡流场以维持 在断开 电流 以前产生 的磁场 即一次场 。井下瞬变 电磁法基本上是 由地面移植到井下 其他方法如井下直流电法 也是如此 ，但是， 相应 的施工方法和解释方法需进行一定的改进 。 在施工方面，井下测量处于全空间中，应根据实际情况和需要 改变发射线圈与接收线圈角度进行连续观测，以获得扇形剖面。由 于要在有限的井下空间布 置装置 ，线 圈不 能大 ，且要达到一定的探 测深度，这就要求增加发射电流。但考虑到井下安全问题，即使在 低瓦斯矿井尽量加大井下通风量 的条件下 ，发射 电流也不能太大。 因此 ，井下瞬变 电磁法须采用灵 敏度 高的仪器和特殊 的工作方式， 以便在发射 电流不大的情况下增大超 前探 测距 离。 井下瞬变电磁法所采用仪器为 E M 一 3型小装置瞬变电磁仪器， 并将接收线 圈与发射线圈进行了改进，以便适合 于井下施工 。 根据上述思路 ，我们在某矿 一 2 5 0排水巷道进行 了一次探索性 的试验。该巷道的围岩为石炭纪灰岩，裂隙和断层比较发育，水害 是该巷道掘进的最 大威胁 。我们试验的 目的是超前预测掘进 头前方 4 1 6 1 华东科 技 有无富水异常及富水异常 的位置和范围，为巷道 的安全掘进提供依 据 ，同时检验全空间瞬变 电磁法的可行性和有效性 。根据初探，u w T E M 方法在 一2 5 0巷道掘进头的有效探测深度约 为 7 0 m ，所以我们 设计 留出 2 0 m 的安全距离 ，巷道每向前掘进 5 0 m 时进行下一次探 测 。 从 2 0 0 4年 9 月开始至今我们 已经连续进行 了 5次跟踪探测， 取得 了理想 的效 果。将测 量所 获得 的数据 经过三维 全方位处理 分 析 ，包括滤波 、圆滑 、正演 、反演等 ，突 出了低 阻体的异常 ，并把 处理结果绘制成电阻率剖面 图，再根据剖面图上所反映 的电阻率在 空间的变化情况，作出推 断解释 。 通过井下瞬变电磁法在独头巷道超前探测的垂直剖面图，可见 在掘进面前方约 2 7 5 3 2 0 m范围有 明显 的低阻异常带，其 中心大约 在 3 1 0 m处 ，根据地质情 况分析 ，我们推断此异常是含 水构造裂 隙 带的反映。在随后的巷道掘进过程 中，在 2 8 2 3 1 7 m发现含水裂 隙 带，涌水量 为 6 0 m 3 ／ h 。 由于矿 方提前采取 了探放水措施，确保 了 掘进施工的安全 。由此可见 ，物探 结果得 到了较好的验证。 依据跟踪探 测结果 随时预报 了掘进头前方 可能存在 的水害 隐 患，矿方及时采取 了防治措施，成功地排 除了隐 患，保障了巷道掘 进的安全。实践证 明，如果采用合适的 观测方式 ， U W T E M 技术 可 以有效地预测巷 道掘进头前方 的含水异常 ，为水害预 报提供比 较可 靠的依据 。 同时 ，通过这次试验我们也发现了 U W T E M方法存在的 问题 。 首先，巷道掘进头的实际情 况既不同于半空间，也不是完全的全 空间，因而 数据 处理结果在 电阻率值 和探测深度 上都有一 定的偏 差 ，解释 出的低阻异常区范围往往偏大 。这种情况除了该方法本身 的体效应外 ，全空 间 理论模 型与实际环 境的差异可能是一个重要 原因。其 次，虽然接收线圈位于探测面前方的掌子面上，探 测面后 方的异常仍然会产生影响，所以对异常体的定向仍然存在不确定 性 。第三，在装置 上，为 了减小互感的影响，发射线 圈和接收线圈 之 间的距 离需要 5 m ，这不但降低了有效信号 的强度 ，也限制了该 方法在空间较小的巷道 的使用 。所 以，在硬件 上改善仪器设备 的性 能 ，减小发射线圈与接 收线 圈之 间的互感是提高该方法适用性 的一 个关键 。 3 结论 应用表明，采用井中瞬变电磁法在煤矿井下独头巷道进行超前 探测含水构造是有效的。 由于井中瞬变电磁法具有定向性 方位性 好、 探测距离大等突出优点， 是矿井超前探测含水构造的有效方法。 可 以预见，随着 该探测方法技术 的进一步完善 ，这种方法在煤矿含 水构造探测中将发挥重要 作用 ，具有较广阔的应用前 景。 参考文献 f 1 1 于生宝 ，王忠，嵇艳鞠 ，林君．瞬变电磁 法浅层探测技术 ⋯． 电 波科 学学报．2 0 0 6 ，0 2 f 2 1 薛国强，邓湘．瞬变电磁法对薄层的探测能力【 I 】 ．石油地球物理 勘探2 0 0 7 ，0 6 ． f 3 13段铮 ． 瞬 变电磁 法在 隧道超 前 地质预 报 中的 应 用及 解译 分析 [ D】 ．成都理 工大学．2 0 0 8 ，0 5 ． f 4 _ 余东俊 ．瞬变电磁 法 T E M 在隧道超前预报 中的应 用和效果研 究『D1 ．成都理工大学．2 0 1 0 ，0 5