应用矿井瞬变电磁法超前探测煤矿井下含水体.pdf

2 0 1 2 年l 0 月 矿 业安 全 与 环保 第3 9 卷第5 期 应用矿井瞬变电磁法超前探测煤矿井下含水体 李好 ， 胡运兵 ， 吴燕清 中煤科工集 团重庆研究 院， 重庆 4 0 0 0 3 9 摘要 系统介绍 了矿井瞬变电磁法多匝重叠式装置超前探测的基本原理和数据处理技术要点， 并以 文明煤矿 回风巷下 山口前 2 4 3 m处掘进头超前探测为例 ， 运用矿 井瞬变电磁法探 测并 圈定的低视电阻 率异常 区与矿方最后掘进结果相吻合 ， 验证 了利用该物探方法超前探测煤矿含水体的准确性和可靠性。 与其他方法相比， 该方法不仅探测效果好 ， 而且仪器操作轻便快捷 、 探测方 向具有任意性、 不受井下探测 狭小空间的影响。 关键词 矿井瞬变电磁法； 多匝重叠式装置 ； 全空间数据处理； 超前探测 ； 含水体 中图分类号 T D 7 4 5 ； P 6 3 1 ． 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 8 - 4 4 9 5 2 0 1 2 0 5 - 0 0 4 9 - 0 4 随着煤炭工业 的快速发展 ， 相伴而来 的煤矿安 全生产问题也 日益突 出， 近年来 出现 的煤矿安全生 产事故中， 矿井 突水 事故 占煤 矿事故 9 0 ％ 以上 ⋯。 基于如此严峻形势 ， 国家安全生产监督管理总局和 国家煤矿安全监察局于 2 0 0 9年联合颁布了新 的 煤 矿防治水规定 ， 以适应当前煤矿防治水工作的需 要。与此 同时， 矿井地球物理勘探工作得到 国家 主 管职能部门和煤矿企业的高度重视 ， 掘进或开采之 前的超前物探探水工作已经成为煤矿防治水工作最 重要的组成部分 。对于煤矿企业来说 ， 煤矿井下应 用地球物理方法要探测的地质异常体无 非两类 一 是含水体或导水体 ， 包括含水构造带或导水构造带 、 老窑积水 、 采空区积水体等 ； 二是小构造 ， 主要是小 断层破碎带或者陷落柱等。从 目前的地球物理勘探 实际应用效果及方法原理来看 ， 探测构造类地质体 选用地震类方法较好 ， 探测含水体类异常体选用 电 法类方法较好。电法类又分为直流 电法和瞬变 电磁 法 ， 直流电法虽然 目前在煤矿系统应用也较广泛 ， 但 是从原理 、 方法本身来讲 ， 直流电法三极超前探测在 数据处理环节有待深入研究 J ， 另外 ， 该方法存在仪 器相对笨重、 现场施工作业较为繁杂 、 探测时间较长 等缺点 ； 而瞬变 电磁法具 有仪器 轻便 、 现场操 作简 单 、 探测时间短、 探测 方 向可 以任意调 整等诸 多优 收稿 日期 2 0 1 1 1 2 2 0 基金项目 国家科技重大专项资助项 目 2 0 1 1 Z X 0 5 0 4 0 1 3 0 2 - - 0 0 3 ； 国家科技重大专项 资助项 目 2 0 1 1 0 5 0 4 0 0 0 2 0 0 5 作者简介 李 好 1 9 8 3 一 ， 男 土家族 ， 重庆酉阳人， 工学硕士， 主要从事地球物理勘探理论及其应用研究工作。 E ma i l l h a o 8 3 1 2 6 ． c o rn 。 势。从 目 前国内煤矿企业探水物探设备应用情况来 看 ， 瞬变电磁法将逐渐成为井下探水 主要 的探测方 法 。人们习惯上把井下应用瞬变电磁法称为矿井瞬 变 电磁 法 。 矿井瞬变 电磁法作 为先进 的煤矿探水方法 ， 近 年来国内外学者进行 了大量的理论研究 和应用 实践 “ J ， 取得了多项科研成果 ， 并积累了丰富的实 践经验 。目前 ， 矿井瞬变电磁法主要是采用边长为 1 ～2 m多匝重叠式装置， 数据处理手段基本上是基 于地面半空间的瞬变 电磁方法进行数据处理和地质 解释。故在方法应用层 面上 ， 存 在诸多技术 问题需 要研究、 改进。 1 超前探测煤矿井下含水体方法 1 ． 1 矿井瞬变电磁法多匝重叠式装置探测原理 由于地面场地较开阔， 一般都是采用长边长 、 匝 数少 、 发射和接收分离式的装置 ， 但是井下受巷道狭 小空间限制 ， 为了便于操作 ， 一般采用多匝重叠式装 置形式 。目前一般采用边长为 1 2 m， 发射匝数为 1 0 2 0匝， 接收匝数为 2 0 4 J D匝， 发射电流为 1 ． 5～ 3 ． 5 A的装置。 矿井瞬变电磁法视电阻率为全空间地层导电性 的综合反映， 视电阻率计算公式如下 o2 o s N ＼ P 孔 I J 6 ． 3 2 x 1 0 C S N V ／ I - 2 t ． 5 1 式 中 C为全空间响应系数 ； s为接收线圈面积 ； Ⅳ为 接收线圈匝数 ； ￡ 为二次场衰减时间； V ／ I 为接收的归 一 化二次场电位场值。 其中全空间响应系数 c是区别于半空间的关键 ．4 9 ． 2 0 1 2 年l 0月 矿 业安 全 与环 保 第3 9 卷第5 期 参数 ， 根据参考文献[ 1 2 ] ， 设 c为 1 ． 8 4 2时较为符合 瞬变电磁法全空间理论 ， 实际应用 中可能需要做 出 相应修正。 根据仪器 时窗大小 、 频 率等参 数， 进行 时深转 换 ， 具体计算公式如下 √ ／ p ti ti 2 式中 为相应仪器某时刻的时窗值 ； p t 为相应仪 器某时刻的视电阻值， 通过式 1 计算得到其值； 为 真空磁导率 ， 其大小为4 r r x l O 一 I - I ／ m； h 为视深度值。 从式 2 可看出， 为了较准确定位异常体位置， 计算较为准确的视电阻率值显得极为重要 。 现场测点布置方式有两种 ， 即扇形和矩形布置 ， 见图 1 。掘进头超前探测 时， 一般 情况下采用左右 和上下扇形布置两个剖面即可， 测点偏转角度一般 l 0 。 一 2 0 。 ， 为了便于计算， 测点数设置为奇数， 中间 的测点正对掘进头正方向； 侧帮超前探测时 ， 跟地面 探测一样， 测点在一条线上以点距为 2～ 5 m平移探 测点即可。 1 l a 掘进 工作面横向扇形布置方式 1 4 5 6 7 8 4 5 6 7 8 l 1 b 掘进工作面上下扇形布置方式 7 6 5 4 3 2 1 C 侧 帮矩 形布 置 方 式 图 1 矿井瞬变电磁法超前探测测点布置示意图 1 ． 2数据处理与地质解释 数据处理一般包括数据预处理、 计算视电阻率、 时深转换 、 测点数据扇形化、 物探成果图绘制。 数据预处理 主要包括坏点剔除 、 衰减 曲线平滑 处理、 视电阻率修正、 时深度修正。对于坏点剔除， 在测量过程 中由于井下机电设备 的随机 电磁干扰 ， 5 0 衰减曲线有时会 出现异常 ， 这样 的记录点测量数据 是不可靠的， 需要排除。其判别原则 早期测道数据 衰减成“ V” 或“ w” 型 ； 衰减 曲线与横坐标相交 ； 衰减 曲线衰减趋势紊乱等情况。 计算视电阻率 先采用公式 1 计算 ， 在有条件 的情况下 ， 根据相应 的测井等资料估算探测 区域 内 平均视 电阻率背景值 ， 然后根据其 背景值修正前面 的计算视电阻率值。 计算视深度 采用公式 2 计算 ， 在有钻探资料 的情况下， 应修正计算得到的视深度值。 测点数据扇形化 主要针对井下扇形布置情况 ， 矩形布置无需此步骤 。具体实现思路是依据计算出 来的视深度值和其测点偏转角度分解为成图时的 方向和 y方 向视深度值 ， 见图 2 。 弋 ＼ ＼ 图 2 扇形化计算原理图 假设测点数为 2 n 1个 ， 那么第 n 1测点探测 方向为 y方向； 假设其 中第 m测点探测方 向与 y方 向夹角为 0 ， 并假设该测点探测方 向上视深度为 h ， 则扇形化的新坐标系下横纵坐标公式可根据三角 函 数关系表示 X h 。 s i n 0 3 Y h C O S 0 4 物探成果 图绘制 主要包括衰减曲线图、 多测道 曲线剖面图、 视 电阻率等值线 图及其他导出参数物 探成果图的绘 制， 一般可采用专 门的地学类成 图软 件 S u r f e r 9 ． 0 、 G r a p h e r 7 ． 0绘制。 地质解释 根据视电阻率等值线等物探成果 图， 做出相应的地质成果推断 ， 必要的情况下 ， 应绘制相 应的地质推断图。另外， 值得注意的是由于物探解 释具有多解性 ， 在有条件 的情况下 ， 需要尽量结合相 应地质资料或钻探资料。解释原则 依据地质异常 体电阻率差异 即地质体之间的电性差异 。例如， 超前探水主要就是分析低视电阻率异常区域， 干溶 洞则是分析高阻异常区域⋯。 2 应用实例 以2 0 1 1 年 7月在山西省文 明煤矿 回风巷下 山 口 前 2 4 3 m处掘进头探测为例。使用的仪器为中煤 科工集团重庆研究院研制的 Y C S 4 0矿用本安型瞬变 2 0 1 2年 1 O月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 9 卷第5期 电磁仪。采用多匝重叠式装置， 边长为 1 ． 5 m， 发射线 圈为 1 O匝， 接 收线 圈为 2 5匝， 发射频率为 8 ． 3 H z 。 分水平和垂直两个方 向扇形探测 ， 水平方 向探测 范 围左 9 0 。 右 7 0 。 ， 每 1 6 。 一个测点， 共 1 1个测点 ； 垂直 方 向探测范围上下各 6 0 。 ， 每 1 0 。 一个测点 ， 共 1 1个 测点 见图 1 。井下 数据 采集完毕 之后 ， 按照以上 数据处理方法处理数据 、 绘制衰减 曲线图 、 多测道剖 面图及视电阻率等值线图。 横 向扇形探测衰减 曲线见图 3 ， 分析可知 ， 接收 线圈有用时窗范围 1 0 0 0～ 2 5 9 2 0 s ， 满足超前探测 长度要求 ， 二次场衰减基本正常。各探测点晚期有 “ 抬起” 现象， 属于噪声干扰 ， 说 明其掘进工作 面探测 前方地质异常体全部有 用信 号被接 收。总体而言 ， 长度探测信号可靠， 采集数据满足野外数据质量评 价要求 。 5【 J U O l O0 0 0 l 5 0 0 0 2 00 0 0 2 5 0 0 o ∥us 图3 横向扇形探测衰减曲线 多测道剖面曲线见 图 4 ， 分析可知 ， 除现场 电磁 干扰外， 各测道剖面曲线电位在正常背景值附近波 动较小 ， 说 明探测范 围内水平方 向上 的岩层含水量 较均匀。 1 0 0 3 0 图 4 横向扇形探测的多测道曲线 横向扇形探测视 电阻率等值线见 图 5 ， 综合分 析可知 ， 掘进头前方 1 1 5 m 内， 视 电阻率普遍较低 ， 属于低阻值区 ， 尤其是在掘进头前方 4 0～8 0 m 内可 能存在径流性的地下水。 一 l 5 - 3 5 - 5 5 7 5 - 9 5 一l l 5 预报距 离， m 图5 横向扇形探测视电阻率等值线图 上下扇形探测衰减 曲线见图 6， 分析可知 ， 接收 线圈有用时窗 1 0 0 0 2 5 9 2 0 s ， 满足超前探测长度 要求， 二次场衰减基本正常。部分探测点晚期有“ 抬 起” 现象 ， 属于噪声干扰， 说明掘进工作面探测前方地 质异常体全部有用信号被接收。总体而言， 长度探 测信号可靠 ， 采集数据满足野外数据质量评价要求。 1 1 0 5 1 l 0 4 1 l 0 3 ＼1 1 0 z 兰l x l 0 1 1 0 0 1 1 0 1 5 0 0 0 】 00 00 1 5 0 0 0 2 00 0 0 2 50 0 0 ∥us 图6 上下扇形探测衰减曲线 上下扇形探测多测道剖面 曲线见图 7 ， 分析可 知， 除现场电磁干扰外， 各测道剖面曲线电位在探测 区域正常背景值 附近上下波 动较大 ， 说 明该位置 的 顶板上方和底板下方的岩体含水量差别较大。 图7 上下扇形探测的多测道曲线 51 m ／ 呕 H封冀 Ⅲ／ 恒 H封 巢 O O O 0 O O 一 ／ A g一 ＼一 一 2 0 1 2年 l O月 矿 业安 全 与 环 保 第3 9卷第5 期 上下扇形探测视 电阻率等值线见 图 8 ， 综合分 析可知 ， 掘进头前方 9 0 m范围内， 设计巷道 的顶板 上方和底板下方岩土含水量差别较 大， 顶板上方含 水量较大， 底板下方岩土含水量相对较小 ， 推测该 区 域巷道顶板上方地层含水量较大 ， 可能存在径流性 的地下水 。 一 1 0 -2 0 -3 0 4 O- 5 0 6 O - 7 0- 8 0 -9 0 预报距 离， m 图8 上下扇形探测视电阻率等值线图 探测完成之后 ， 矿方钻探发现在掘进头前方 6 0 m 附近有径流性地下水 ， 后来掘进到 6 O～ 7 0 m也发现 底板渗水较为严重 。这也充分说 明本次地质解释成 果准确可靠 。 3 结语 目前 ， 矿井瞬变电磁法理论研究有待深入 ， 尤其 是在其全空间三维正演模拟和反演计算分析方面。 由于早期接收到的信号易受现场机电设备或一次场 的干扰， 当数据采集质量不高时， 采用先进的数据处 理方法就显得尤为重要 ， 故数据处理方法也需深入 研究。矿井瞬变 电磁法具有较多独特优势 仪器 轻 便 、 现场操作简单快捷 、 不受现场狭小空间的限制 、 可以实现任意方向探测 的需要 ， 基本上不影响煤 矿 正常施工 、 生产等其他工作。通过实例还说明该 方 法探测结果准确、 可靠， 值得在煤矿井下或其他地下 掘进工程中大力推广应用 。 参考文献 [ 1 ]张怀军， 李好， 胡运兵． 应用矿井直流电法探测煤矿巷道 前方含水体[ c ] ／ ／ 煤矿安全应用技术 2 0 1 1 年全 国煤矿 安全学 术 年 会 论 文 集． 徐 州 中 国矿 业 大 学 出版 社 ， 2 01 1 ． [ 2 ]强建科， 阮百尧， 周俊杰， 等． 煤矿巷道直流三极法超前 探测的可行性[ J ] ． 地球物理学进展， 2 0 1 1 ， 2 6 1 3 2 0 3 2 6． [ 3 ]于景邯． 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 ． [ 4 ]杨海燕． 矿用多匝小回线源瞬变电磁场数值模拟与分布 规律研究[ D ] ． 徐州 中国矿业大学， 2 0 1 0 ． [ 5 ]胡博． 矿井瞬变电磁场数值模拟的边界元法[ D] ． 徐州 中国矿业大学 ， 2 0 1 0 ． [ 6 ]岳建华， 杨海燕， 胡搏． 矿井瞬变电磁法三维时域有限差 分数值模拟[ J ] ． 地球物理学进展， 2 0 0 7 ， 2 2 6 1 9 0 4 1 9 0 9． [ 7 ]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 一 l1 56． [ 8 ]刘志新， 刘树才， 刘仰光． 矿井富水体的瞬变电磁场物理 模型实验研究[ J ] ． 岩土力学与工程学报， 2 0 0 9， 2 8 2 2 5 9 2 6 6 ． [ 9 ]刘振庆， 于景邮， 胡兵， 等． 矿井瞬变电磁法在探查迎头 前方构造中的应用[ J ] ． 物探 与化探， 2 0 1 1 ， 3 5 1 1 4 0 1 42． [ 1 0 ]廖俊杰， 于景邮， 胡兵， 等． 矿井瞬变电磁超前探测数据 处理与显示技术[ J ] ． 物探与化探， 2 0 1 1 ， 3 5 3 4 2 3 4 26． [ 1 1 ]张平松， 刘盛东， 李培根， 等． 矿井瞬变电磁探测技术系 统与应用 [ J ] ． 地球物理学进展， 2 0 1 1 ， 2 6 3 1 1 0 7 1 11 4． [ 1 2 ]杨海燕， 邓居智， 张华， 等． 矿井瞬变电磁法全空间视 电 阻率解释方法研究[ J ] ． 地球物理学报， 2 0 1 0 ， 5 3 3 6 5l -65 6． 责任编辑 吴 自立 上接第4 8页 参考文献 [ 1 ]孙继平． 煤矿物联网特点与关键技术研究[ J ] ． 煤炭学 报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 1 1 6 7 - 1 7 1 ． [ 2 ]唐述明， 贾春玉， 刘林， 等． 我国矿 山救护体系建设现状 分析[ J ] ． 矿 业安全 与环保， 2 0 0 9 ， 3 6 S 1 1 8 8 - 1 9 0 ． [ 3 ]杨继东， 黄卫东． 物联网在应急领域的应用分析[ J ] ． 中 5 2 国公共安全 综合版 ， 2 0 1 1 Z 1 1 5 0 1 5 2 ． [ 4 ]张书建， 汪云甲， 范忻， 等． 基于 R F I D技术的矿山物联网 关键问题及其仿真[ J ] ． 金属矿山， 2 0 1 1 5 1 1 3 - 1 1 6 ． [ 5 ]王铃丁， 张瑞新， 赵志刚， 等． 煤矿应急救援指挥与管理 信息系统[ J ] ．辽宁工程技术大学学报， 2 0 0 6， 2 5 5 6 5 5 - 6 5 7． 责任编辑 李琴 Ⅲ／ 嬗 罐 臀恒 耐冀 u v 嬗 佰 H耐 枣