瞬变电磁法在矿井超前探测中的应用及研究.pdf

6 能 源 技 术 与 管 理 2 0 1 0年第 6期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n 1 6 7 2 9 9 4 3 ． 2 0 1 0 ．o 6 ． 0 0 3 瞬变电磁法在矿井超前探测中的应用及研究 潘利洵 ， 卢海 ， 刘长会 【 中国矿业大学 资源与地球科学学院， 江苏 徐州 2 2 1 l l 6 [ 摘要 ] 根据某矿回风巷 1 5 0 2 I T I 迎头处沿底板 、 顺层和顶板三个方向对采空积水 区进行超 前探测， 结果表明 瞬 变电磁 法全空间探 测技术能有效探测采空区积水 区， 从视 电 阻率等值线的变化情况和视 电阻率的相对大小，可更为直观的确定含水采空区的 位置及埋深情况。 [ 关键词] 瞬变电磁 法； 超前探测； 视电阻率 ； 响应特征 [ 中图分类号 ]P 6 3 1 ． 3 2 5[ 文献标识码 ]B [ 文章编号 ]1 6 7 2 - 9 9 4 3 2 0 1 0 0 6 0 0 6 一 O 2 0 引 言 由于小煤窑不科学采掘， 越层越界开采， 并且 采空 区常有积水存在， 小煤窑整合之后给各矿井 安全生产带来隐患， 及时查清煤矿采区范围内的 小窑采空积水情况， 进行探放水工作， 排除安全隐 患， 保证煤矿安全生产是十分必要和紧迫的。 瞬变 电磁法 T E M 观测的是二次场， 可在近区进行观测 阿 采用重叠回线装置 ， 具有对低阻含水体特别灵 敏 、 体积效应小 、 纵横向分辨率高， 且施工方便 、 快 捷 、 效率高等优点， 故在矿井水文地质勘探 中有较 大的应用价值， 应用该方法可以超前探测查清煤 矿采区范围内的小窑采空积水情况， 排除煤矿的 安全隐患。 1 瞬变电磁巷道超前探测施工方法技术 以及测点布置I I_ 3 本次探测采用扇形方位探测，由于受巷道迎 头空间的限制 ， 在巷道迎头进行超前探测时 ， 矿井 瞬变电磁法只能采用多匝小回线的发射和接收装 置形式 ， 即边长为 2 ～ 3 m。 测点布置在巷道迎头空 间位置 ， 如图 1 所示。即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侧面进行 巷道顶板 a 地板方向探测 巷道顶板 测量 图 1 中的 1 号测点 ， 然后旋转天线， 使天线 的法线方 向与巷道 的左侧分别成 6 0 。 、 4 5 。 和 3 0 。 的夹角进行探测 图 1中的 2 、 3 、 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 1中 5 、 6 、 7 号测点 ； 到巷道迎头右侧时再旋转天线 ， 使法线 方向与巷道右侧分别成 3 0 。 ， 4 5 。 ， 6 0 。 和 9 0 。 的夹角 进行探测 图 1中的 8 、 9 、 1 0 、 1 1 号测点 。即在多 个角度采集数据，从而获得尽可能完整的前方空 问信息。 图 1 超前探测测点布置示意图 在实际工作过程 中对于 图 1中的每个发射 点 ， 可调整天线的法线与巷道底板的夹角大小 ， 以 探测巷道顶板 、 顺层和底板方向的围岩变化情况， 其探测方向如图 2所示 。这样可得到位于巷道迎 头前方一个锥体范围内地层介质 的电性变化情 况 ， 如图 3所示。 巷道顶板 探测方 向 巷道底板 巷道底板 b N层方 向探测 c 顶板方向探测 图 2 探测方向示意图 2 0 1 0年第 6期 潘利洵 ， 等瞬变电磁法在矿井超前探测中的应用及研究 7 图 3超前探测体 积示意图 3 仪器及 参数 设置 本 次 探 测 采 用 的 是 劳 累 公 司 生 产 的 T e a T E M瞬变电磁仪 ， 其参数设置 装置类 型为 重叠 回线 ； 天线规格 为发射天线 4 0匝 2 m X 2 m， 接收天线 8 0匝 2 m2 m； 叠加次数 3 2次 ； 时窗 个数 3 4个 ； 分辨率 2 8位。 4实例分析 煤层赋存于成层分布的煤系地层 中， 煤层被 开采后形成采空区， 破坏 了原有的应力平衡状态。 当开采面积较小 时， 且煤层顶板为塑型岩石并保 存完整， 由于残留煤柱较多， 压力转移到煤柱上， 未引起地层塌落、 变形， 采空区以充水或不充水的 空洞形式保存下来； 但 多数采空区在重力 和地层 应力作用下， 顶板塌落， 形成冒落带、裂隙带和弯 曲带。 这些地质因素的变化， 使得采空区及基上部 地层 的地球物理特征发生 了显著变化， 主要表现 为 ①煤层采空区冒落带与完整地层相 比， 岩性变 得疏松 、 密实度降低， 即单位体积内介质的密度降 低， 同时使得传播于其中的导电性降低， 在 电性上 表现为高阻异常 ； ②煤层采空区若出现积水情况 ， 由于水是低阻体 ， 与采空区及完整地层相 比， 电性 发生明显的变化 ， 电阻率明显变小。 图 4 ～ 5为某矿 回风巷 1 5 0 2 m迎头处沿底板 、 顺层和顶板三个方向探测的视电阻率等值线图。 横 向探 浏深度／ m 图 4 底板方 向视电阻率等值 线图 横向探测 深度， m 图5 顺层方向视电阻率等值线图 j螂 l 二 I 横向探测 深度／ m 图 6 顶板方向视 电阻率等值线 图 总体分析这三个方向对应的视电阻率等值线 图可知，迎头正前方 5 0 ～ 9 0 m范围内存在相对低 阻异常区，巷道迎头左前方和右前方也存在低阻 异常区， 从已掌握的相关水文地质资料分析可知 ， 本次探测的低阻异常区为采空积水区的反应。经 过验证 ， 该低阻异常区确实为采空积水区。 5 结论 瞬变 电磁法全空间探测技术能够有效探测煤 矿采空积水区， 快速排除煤矿的安全隐患 ； 视电阻 率等值线 图为瞬变 电磁法的常用显示图件 ，采空 积水 区在视电阻率等值线图中多呈封闭或半开 口 状， 视电阻率值相对较小。 从视电阻率等值线的变 化情况和视电阻率值的相对大小 ，可更为直观 的 确定含水采空区的位置及埋深情况 。 [ 参 考 文 献 ] [ 1 ]高字平． 综 合物探方法探测小窑采空水 区[ J ] ． 煤炭学 报， 2 0 0 6 增 刊 2 5 5 1 2 5 5 [ 2 ] 姜志海， 岳建华， 刘树才． 多 匝重叠小 回线装置形式 的 矿井 瞬变 电磁 观测系统[ J ] ．煤 炭学报， 2 0 0 7 ， 3 2 1 1 1 1 5 2-1l 56 [ 3 ]杨海 燕， 岳 建华． 矿 井瞬变 电磁法 中多 匝回线电感对 目标体探测的影响[ J ] ． 物探与化探， 2 0 0 7 ， 3 1 1 3 4 3 7 [ 作者简介 ] 潘利洵 1 9 8 7 一 ， 男， 中国矿业大学资源学院硕士级研 究生， 主要从事地球物理解释与应用研究。 『 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 2 3 1 ∞∞踟∞蛳加O u l， 醚嚣 尽权警 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ O u J／ 醛薰 匿恹错斑