瞬变电磁法超前探测技术的研究与应用.pdf

第3 6 卷第2 期 2 0 1 3年6月 煤 炭 与 化 工 C o a l a n d C h e mi c al I n d u s t r y V0 l - 3 6 No ． 2 J u n ． 2 01 3 瞬 变电 磁法 超前探测技术的 研究与 应用 王华胜 ，王清亚 1 ． 冀中能源井矿集团公司临城煤业有限公司，河北邢台0 5 4 3 0 0 ； 2 ． 中国矿业大学 矿业工程学院， 江苏徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要针对巷道施工前上方可能存在采空区积水的现象，佳新能源采用武汉地大华睿地学 技术有限公司研制的大功率瞬变电磁 法对矿井行人斜井下段掘进工作面进行 了超前探测研 究 和应用，为水害治理和煤层开采提供 了物理探测技术依据。后期验证结果证明探测结果与实 际基本吻合；瞬变电磁法在煤矿工程施工中的超前探测有一定局限性，有待于进一步提高资 料处理的可靠性和准确性，具有广泛的推广应用价值。 关键词瞬变电磁法；超前探测；掘进工作面；老窑采空区 中图分类号P 6 3 1 ．3 2 5 文献标识码B 文章编号2 0 9 5 5 9 7 9 2 0 1 3 0 2 0 0 2 1 0 3 S t u d y a n d Ap p l i c a t i o n o f Tr a n s i e n t El e c t r o ma g n e t i c Ad v a nc e d De t e c t l‘ o n Te c h no l o g y WA N G H u a - s h e n g ， WA NG Q i n g - y a 2 r 1 ． L i n c h e n gMi n e ， S ngx i n gMi n i n gI n d u s t r y G r o u p C o r p o r a t io n L t d ． ， f t z h o n gE ner g y , X i n g t a i 0 5 4 3 0 0 , C h i n a ； 2 ． S c h o o l o fMin i ng E n g i nee r i n g , C h i n a U ner v e r s ofMin i ng a n d T e c h n o l o gy, X u z h o u 2 2 1 0 0 8 , Chi n a J Ab s t r a c t Ro a d w a y c o n s t r u c ti o n a n d a b o v e a h e a d ma y e x i s t t h e p h e n o me n o n o f w a t e r - l o g g e d g o a f , p l ns J i a x i n E n e r g y ado p t e d the n l i n e t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e ti c me tho d u n d e r p e d e s t r i an i n c l i n e d s e c ti o n t u n n e l i n g f a c e s t o c a r r y o n the I e s e a r c h a n d a p p li c a ti o n o f a d v a n c ed d e t e c ti o n b y Wu h a n Di d ahu a mi C o mp any ．p r o v i d e d the fl o o d ma n a g e me n t an d p h y s i c a l d e tec ti o n t e c h n o l o g y b a s e d o n c o a l s e a R l mi n i n g ． T h e l a t e c o inc i d e d b asi c a l l y wi th th e v a l i d a ti o n r e s u l t s s h o we d tha t d e t e c ti o n r e s u l ts c o i n c i d e d with the a c t u a l ；t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me tho d in a d v anc e d d e tec ti o n o f c o al mine c o n s t r u c ti o n l i mi t a t i o n s ，r e ma i n ed t o b e f u r t h e r i mp r o v e the r e li abi l i t y o f d a ta p r o c e s s i n g an d acc u r acy and h a d wid e p o p u l a r i z a ti o nan d印 p li c a fi o n v alu e ． Ke y wo r d s tr ans i e n t e l e c t r o ma g n e ti c me tho d ； a d v a n c e d d e t e c ti o n ； h e a d ing w o r k ing f a c e ； w a t e r - l o g g e d g o a f 0 引 言 矿井突水事故多是巷道掘进过程中揭露老巷或 老窑积水造成。因此， 在巷道掘进前，查明巷道掘 进前方周围老巷、采空区范围及积水情况，提前采 取治理措施成为确保矿井的关键，采用超前探测老 巷、采空区范围及积水情况具有非 常重要的意义。 目前 ，煤矿常用的物探方法主要有直流电法、 无线电波透视法、矿井瞬变电磁法等，而矿井瞬变 电磁法有体积效应小、方向性强、对低阻异常体反 应灵敏等优点，在探测采空区积水方面取得了很好 的应用效果。佳新能源是正在改扩建的整合矿井， 浅部资源历史小窑已开采，但采空区的分布和积水 情况不明，矿井采空区和老巷积水，以各种形式存 在于采掘工作面的周围，既可以形成大面积的积水 区， 也可以裂隙水形态分布， 这种水体的水量有时 可能不大，但极具突发性，处理不好可能造成大的 危害，尤其是上山施工工程巷道。矿井在改扩建施 工过程 中，超前探测引进国家领先的瞬变电磁法 ， 研究探测工程周围采空区和积水情况，采用井下钻 探放水措施，确保了巷道施工的安全。 1 行人斜井下段掘进工作面概况 行人斜井属于佳新能源技改新增井筒工程，下 收稿日期2 0 1 3 0 6 0 3 ；责任编辑聂明勋 作者简介王华胜 1 9 6 7 一 ，男，河北平乡人，工程师。E m a i l w n k w h s 1 2 6 ． c o rn 21 2 0 1 3 年第2 期 煤炭与化工 第3 6 卷 段掘进工作面沿太原组下架煤下 1 1 I T I 粉砂岩稳定 层施工穿过采空区下架煤巷道破坏 区域 ，按坡度与 上段贯通如图 1 所示。 国 国～ 程圈 图1 工程平、剖面示意 巷道顶板以上有太原组 k 2～k 4石灰岩裂隙岩 溶含水层和历史小窑下架煤采空区或破坏区，但积 水情况不明。据井田精查地质报告，太原组含水层 的含水性较弱，井田内煤层直接间接含水层组涌水 量均小于 0 ． 1 L／ s m，水文地质条件为三类一型。 2矿井瞬变电磁工作设备仪器 现场仪器使用武汉地大华睿地学技术有限公司 生产的T E M H Z 7 5矿用瞬变电磁仪和 ，I E M J F 5 O矿 用隔爆兼本安型发射机 大功率 组合。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， 既可以用于煤矿巷道前方，也可以用于巷道侧帮、 顶、底等进行探测，为煤矿在生产过程中水患和导 水构造的超前预测预报提供了技术手段。同时这套 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，应用于工作复杂、噪声干扰 大的煤矿井下水害超前预报使用，有效勘探深度能 达到 2 0 0 m。 3工作布置与工作量 本次矿井瞬变电磁法勘探工程施工布置与工作 量，沿行人斜井下段工作面掘进工作面，布置测线 3 条，通过在工作面移动发射接收线圈， 共采集数 据 3 3 个，形成 3 条超前探测的实测剖面。 实际现场探测方向是斜向巷道顶板 3 0 。，顺 巷道坡度 向前 ，斜 向巷道底 板 2 0 。三个方 向。线 框摆放和布置如图 2所示。 c 图2 井下施工线框摆放角度示意 4 装置形成及其参数选择 矿井瞬变电磁法勘探装置类型采用重叠回线组 合装置；数据采集微机控制，自 动记录和存储；边 长 1 ．5 m的激发和接收正方形线圈，激发线圈匝数 4匝，接收线圈匝数 4 0匝。供电电流档为 5 O A ， 供电脉宽 1 0 m s ，采样率 1 6 s 。每个测点至少采 用 3 0 次叠加方式提高信噪比，确保了原始数据的 可靠性。 5 资料处理与解释 5 ． 1 资料处理与解释基础 本次物探资料的解释工作是在条件试验基础 上， 采取由已知到未知，由点到线，由线到面，由 简单到复杂的解释原则。首先对探测数据进行地下 半空间和地形校正 ，消除地形对采集数据 的影响； 其次对地质不均匀体进行校正，消除不确定地质因 素对所采集数据的影响。通过数据处理，给出了每 条测线探测的等视电阻率剖面图。最后结合地质资 料，把物探异常转化为地质异常。 仪器采集的原始数据为归一化电位值即电位对 电流的比值。将数据室内回放 ，原始数据打开后呈 现如图 3所示的 2 部分曲线 ，纵坐标表示某个测点 的实测 值 ，从上到下依次为 1 ～3 2道 ，可 以选 择更多道数。 图3 多测道视电阻率剖面 5 8 4 2 4 1 8 3 0 5 4 4 4 0 篓 一 } } } } } 三三} } } } } 三三} } 三三} } 2 0 1 3 年 第2 期 煤炭与化工 第3 6 卷 打 1 组 3 层 3 个孔。 炮孔水平角 图3 炮眼与煤壁的夹角 A组炮眼与工作面煤壁夹角 1 0 。，在竖直方 向上分别与水平夹角为 1 2 。、2 O 。、2 8 。 ，炮 眼 长度 2 8 n l 。 4 应 用效果 由于切眼沿火成岩掘进，工作面初采时，支架 首先钻底托住煤层上方夹矸，避免了支架直接与凹 凸不平火成岩接触， 保证支架顶梁受力均匀，同时 托住夹矸提高了煤质。在推采过程中，通过对采空 区顶板冒落及顶板观测， 采空区强制房顶后，冒落 矸石膨胀后基本充填整个采空区，在工作面推采到 6 0 m左右时，顶板初次来压，煤壁片帮严重、个 别支架安全阀启动，初切之后，顶板随周期放顶及 时跨落，来压不明显，到回采结束，对 2 9 1 2 4采面 巨厚极坚硬火成岩顶板强制放顶 2 8次 ，强制放顶 高度最低 5 ． 5 l rl ，最高 1 3 m，平均高度 8 ． 5 m，累 计放顶面积 1 9 8 0 0 mZ ；生产原煤 1 1万 t ，实现了 安全生产。 5 经济效益和社会效 益 经济效益以前采用刀柱式炮采煤法，煤层上 方夹矸很难托住，由于采高控制 ，只能采 1 m厚煤 炭，且采空区火成岩顶板长时间不空落，造成资源 大量浪费，采用顶板强制放顶综采工艺后，资源回 收率提高 5 0 ％以上 ；仅该面可多回收煤炭 6万 t ， 每吨煤纯利润按 2 0 0 元计算 6万 t 2 0 0元 1 2 0 0万元。 社会效益回采工艺提高不仅提高了资源回收 率，延长了矿井服务年限，减少工人劳动强度，而 且彻底解决了顶板管理难题，避免了顶板事故发 生，改善了工作环境。 6 结 语 郭二庄矿结合 2 9 1 2 4 综采面巨厚极坚硬火成岩 顶板结构和岩性，合理确定技术参数，对坚硬顶板 采取强制放顶措施，保证了安全生产，社会效益非 常明显，在同类条件下具有广阔的推广前景和很好 的借鉴应用价值。 上接 第 2 3页 扇形剖面资料解释 掘进工作面左侧帮 ，向下 2 O 。方向 6 0～1 0 0 m处异常 ，水平带状 ，此异常可 能为裂隙渗水或采空区积水引起，但不会对巷道施 造成安全威胁；掘进头右侧帮与巷道轴线夹角 3 O 。 6 0 。向下 2 0 。方向 7 01 2 0m处 ，异常可能 为裂隙渗水或采空区积水引起，但不会对巷道施工 造成安全影响。 6 验证结果 探测后巷道沿原坡度 1 1 。 和方 向施工 3 0 m， 之后 ，施工斜 向上 、顺巷道方 向探放 钻孔 2排 8 个，扇形布置，倾角 1 0 。 ～ 3 5 。，孔深 3 0 8 0 m，释放积水 7 0 0 0 m 3 。验证结果与探测结果吻合 较好 。 7 矿井瞬变电磁法使用中的问题及建议 矿井瞬变电磁法物探对比其他的物探方法，准 确性、抗干扰性高，基本能定性的分析预测超前地 段的含水性及其富水性强弱 ，但有时受施工环境、 地理条件影响较大 ，误差也较大。实验和实践证 明探测现场一定范围内的道轨、工字钢支护、锚 杆、电缆设备、含水体等在瞬变电磁中是一种低阻 响应，使得实测视电阻率减小几个数量级，虽然此 类影响在测线方向上往往是均一的，可作为一种背 景异常进行校正减小影响，但对资料处理仍会带来 不少麻烦或误判影响解释结果。因此 ，矿井瞬变电 磁法有待于向更深层次研究和探索，提高富水性强 弱的分辨率、准确性和可靠性。 8 社会效益及推广应用前景 目前 ，矿井瞬变电磁法在井下所用仪器为防爆 安全型的，现场操作方便、灵活， 井上资料处理微 机化，时间短效率高，能够超前探测 1 0 1 1 0 m煤 岩体及构造体的含水性，在矿井防治水超前探测含 水层及含水构造体方面是一个不可缺少的物探手 段，为预留防水煤柱、避免探水钻高压出水的危险 提供可靠的依据。该项技术是一项新兴的探测技 术，其技术应用在国内外处于领先地位，推广前景 广阔。 一