瞬变电磁勘探技术在奥灰承压区超前探测中的应用.pdf

成果应用 瞬变电磁勘探技术在奥灰承压区超前探测中的应用 王新 志 ， 程 书宏 潞安环 能股份 公司 五 阳煤矿 ， 山西 长治0 4 6 2 0 5 摘要 提出了奥灰承压水对矿井安全生产的威胁 ， 特别是通过导水地质构造带来的重大灾害， 介绍了瞬 变电磁勘探技术的基本原理、 特点及施工方法， 利用本项技术在井下奥灰承压区巷道超前探测中取得了良 好效果。 关键词 瞬变 电磁 ； 奥灰承压 区； 超前探测 中图分类号 P 6 3 1 ． 3 2 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 2 7 9 8 2 0 0 6 0 3 0 0 2 3 ． 0 3 潞安环保能源开发股份有限公司五 阳煤矿开采 已有 4 0多年 ， 随着 开采深度 的不断增加 ， 煤层底板 水压也在逐渐增大 ， 煤层底板含水层水 ， 特别是奥灰 水对矿井的威胁 ， 已成为影响矿井生产 安全 的主要 因素之一。目前矿井 回采标高 已接近 4 0 0 m 七 六采 区南部 ， 将来矿井开采最低在 2 0 0 m 七六 采区北部最深处 ， 现正准备七六北部采 区， 因此七 六北部胶带巷和轨道巷向前掘进 中的防治水工作成 为各项工作的重点 。 五阳井田内主要地质构 造天仓 向斜 ， 横跨 井田向深部延伸 ， 为井 田控制性构造。向斜两翼岩 层倾角 l 0 一 。 ， 一般为 l 0 。 左右， 幅度为 1 5 0 2 0 0 m， 向 斜枢纽向两翼 5 0 7 0 m范围内岩层挤压严重 ， 从钻 探 、 物探和生产的实际揭露 ， 岩溶陷落柱主要集中在 向斜轴两侧附近 ， 共发现有 2 4处 。 七六北部胶带 巷和轨道巷均位 于天仓 向斜北 翼 ， 为查 明巷道掘进前方是否存在富水性地 质构造 或与深部奥灰水相联系的导水通道 ， 采用矿井 瞬变 电磁法进行超前探测 ， 为巷道安全掘进提供可靠科 学的依据。 1 瞬变电磁法基本原理 瞬变电磁法又称时间域电磁法 T i m e d o ma i n e ． 1 e c t r o ma g n e t i c me t h o d s ， 简称 T E M， 它是利用不接地 回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场 ， 在一 次脉冲电磁场间歇期 间， 利用不接地线圈或接地电 极观测在地下介质 中引起 的二次涡流场 ， 从而探测 介质电阻率的一种方法。其基本工作方法是 在井 下设置通以一定波形电流的发射线圈 ， 从而在其周 围空间产生一次磁场 ， 并在地下导电岩矿体 中产生 感应电流 ， 断电后 ， 感应电流由于热损耗而随时间衰 减 。衰减过程一般分为早、 中和晚期 ， 早期的电磁场 相当于频率域中的高频成分 ， 衰减快 ， 趋肤深度小； 而晚期成分则相当于频率域 中的低频成分 ， 衰减慢 ， 趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场 随时间变化规律 ， 可得到不同深度 的地 电特征。 由于电磁场在空气 中传播的速度 比在导电介质 中传播的速度大得多 ， 当一次电流断开时 ， 一次磁场 的剧烈变化首先传播 到发射 回线周 围地 表各点 ， 因 此 ， 最初激发的感应电流局限于地表。地表各处感 应电流 的分布也是不均匀 的， 在紧靠发射 回线一次 磁场最强 的地表处感 应 电流最 强。随着时 间的推 移 ， 地下的感应电流便逐渐 向下 、 向外扩散 ， 其强度 逐渐减弱 ， 分布趋于均匀。研究结果表明， 任一时刻 地下涡旋电流在地表产生 的磁场可以等效为一个水 平环状线电流的磁场。在发射电流刚关断时 ， 该环 状线电流紧挨发射 回线 ， 与发射 回线具有 相同的形 状。随着时间推移， 该电流环 向下、 向外扩散 ， 并逐 渐变形为圆电流环。等效电流环象从 发射 回线 中 “ 吹” 出来的一系列“ 烟圈” ， 因此， 人们将地下涡旋 电流向下、 向外 扩 散 的过 程形 象 地称 为 “ 烟 圈效 应” ， 见图 1 ， “ 烟圈” 沿4 7 。 倾斜锥面扩散。从“ 烟圈 效应” 的观点看 ， 早期 瞬变电磁场是 由近地表 的感 应电流产生的 ， 反映浅部电性分布 ； 晚期瞬变电磁场 随时间的变化规律 ， 可以探测大地电性的垂向变化 。 收稿 日期 2 0 0 5 ． 1 0 1 7 作者简介 王新志 1 9 7 0一 ， 男， 山西高平人， 助理工程师， 从事矿井防治水技术管理工作。 煤 第 1 5卷第 3期2 3 维普资讯 ／ 一 一 一 ， __I 一一一一 ． ． ．一 一．一 2 ，一一一一一 一一～～、 ， 一 ， ．． _ ．． - ．一，’ ～、 ～ - _ ． 图 1 瞬变 电磁场 的烟圈效应 2 矿井瞬变 电磁法特点 矿井 瞬变 电磁法由于勘探环境限制 ， 测量线圈 大小 有限 ， 其 勘 探深 度 不 如地 面深 ， 一般 深 度在 1 2 0 m左右 ， 为全空间瞬变响应 ， 这种瞬变响应来 自 于回线平 面上下 或两侧 地层 ， 这对确定异常体的 位置带来 困难。实际资料解 释中， 必须结合具体地 质和水文地质情况综合分析。其有以下几方面特点 1 由于井下测 量环境不同于地表 ， 不可能采 用地表测量时的大线圈 边长大于 5 0 m 装置， 只能 采用边长小于 3 m的多匝小线框 ， 因此数据采集劳 动强度小 ， 测量设备轻便 ， 工作效率高、 成本低。 2 由于采用小线 圈测量 ， 点距更密 一般 为 2 2 0 m ， 降低 了体积效应 的影响 ， 提高 了勘探分 辨率 ， 特别是横向分辨率。 3 井下测量装置距离异常体更近 ， 提高了测 量信号的信噪 比。 4 井下 瞬变电磁法可 以将线 圈置 于巷 道底 板测量 ， 探测巷道底板下一定深度内含水异常体垂 向和横 向发育规律 ， 也可以将线圈直立于巷道内， 当 线圈面平行巷道掘进前方 ， 可进行超前探测 ； 当线圈 面平行于巷道侧面煤层 ， 可探测工作面内和顶 、 底板 一 定范围内含水低阻异常体的发育规律。 5 由于瞬变 电磁法关断时间的影响， 与其 它 物探方法相 比， 无法探测到更浅部 的异常体 浅 部 2 0 m左 右 。 3 施工方法 矿井 瞬 变 电 磁 法 探 测 仪 器 为 澳 大 利 亚 产 S I R O T E M3型瞬变 电磁 仪 ， 该 仪器具 有抗 干扰 、 轻 便 、 自动化程度高等特点。数据采集 由微机控制 ， 自 动记录和存储 ， 与微机连接可实现数据 回放。根据 探测要求和巷道实际条件 ， 采用 2 m2 m的多匝数 矩形 回线装置进行测量。将线框直立于巷道 ， 并靠 近探测异常所在方向侧帮。发射线框和接收线框分 别为匝数不等 、 完全分离的两个独立线框 ， 以便与地 2 4 Co a l 3 ／2 0 06 下 或前方 异常体产生最佳偶合响应。 3 ． 1 测线及测点布置 矿井瞬变电磁法探测测点布置在七六北部胶带 巷 或轨道巷 迎头位置及两侧帮， 侧帮测点间距 2 5 m， 掌子头位置布置 3个测点 ， 共布置 2 6个物 理点。采用矿井瞬变电磁法顺巷道掘进方向和巷道 延伸前方底板方向进行探测 ， 具体探测方向见 图 2 ， 测点布置见 图3 。 煤层底板 a 向 图 2 瞬变电磁法探测方 向示意 向 图 3 测点布置 3 ． 2 矿井 T E M探测视电阻率断面图分析和解释 矿井瞬变电磁法资料处理及解释采用世界上最 新开发成功 的全 空 间瞬变 电磁 数据处理软 件 T E MI N T 。巷道每次探测的原始二次涡流磁场值数据 由接受机 自动传人计算机后 ， 在 T E MI N T中通过多 种校正和特殊转换 ， 再经过正、 反演算 ， 求出地层 的 视 电阻率值再转换 为真电阻率值 ， 并把时间转 化为 深度 ， 然后根据得到的全空间全程电阻率值 ， 结合探 测深度 、 探测方向、 地层倾角等多种物探 、 地质因素 ， 采用专用高分辨电阻率成像方法 ， 即得到瞬变电磁 勘探视电阻率断面图。 资料解释主要是根据瞬变电磁勘探视电阻率断 面图， 观测地层相对高、 低阻电性分布情况 ， 结合 区 域地质和水文地质资料 ， 判断探测范围内岩层的赋 、 导水性及其分布情况等 ， 得 出瞬变电磁探测最终解 释结论。横坐标为各探测点位置 ， 纵坐标为探测深 度 ， 断面图里面数据为地层各处视电阻率值 ， 视 电阻 率值越小表示此处富水性可能越好。 4 结语 七六北部胶带巷与轨道巷中～中相距 2 8 m， 探 测总长 9 5 0 m， 共探测 1 3次 。每次超前探测 1 1 0 m。 预留2 0 m超前距 ， 恰好作为下次探测的盲区。特殊 地段加密探测 。每次探测都为安全正常掘进提供 了 可靠 的依据 ， 为七六采区北部 的顺利准备创造 了时 间上 的优越。 维普资讯 矿井瞬变 电磁法是一种先进 的超前探测方法 ， 仪器轻便 ， 操作简单 ， 数据经处理转换成视电阻率断 面图后 ， 直观明了， 与其它探测方法相 比省时省力 ， 而且费用不高 ， 在井下超前探测方面值得推广。 [ 责任编辑 傅晶] Ap p l i c a t i o n o f Ti m e Do ma i n El e c t r o ma g n e t i c Pr o s p e c t i ng Te c h n o l o g y i n t h e Le a d i ng S ur v e y o f Co n fin e d Ar e a wi t h Or d o v i c i a n Li me s t o ne W ANG Xi n- z h i ，CHENG S h u- h o n g W u y a n g C o a l Mi n e ， L u “a n E n v i r o n m e n t a l E ner g y D e v ．C o ．L t d ． ，C h a n g z h i 0 4 6 2 0 5 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r e x p o u n d s t h e me n a c e t h a t c o n fi n e d wa t e r wi t h O r d o v i c i a n L i me s t o n e b rin g t o t h e s a f e p r o d u c t i o n i n mi n es h a f t ， e s p e c i a l l y t h e g r e a t d i s a s t e r c o n d u c t e d w a t e r g e o l o g i c a l s t r u c t u r e b rin g s ， a n d a l s o e x p o u n d s t h e f u n d a me n t als ， c h a r a c t e ri s t i c s ，c o n s t ruc t i o n me t h o d s o f T i me d o ma i n e l e c t r o ma g n e t i c p r o s p e c t i n g t e c h n o l o g y ．W i t h t h i s t e c h n o l o gy g o o d r e s u l t s h a s b e e n a c h i e v e d i n t h e l e a d i n g s u r v e y o f c o nfi n e d are a wi t h Or d o v i c i a n L i me s t o n e i n t h e p i t ． Ke y W o r d s T i me d o ma i n e l e c t r o ma g n e t i s m；c o nfi n e d a r e a w i th O r d o v i c i a n L i me s t o n e；l e a d i n g s u rve y 一*-**--*---***-------** * 。--*- 。 ‘ 上接 第 1 9页 该方 案效 果较好 ， 能满 足单轨 吊车 超前 加 固范 围 以邻 近 2 2 0 1工作 面 推进 长度 吊运支架 的安全和稳定。 1 0 0 0 m 影响计算 ， 共计可节约材料费用 1 5万元。 2 巷道监测分析 1 监测 方法 。巷 道 内布置 两个 综合 测站 。 第一个综合测站布置在巷道施工后 2 0 0 m处 ， 第二 个综合测站布置在第一个综合测 站往后 5 0 0 m处 。 测站为巷道表面位移测站。巷道表面位移测站采用 “ 十” 字布点法观测巷道表面位移 。 2 监测分析。巷道在邻近工作 面回采期 间表 面收敛变形不大 ， 锚杆没有 出现屈服现象 ， 更没有 出 现被拉断 、 破坏等现象 。在邻近工 作面回采后巷道 两帮位移量在 1 5 0～ 2 0 0 mm之 间， 达到 了预想 的支 护 目标 ， 该支护方式起到了很好的让压作用 。 3 经济效益计算 主要对支护材料的投入进行计算如下 1 采用原有修巷方式 ， 每架需平均投入一根 工钢 ， 需新投人工钢费用 3 0 0 m。 2 采用超前加 固方式 ， 每架需投入 圆钢锚杆 6套， 需新投入费用 1 5 0 m。 4 技术分析 比较 动压影响条件下的大巷超前加 固技术的应用 ， 有效地控制 了受相邻工作面采动影响大巷支护的变 形和破坏， 能有效地改善巷道围岩的应力分布 ， 提高 了原支护的承载能力 ， 保证 了支护结构在动压条件 下的稳定 、 有效 ， 保证了大巷的运输安全 ， 而且避免 了二次修巷 的投入， 大大降低 了维护成本。为相 同 条件下的大巷维护技术提供了新 的尝试 ， 避免巷道 支护失效后再进行修复 的被动局面， 同时也 为进入 深部开采后的巷道支护技术提供 了现实依据和宝贵 经验 。同时该技术 充分利用锚杆支护的支护特点 ， 对受动压影响的大巷进行超前加 固， 并在巷道两帮 预留变形量 ， 使巷道在工作面 回采期 间巷道压力通 过两帮煤体变形释放压力 ， 避免了工钢 刚性支护直 接承载动压而产生严重变形 ， 从而避免 了巷道的反 复修复。 [ 责任编辑 傅晶] Re s e a r c h o f t h e Le v e l Tu n n e l Le a di n g Co n s o l i d a t i o n Te c hn o l o g y wi t h t h e Effe c t o f Dy n a m i c a l Pr e s s u r e J I A N J u n -j i e ， D U Wu - y i 1 ．S h a n x i C o a l Mi ne S a f e t y S u p e r v i s o r y B u r e a u ， C h a n g z h i B r a n c h ， C h a n g z h i 0 4 6 0 0 O ，C h i na ； 2 ．Z h a n g c u n C o a l Mine ， L u m E n v i r o n m e n t a l E ner g y C o m p a n y ， C h a n g z h i 046 0 3 2 ， C h i na Abs t r ac t I n Xi xi asha n o f Zh a n g c u n Co al Mi n e，t he ma i n t u nn e l s b e ar hi g h pr e s s ur e，a n d t r a d i t i o na l s up p o r t i ng wa ys a r e h a r d t o s o l v e t h e pr o b l e m t ha t t u n ne l s u pp o rt o n n e a r b y s t o pe b e c o me s de f o r me d d urin g s t o pi ng ． I n v i e w o f t h i s pr ob l e m ，t h e l e a d i n g c o n s o l i d a t i o n t e c h n o l o gy h as b e e n p ut f o r ward a n d e f f e c t i ve l y s o l v e s t h e pr o b l e m t ha t t he t un n e l b e c o me s de f o rm e d wi t h t he e f f e c t o f d y na mi c a l pr e s s u r e，an d b ring s gre a t e c o no mi c r e s u l t s a n d s o c i al b e n e f i t s ． Ke y W o r ds t h e e f f e c t o f d y n a mi c a l p r e s s u r e；t u n n e l ；l e a d i n g c o n s o l i d a t i o n 煤 第 1 5卷 第 3期 2 5 维普资讯