瞬变电磁超前探测技术在昭阳矿掘进中的应用.pdf

瞬变电磁超前搽测技术在昭阳矿掘进由硇应用 微山昭阳煤矿邓 中新 [ 摘要] 本文介绍了矿井瞬变电磁探测技术的基本原理、 视电阻率计算公式、 装置与施工技术及数据处理特点， 并在昭阳煤矿三水 平副下山巷道掘进的迎头进行了现场应用， 探测结果表明， 通过对采集到的数据进行处理， 绘制视电阻率等值线断面图， 结合地质资 料可以准确判定地质异常区域的位置和富水性强弱。 [ 关键词] 矿井瞬变电磁法 巷道迎头 三水平副下山 巷道地质异常区 针对矿井突水问题具有空间规模小、 时空变化大的特点 ， 本文引入 矿井瞬变电磁探测技术。矿井瞬变电磁法施工简便、 数据采集迅速。 它观测的是二次场， 在近区可采用多种回线装置进行观测， 且对低阻含 水体灵敏 、 体积效应小、 纵横向分辨率高， 故可用于巷道迎头前方 、 巷道 侧帮、 煤层顶底板等位置的水文探测。 1 ． 矿井瞬变电磁法工作原理 瞬变电磁法属时间域电磁感应方法 ， 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 。 2 ． 矿井瞬变 电磁探测 特点 ①受井下巷道施工空间所限 ， 只能采用边长小于3 m的多匝小线 框， 因此具有测量设备轻便， 工作效率高， 成本低等优点； ②由于采用小 线圈测量 ， 点距更密 一般为2 ～ 2 0 m ， 体积效应降低， 横向分辨率提高， 再者测量装置靠近目标体， 异常体感应信号较强， 具有较高的探测灵敏 度； ③由于小线框发射电磁波的方向性明显， 井下超前探测时， 探测 目 标区域更具针对性 。 3 ． 仪器设备参数 针对微山昭阳煤矿三水平副下山巷道的深度和范围， Y c S 4 0 A 型 矿用瞬变电磁仪具有多套功能参数设置， 可进行针对性的选择合适的 一 套参数设置。一般情况下， 矿井瞬变电磁用于超前探测时， 本仪器系 统选择的技术参数如表 1 所示。 表 1 瞬变电磁超前探测系统参数设置表 仪器参数设置 装置参数设置 发射 电压 6 ． O V 发射边 长 2 m 发射频率 8 _ 3 H z 发射匝数 9 匝 叠加次数 1 2 8 电阻要求 1 0 抑 制系数 3 接收边长 2 ． 0 m 测道数 4 0 接收 匝数 1 8匝 4 ． 探测面工程概况及现场观测 系统布 置 4 ． 1 工程概况 微山昭阳煤矿三水平副下山巷道 目前正在掘进中， 巷道坡度约2 5 。 左右 ， 巷道 迎头 为砂岩 ， 有底 板积水 。该 掘进巷 道 已经 跨过李 桥断 层 7 5 。 ， H 6 01 3 0 m ， 除此之 外 ， 巷 道掘进前 方还可 能存在 其它 的地 质构造等， 如岩浆侵入 、 小断层， 而此类地质构造的存在将影响岩层内 部结构的变化， 主要表现为裂隙发育 ， 含水等， 影响到巷道安全掘进。 4 ． 2现场观测系统布置 ＼／ r 拆 删 自 ／ 入 巷 道 撞射蛾准 4 ＼ 匪 话 谨 鹿 授 蕃 道 脶 授 替 道 底 板 1 超前顶板探测 2 超前顺层探测 3 超前底板探测 图 1 瞬变电磁超前探测方向示意图 图2瞬变 电磁观测 系统布置示 意图 由于该巷道迎头立面较小， 矿井瞬变电磁法的发射和接收线圈的 几何尺寸受到一定的制约。现场观测系统布置时只能采用多匝小回线 的发射和接收装置形式， 即边长为2 m 。测点布置在巷道迎头里面附 近， 从巷道迎头左侧开始， 首先使发射、 接收天线的法线垂直巷道左帮 进行测量 图2 中的 1 号测点 ， 每个测点处在竖直方向上采集3 组数据 ， 依次为超前顶板、 超前顺层、 超前底板， 其中顶板和底板方向数据采集 时天线法线方向约与迎头立面成4 5 。 ， 顺层方向采集时天线与迎头立面 垂直， 具体布置见图 1 ； 然后在水平面内旋转天线， 使天线的法线方向与 巷道的左侧分别成6 O 。 、 4 5 。 和3 0 。 的夹角进行探测f 图2 中的2 、 3 和4 号 测点 。当天线的法线方向与巷道迎头界面垂直时， 根据其主迎头断面 的宽度布置2 ～ 3 个测点 图2 中的5 、 6 和7 号测点 ； 到巷道迎头右侧时类 似左侧方法分别成3 0 。 、 4 5 。 、 6 O 。 和9 。 的夹角进行探测 图2 中的8 、 9 、 1 0 和 1 1 号测点 ， 从而实现从多个角度采集数据， 称之为“ 扇形” 测深系统 技术 。 5 ． 观测数据及分析 本次瞬变电磁探测数据处理采用 Y C S 4 0 A 型矿井瞬变电磁仪配套 的M T e m 2 ． 0 处理系统， 其处理主要流程为 数据上传一 格式转换一 数据滤 波处理一 计算晚期视电阻率一 正反演计算一 结果成图。由于对该掘进巷 道是跟踪探测， 取其中两次观测结果进行说明， 分别为测点8 前4 0 m处 和测点 l O 前3 3 ． 8 m处 两测点间距 1 8 0 m ， 测得结果如下图3 、 图4 。 2 0 1 2 ．7 - 7 徽 醒阳煤矿三术平 2 0 1 2 - 8 - 2 3 徽 山 嚷 阳 煤 矿 三 永 平 尉下山溅点嘴 柏 m 处迎头物探结果图 刮 下 涓 点 1 o 营 3 3 -8 m 处 l娅 头 镌 撵 结 果 图 图3 三水平副下山测量点8 前 图4 三水平副下山测量点 l 0 前 4 0 m瞬变电磁探测结果 3 3 ． 8 m瞬变电磁探测结果 由图3 可 知 ①三水平 副下山巷道掌 子面前方 9 0 m范 围内 ， 岩层富 水性相对较差； ②三水平副下山底板方向7 0 ～ 9 0 m局部区域电阻率值相 对变低 ， 可能出现小构造导致岩性变化所致 。 由图4 可知 ③三水平副下山巷道掌子面前方9 0 m范围内， 岩层富 水性相对较差； ④三水平副下山迎头顶板及顺层方向3 0 5 0 m局部区域 电阻率值相对变低， 可能出现小构造导致岩性变化或少量含水所致。 6 ． 结论 矿井瞬变电磁法在煤矿水文探测及辨别其富水性强弱方面有很好 的应用效果。可以用于巷道掘进迎头前方地质构造异常的超前探测 ， 同时利用扇形成图技术能准确确定地质异常体距迎头的实际距离； 对 煤层工作面顶底板进行探测时， 得到工作面顶、 底板方向视电阻率断面 后， 结合矿井瞬变电磁法在该矿区以往的水文探测数据和地质资料， 可 以判断工作面顶、 底板方向异常区所属的岩层性质， 并对异常区富水性 强弱做 出评 价。 参考文献 [ 1 ] 于案郝． 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． [ 2 ] 王东伟， 刘志新， 武俊文等． 矿井瞬变电磁探测技术在煤 系地层 探测中的研究与应用 ] ． 煤炭工程， 2 0 1 2 ， 4 ． [ 3 ] 苏茂鑫， 李术才， 张庆松等． 隧道掌子面前方低阻夹层的瞬变电 磁探测研究[ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 1 0 ， 2 9 增1 ． [ 4 ] 廖俊杰， 于景郝， 胡兵等． 矿井瞬变电磁超前探测数据处理与显 示技术[ I ] ． 物探与化探 ， 2 0 1 1 ，3 5 3 ． - - 3 8 3-