矿井瞬变电磁法在海域煤矿富水性探测中的应用.pdf

2 0 O 8 年 第6 期 童 钱晨 科技 5 9 矿井瞬变电磁法在海域煤矿富水性探测中的应用 刘鑫明， 刘树才， 邢涛 中国矿业大学资源与地球科学学院， 徐州2 2 1 0 0 6 摘要该文介绍 了矿井瞬变电磁法在龙口某煤矿首个海域大采区顶、 底板富水性探测中的应用。探测结果表明， 矿井瞬变电磁法能准确 的 圈定顶、 底板富水区域横向位置， 而纵向位置定位准确性较差， 对富水性的强弱仅能做相对定性解释， 不能给出定量解释。由于采用多匝小回 线装置形武， 发射电流关断时闻的存在， 存在近砸离的探测盲区。 关键词矿井瞬变电磁法 富水区 多匝小回线 中图分类号 I 6 4 1 ． 7 2 文献标识码B Ap p l i c a t i o n o fl V l i n e Tr a n s i e n t E l e c t mn mg n e t i c Me t h o d i n e x p l o r i n g Un d e r s e a Co a l mi n e wa t e r - r i c h z o n e I ／ uXi nrui n g， 【 i u S h uc a i ， Ⅺ Ta o S c h o o l 0 f R e s o m a n d G e o s c i mc e s ， C U M T ， 扛 m ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a A b s t r a c t I n t h i s p a p e ， a p p l lc a l c c 0 f M i n e t r a n s i e n t e l e c h 日 昭喊． c m e t h o d M T E M t o e x p l o r a t i c t h e fi r s t b i g w o r k i n g f a c e ’ s w B i e 一ri c h ∞∞in Ⅲu n d o- 8 e a c o a l m i n e o f l I gKo u ．T h e r e s t d t s h o w st h a t ， t h et r a n s v e r s e p o s i t i o n 0 f w a t e r “ 一r i c h z o n ei s e x a c t ly c o n mn c d， b u tt h el ∞ 1 w i s e p o e i t i c ．d wa l e rr l c h c o u l d n ’ t e x a c t ly c o n fi r m． T h e a l i l 址 iv e d y 8 i 8 0 f t h e w a te r c a n b e m a d e ， b u t t h e q u a n t i ta t i v e a y 8 i8 c a n n o t b e ． 雎I l d z o n e i n s h o r t d i s t a n c e c a r m c t b e a v o id e d b e c a u s et h et i me 0 f s h u t d o w ni n o a tr e n t a n d a p p l ic a t i o nme e i le 8 s ma l l s e t ． I Oy wo r d s r a t h et r a n s i e v d∞Ⅱ嘎 瑚 ldi c me t h o d；w a t e r r i c h z o n e ；In D l e c i c l e s s n a i l s e t 煤矿顶、 底板水害是影响矿井安全生产的主要因 素之一， 为保证煤层的正常开采 ， 在煤层开采之前对采 区内进行水文地质勘查， 查明煤层顶、 底板围岩的富水 情况、 采空区的积水情况和主要断层的赋水等问题具 有十分重要的意义。 1 基本原理 矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁测深原理一致。 利用不接地回线 大回线磁偶源 或接地线源 电偶源 向地下发射一次场， 在一次场的间歇期间， 测量地下介 质的感应电磁场 二次场 电压随时问的变化。根据二 次场衰减曲线的特征， 就可以判断地下地质体的电性 特征。岩石裂隙发育丰富， 含水量越大， 导电性越好。 所不同的是， 矿井瞬变电磁法是在井下巷道内进行 ， 瞬 变电磁场呈全空间分布， 全空间效应成为矿井瞬变电 磁法固有的问题。煤层一般情况下为高阻介质 ， 电磁 波易于通过， 所以煤层对 T E M来说就没有像对直流电 场那样的屏蔽性， 故接收线圈接收到的信号是来 自发 射线圈周围全空间岩石电性的综合反映。因而在判定 异常体空间位置时， 需根据线圈平面的法线方向并结 合地质资料加以综合分析确定。因此， 可以用瞬变电 磁法探测煤层顶底板的富水性。在探测时架设线圈使 *收稿日期 2 0 0 8 0 8 2 5 作者简介 刘鑫明， 男， 1 9 8 0一 ， 河北唐山人 ， 中国矿业大学资源 与地球科学学院地球探测与信息技术专业硕士研究生。 其法线方向对准巷道 中所要探测的目标体， 在发射线 圈中通以阶跃电流， 瞬间关断后， 根据美国地球物理学 家 M． N ． N 出 娜 的研究， 在任一时刻发射线圈前方的 涡旋电流在发射位置处产生的电磁场可以等效为一个 水平环状线电流的磁场， 而等效电流环很像从发射回 线中“ 吹” 出来的一系列“ 烟圈” ， 即“ 烟圈效应 。 “ 烟圈” 的半径 r 、 深度 d 的表达式分别为 r ／ 8 c 2 t ／ a ／ 0 口 1 d 4 ／ t ／ 7 ／ z 0 2 式中 o 一 发射线圈半径； c2 量 一2O． 5 4 6 4 7 9 ； 。 fl- 一 大地电导率 ； ／ z o 一 真空磁导率 ￡ 一 时窗时间， r n s 。 当发射线圈半径相对于“ 烟圈” 半径很小时。可得 t a n 0 1 ． 0 7 ， 4 T， 故“ 烟圈” 将沿 4 7 D 倾斜锥面扩 散， 其向下传播的速度为 ad 2 一 0t 3 从 1 到 3 式可以看出、 地下感应涡流向下、 向外 扩散的速度与大地导电率有关。导电性越好， 扩散速 度越慢， 这意味着在导电性较好的大地上， 能在更长的 延时后观测到大地瞬变电磁场。从“ 烟圈效应” 的观点 量 瞧差 错枝 2 O O 8 年 第6 期 来看， 早期瞬变电磁场是由靠近发射线圈岩体中介质 的感应电流产生的， 反映近距离的电性分布； 晚期瞬变 电磁场是由远离发射线圈岩体中的介质的感应电流产 生的， 反应远距离的电性分布。 2 数据处理与方法技术 瞬变电磁所观测的数据是各测点各个时窗 测道 的瞬时感应电压 ， 可根据公式转换成视 电阻率、 视深 度。通常应用视电阻率来做瞬变电磁测深的下一步解 释工作。计算视电阻率的公式为 ID 一 [ ] 4 式中 p 一视电阻率 ， n m ； m 一为发射磁矩， A m 2 ； 口 一为接收线圈有效面积， m 2 ； t 感应电压， v 。 3 应用实例 3 ． 1 地质条件 1 - 1 2 1 0 6 工作面为某煤矿海域首个大规模工作面， 工作面走向 1 4 7 0 m ， 斜长 1 5 0 m 。该面煤层起伏变化较 大， 煤层倾角 4 ～l 2 o ， 煤层稳定。煤层底板标高 一 2 8 0 ～一 3 2 0 m ， 老顶以含油泥岩为主， 局部夹软泥夹层， 强 度低； 煤层底板为泥岩和砂岩。靠近切眼处断层发育 旺盛。 3 ． 2 水文地质条件 该工作面水文地质条件相对 比较简单， 由于工作 面煤层埋藏较深， 一般不受海水和第四系含水层影响， 主要是受煤系地层含水层水影响。煤系地层中的含 隔 水层主要有六层。本次瞬变电磁勘查重点是要查 明煤 1 油 2 含水层和泥岩、 泥灰岩互层含水层中的富 水区域对工作面回采的影响。 3 ． 3 探测方法与工作参数 此次瞬变电磁勘查使用澳大利亚产 T e r r a T E M瞬 变电磁仪。由于受巷道空间所限， 装置采用多匝小回 线， 线圈边长 2 m ， 通过增加线圈匝数的方法来加大发 射磁矩与有效接受面积， 以满足探测深度的要求。线 圈的法线方向可视为探测方向。在井下施工过程中， 可以通过调整线圈与巷道顶、 底板之间的角度改变线 圈法线的指向， 获取不同方向上的地电信息。 7 0 0 条测点布置在井下 H 2 1 0 6 工作面运输巷和材 料巷、 联络巷、 切眼以及探巷中， 点距 1 0 m ， 在断层区域 间距适当加密， 为 5 m 。探测方向如图 1 所示。 3 ． 4 探测结果 根据本次探测结果圈定顶板 l 1 个富水区域， 底板 9 个富水区域。其中相对强富水区顶、 底板各三处， 全 图 1 探测方 向示意 图 部靠近切眼一端， 这一区域断层发育较多， 处于较大范 围的煤层变异区。图2 所示为材料巷 9 0 ～1 1 6 号测点 顶板视电阻率等值线断面图， 该范围内有一个面积最 大的富水异常区C 一 4 9 2 0 m～l 1 4 0 m 。综合考虑视电 阻率最小值大小、 地质构造及水文地质条件等因素， 将 c 一 4 异常区划为相对富水性一般区域。 1 1 0 9 O 藉 7 O筮 糍 5 O海 3 0 更高 图2 材料巷9 0 1 1 6 号测点顶板视电阻等值线断面图 由图可知， 多匝小回 线装置形式发射电流关断时 问过长， 造成早期数据严重畸变， 致使约 2 0 m的近距离 信息无法分辨。同时由于巷道中 u 型钢的和金属锚网 的支护， 造成视电阻率值较小， 但这种影响是均一的， 不会造成异常干扰。 4 结论 经实际探放水证明， 此次探测横向异常定位比较 准确， 纵向定位由于受关断时间的影响， 准确性较差， 盲区较大。同时由于受金属锚网支护的影响， 视电阻 率值较小。 参考文献 [ 1 ] 蒋邦远． 实用近区磁源瞬变电磁法勘探[ M] ． 北京 地质出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 程娟， 康静文． 瞬变电磁法在煤矿水害探测中的应用研究[ J ] ． 山 西煤炭， 2 O O 8 ． [ 3 ] 姜志海， 岳建华， 刘志新 ． 矿井瞬变电磁法在老窑水超前探测中的 应用[ J ] ． 工程地球物理学报， 2 O 0 7 ． [ 4 】 陈利， 水春， 陈斌． 瞬变电磁技术在煤矿井下的应用[ J ] ． 煤炭技 术， 2 0 0 7 ． [ 5 ] 刘树才， 岳建华， 刘志新． 煤矿水文物探技术与应用[ M] ． 徐州 中 国矿业大学出版杜， 2 O O 5 ．