昭阳煤矿瞬变电磁法超前探测技术研究.pdf

Co a l Mi n i n g T e c h n o l o g y 昭阳煤矿瞬变电磁法超前探测技术研究 孙 海华 山东微山昭阳煤矿，山东 济宁 2 7 7 6 0 0 【 摘要 】为了准确测定迎头前方富水性情况以及水文地质参 数 ， 本文采用矿 井瞬 变电磁超前探测技术对昭 阳煤矿三水平一 5 2 0回 风 大巷迎 头进行 了地质条件探 测与预报 ， 通过对监测数据研 究处理 ， 定量分析 了迎头前方岩体的含水和地质构造情况。 【 关键词 】昭阳煤矿；瞬变电磁探测；含水性；地质构造 1巷道 掌子面地质现状 本文 中超前探测于 2 0 1 3年 1月 1 0日在三水平一 5 2 0回风大巷掘 进巷道测量 点 2 O前 1 6 ． 5 m处展开。 目前一 5 2 0回风大巷迎头断面岩 性较复杂 ，揭露 为上层充填方 解石 脉的灰岩 ，中间夹有煤线，下层 为含有多云母片 的火成岩 ，且含有生 物化石 。底板有距迎头有 6 ． 7 m 范围积水 为打锚杆滴水 ， 迎头顶部上方有少量锚杆等其他金属物 件 。 2 瞬变电磁探测技术 2 ． 1探测地球物 理条件 从岩性物 性差异角度分析 ，煤层 、灰岩相对其它岩层为高 电阻 率阻层 ，若岩层含 水，则随着 其含水 率的增加 电阻率值减小 。因此 ， 岩层电阻率的变化除与岩层岩性本身有关外 ，其含水性也起决 定作 用，故在灰岩等高阻地层中，地层含水 ，表现为低 电阻率值 ；相反 ， 则表现 高电阻率值。 2 ． 2基本原理 ’ 瞬变 电磁法属时间域 电磁感应方法 。其探测原 理是 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。 瞬变 电磁场在大地 中主要 以 “ 烟 圈”扩散 形式传播 ，电磁能量 直接在导 电介质 中传播而消耗 ，高频 部分主 要集 中在地表 附近 ，且 其分布范 围是源 下面 的局部 ，较低频 部分传 播到深 处，且分布范围 逐渐扩大 。 2 ． 3矿井 瞬变 电磁探测特 点 由于 井下特殊施 工环境 ，矿井瞬变电磁法与地面瞬变 电磁法及 其它矿井物探方法有很大不 同，主要有 以下几方面特点 1 与地面瞬变 电磁法相 比具有测量设备轻便 ，工作效率高， 成本低等优点 ，可用于其他矿井物探方法无法施工的巷道 ； 2 异常体感应信号较强 ，具有较高的探测灵敏度； 3 探测 目标 区域更具针对性 ； 4 受发射 电流关 断时间的影响 ，早期测量信号畸变 ，无法探 测 到浅层 的地质异常体 ，一般存在 1 O 2 0 m左右的浅部探测盲区 ； 5 井下施 工时，测量数据容易受到金属物 采煤机械、变压 器 、金 属支架、排水管道等 的干扰，需要在资料处理解释 中进行 校 正或剔 除。 煤层通常为高阻，矿井瞬变电磁法同样面临全空间电磁场分布 的问题 。但可利 用小线框体积效应小、 电磁波传播具有方 向性 的特 点，通 过改变 线框平面方 向并结合地质资料来判断地质异常体 的空 间位置 。 3现场工作技术方法 本次探测 于 2 0 1 3年 1 月 1 O日完成现场 数据采 集， 现场位 于一 5 2 0 回风大巷测量点 2 O前方 1 6 ． 5 m处。 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 3 6 6 I 华东科技 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 测 点布置如图 1 ，每个测点处在竖直方 向上采 集 3组数据 ，依此为超前顶板、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 ；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 O 。的夹 角进行探测 。 当天线 的法线方 向与巷道迎头界而垂直 时，根据 其主迎 头断面 的宽 度布置 2 3个测 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 0 。的夹角进行探测 ， 从而实现从多个角度采集数据 ， 称之为 “ 扇形 ”测深系统技术 。 图 l 瞬变电磁观测系 统布置示意 图 4数据 处理及 结果解析 4 ． 1数据处理 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 ，处理流程主要包 括数 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。 数据处理时 ，以- 5 2 0回风大巷掘进巷道 测量点 2 O为控制点， 迎头处为零 点，掘进迎头前方为 x轴正方向，建立空间笛卡尔坐标 系，该坐标系与掘进巷道实际测点相对应 。 4 ． 2结果解析 由图 2中的 3个视 电阻率剖面，从左至右分别为掘 进巷道 4 5 。 倾顶板 、顺层和 4 5 。 相对巷道走 向倾底板方向视 电阻率拟 断面 图；每一幅 图中从左至右分左帮、迎头和右帮 3个探 测 目标，从观 测系统中可 以看 出，本次探测 的所 有测 点均 分布 在巷 道平面上，为 重点解 释区域；本 次实际探测掘进 巷道迎 头前方 9 0 m ，解释迎头前 方 9 0 m ，盲区 l O m 。 针对前方 探测结 果解释如下 图 2中，一 5 2 0回风巷道掌子面前 方 5 5 m范围内岩层 电阻率值均高于 1 0 Q． m ，表明该范围 内岩层含水 性差；5 5 7 0 m 范围电阻率值相对 变低 ，推断为前方 岩性变化或含 水所致 ；7 0 9 0 m 范围内岩层 电阻率值 明显变低 ，表 明该范围 内岩 层富水性增 强，可 能与地质推断的断层构造有关 。 图2 三水平一 5 2 0 回风大巷测量 点 2 0 前 1 6 ． 5 m 迎头瞬变 电磁探测结果 5 结论 下转第 3 8 4页 9 ～ 十； 碰撼进方向 6 t L遘 ；{ l 1 圳 2 t 十 隧 雕 Co a l Mi n i n g T e c h n o l o g y 3 无活动部件，无分流管的热分布式仪表无阻流件， 压力损 失很小； 4 使用性能相对 可靠。与推 导式质量 流量仪表相 比，不 需温 度传感器 ，压力传感器 和计算单元等 ，出现 故障概率小 。 缺点 1 热式质量流量计响应慢 2 必须定期清洗； 3 对于粘性液体在使用上受到限制。 3技术 发展趋 势和瓦斯抽放监控 系统 的特点 3 ． 1发展趋 势 1 单一装备 向系统集成化发展。 2 软硬件结合更加紧密，系统功能更加丰 富，技术更 先进 。 3从 单纯 的参 数监 测 向监测监 控 系统方 向发 展 。 3 ． 2瓦斯抽采监测监控系统的特点 1 根据 瓦斯抽放 系统运行状态 ，对其实施全 自动控制 ，当监 控系统 接收到启 动、停止、送气或停止送气等信号时，按照工艺流 程 自动执 行相应 的控制 ； 2 根据管道参数 ， 可以计算 出管道标况混合流量及其累计量、 管道标况 纯流量 及其 累计量 。 3抽放 系统运行出现异常时 ，可 以根据 异常状况的不 同， 对系统发出不同的控制 动作和 声光报 警信号 ； 4 抽放监 控采 用 P L C主控，逻辑控制功 能强大 5 系统控制方式灵活 ， 支持 自动 、 手动和检修三种工作模式 在控制柜显示屏或上位机上可以查询到详细故障报警原因； 6 系统具有停电保持功 能，备用 电源可工作两小时 以上； 7 抽放监控柜操作方便 ，显示 直观 ； 8 上位计算机可与综合监控系统联网，使 网上所有终端在使 用权限范围 内都能共 享监测信 息，查 询各类数据报表 ； 9 瓦斯抽放监控柜形式多样，可以根据用户需求， 设计为立 式柜或者操作控制台，采用分体组合 式，组网灵活 ，便于运输 。 4结束 语 瓦斯抽采 是治 理瓦斯 的治本措 施 ，我国煤矿 瓦斯 抽采经 历 了 “ 局部防突措施为主、先抽后采 、抽采 达标和 区域 防突措施 先行 ”4 个阶段 。瓦斯抽采作为解决煤矿瓦斯 问题 的有效 途径 ，在 理论和技 术方面 都取得 了重大进展 。但还有 很多问题没有 解决，我们仍需继 续进行 理论研 究和科 技攻 关，使我 国的瓦斯抽 采技术得到进一步的 发展，为我 国煤炭行业安全高效生产保驾护航 。 参考文献 ⋯袁 亮． 瓦斯 治理理念和煤与 瓦斯共采技术【 R1 ． 2 O l O [ 2 ] 杜海涛， 李长青， 许合利， 张建彬． 红外遥控在瓦斯传感器中的应用 f T ] ． 焦作工学院学报 自然科学版 ， 2 0 0 4 2 ． 作者简介 张寅，男，1 9 8 6 年3 月生，籍贯淮南 。大学本科学历，助理 工程师 ， 现在淮浙煤 电公司顾北矿从事煤矿 瓦斯监控工作 。 上接 第 3 6 4页 加强边角煤 、以前弃采及擅 自留设顶底 需进行 复采 的开采技术 与装备研究，在保证安全的前提下，尽可 能减少煤 炭损失 。 3结束语 影响煤炭资源 回采率 的因素很 多，既有客观 自然存在 的，也有 人的认识水平、知识结构受局 限或疏于管理造成 的；相应采取 的措 施 、对策应有针对性 。无论采取那种办法 ，最终 目标是提 高矿井煤 炭资源 回采率 、延长矿井服务 年限。从煤炭 行业发展趋 势来讲 ，依 靠科技进步 ，提高煤炭开采机械化水平，整合零散 资源，走规模型、 集 团型发展之路 ，是提高煤炭资源回采率的有效途径。 参考文献 ⋯徐永圻． 煤矿开采学【 M】 徐州 中国矿 业大学 出版， 1 9 9 9 [2 】 梁和平， 章之燕 开滦矿区 铼采放顶煤工艺煤炭采出率的分析U ] 媒 炭科学技术， 2 0 0 8 7 [3 】 周立辉， 郭立稳 ，杨 占秋 赵各庄矿 大倾 角厚煤层综采放 顶煤 开采技 术 煤炭 工程， 2 0 0 8 7 ． [ 4 l 齐俊德． 采煤方法的合理选择及 实践U 】 ． 矿冶， 2 0 0 7 3 ． 【 5 】 郝 忠 军 井下 采煤 技 术 及采 煤 工 艺 的 选择 内蒙 古科 技 与 经 济， 2 0 0 7 1 3 ． 上接第 3 6 6页 综合 巷道 区域地质 资料 ，以及本次瞬变电磁超前探 测结果，得 出如下结论 1 瞬变 电磁控制巷道前方 l O 9 0 m范围，对其 中的岩层 电性 特征进行解释 ； 2 一 5 2 0回风巷道探测 点掌子面前方 1 0 5 5 m段岩层 电阻率 值相对较 高，其岩层含水性差 3 一 5 2 0回风巷道探测点掌子面前方 5 5 9 0 m范围 内，测试电 阻率值变低 ，岩层 富水 性相对增强 ，可能与推断地质构造有关。 参考文献 [ 1 】 袁春， 王嵩嵩瞬变电磁法在矿区水文地质勘查中的应用U l l 长春工 业大学学报 自然科学版 ， 2 o 1 2 o 2 ． f 2 ] 石显新 矿井瞬变电磁法在煤矿水害预测防治中的应用【 A J ． 中国煤 炭学会煤矿安全专业委员会 2 0 0 4 年学术年会论文集[ c 】 ． 2 0 0 4 ． [ 3 ] 石显新， 闰述， 陈明生． 瞬变电磁法超前探测水害异常构造应用研究 中 国职 业安 全健 康协会 首届 年会 暨职 业安 全健康 论坛 论 文集 【 c ] ． 2 0 0 4 ． 作者简介 孙海 华 1 9 7 7 一 ，男 ，江苏盐城人 ，助理工程师，现工作于微 山昭 阳煤矿 技术管理中心。 上接第 3 8 5页 以上计算表 明当工作 面排距 为 1 ． 2 m ，柱距为 0 ． 6 m ，支护密度 为 1 ． 3 9根／ m 时，支柱 的初撑力达到 9 0 k N ，即可满足保持直接顶与 老顶之间不离层 的要求 。 3 ． 4最后考虑防推问题 预防工作面推垮型 冒顶主要靠提高支柱的初撑力 ，将下位直接 顶顶紧上位的老顶，从而使得直接顶和老顶的摩擦阻力足 以防推 。 考虑到平均采高为 1 ． 8 m ，只需考虑相当厚度的下位直接顶的防推问 题即可。为此，单体支柱所 需初撑 力 P按 下式计算 ， C O S s 翌 c o s 2 3 s iI l 2 3 o 6 6 ．6 9 k N ／ 根 因此，当工作面排距为 1 ． 2 m，柱距为 0 ． 6 m时，支柱的初撑力 达到 7 0 k N ，即可防止推垮型事故的发生。 3 ． 5支护设计小结 将以上支护设计总结如下I I I 工作面支护规格为采用三、 四排控顶 ，最小控顶距 3 ． 9 m ，最大控顶距 5 ． 1 m ，放顶步距 1 ． 2 m 。 3 8 4 l 华东科技 1 ． 2 m的 H D J - A 一 1 2 0 0型金属铰接顶梁与 D Z 2 5 ／ 1 0 0型单体液压支柱配 套使用，顶梁 与支柱配合是柱前 0 ． 7 m ，柱后 0 ． 5 m 。每根支柱初撑力 为 9 0 k N 。 工作面排距为 1 ． 2 m ， 柱距 为 0 ． 6 m ， 支护密度为 1 ． 3 9根／ m ， 满足防漏、防压和防推的采场控顶设计要求 。为 了防止采空 区大块 矸石窜入推垮支架的需要 ，末排支柱应设计加强支护 。 4经验总结 1 正常情况下 ，排距 1 ． 2 m ，柱距 0 ． 6 m时，可 以满足生产需 要 。但是，当工作面过断层时，需要缩小柱距 ，加强护顶 ，防止漏 冒型事故的发生。 2 悬顶面积沿走 向大于 l O m ，倾斜大于 2 0 m时，必须进行强 制放顶。强制放顶措施由技术部门根据 实际情况制 定。 3 工作面初采阶段 ，也就是直接 顶初 次垮落和 老顶初 次来压 期间 ，特别容易发生 冒顶事故 。要求增加切顶支柱 的初撑力或切顶 支柱 的工作阻力加强护顶，提高支护质量 ，以保证 工作面顺利推进 。 4 防止支架倾倒 。由于工作面 倾角较 大，需沿 倾斜 方向采 取 支柱防倒措施。可采用防倒绳将支柱沿倾斜方向联起来，以防支柱 失效倾倒伤人 。