瞬变电磁法在井下工作面顶板导水裂缝探测中的应用_李洋.pdf

第 46 卷 增刊 1煤田地质与勘探Vol. 46 Supp.1 2018 年 7 月COALGEOLOGY working face roof; water-conducting crack 煤矿工作面顶板水害一直是困扰矿井工作面安 全回采的重要安全隐患，而回采产出的导水裂缝带 往往是工作面的主要充水通道，针对工作面顶板水 害问题，国内外专家学者提出了不同探测方法侯 彦威等[1]、毛明仓等[2]、张存乾等[3]提出采用直流电 法对顶板水害进行防治，该方法探测距离短，井下 狭小环境不便施工；谢伟等[4]、施龙青等[5]、马炳镇 等[6]从二维三维、地面井下多角度论述了高密度电 法在顶板富水区探测中的应用，其不易受人工低阻 体的干扰，但数据采集和处理复杂；邹阳[7]、张卫 等[8]提出采用并行电法，该方法数据信噪比高、快 速准确；栗荣华[9]、于永春等[10]、朱由军等[11]应用 大地电磁法探明了矿井工作面富水规律，但该方法 具有抗干扰能力差、多解性强的缺陷。近年来由于 瞬变电磁法对地下水等良导体比较敏感，探测距离 远、施工快捷高效、回线组合多样，已成为矿井水 害探测的首选方法[12-15]。 本次以羊场湾煤矿 160201 工作面顶板为例,采 用瞬变电磁法探测，根据研究区水文地质特征，通 过多次改变探测倾角以提高覆盖次数、提取三维数 据体以增强分析直观性，使顶板导水裂缝探测更加 直观准确高效。 1研究区概况 羊场湾煤矿为宁东第一座大型千万吨现代化矿 井，其中 160201 工作面位于羊场湾一号井田中南 部，工作面煤层距地面垂直深度为 440.7553.5 m， 平均埋深 497.1 m，工作面走向长度约 830 m，煤层 伪顶岩性为炭质泥岩，直接顶岩性为粉砂质泥岩， 老顶为中砂岩、粉砂岩。 160201 工作面回采期间的主要充水通道为煤 层回采所产生的导水裂缝带，根据对导水裂隙带发 育高度计算结果，导水裂隙带发育最大高度大于工 作面与延安组 12 煤间含水层之间的距离，并且能 够波及至直罗组下段粗砂岩含水层，因此，160201 工作面回采过程中产生的导水裂缝带是工作面的主 要充水通道。 根据以往水文地质资料及周边井田工作面开拓 ChaoXing 增刊 1李洋等 瞬变电磁法在井下工作面顶板导水裂缝探测中的应用67 情况推测，羊场湾煤矿井田南部区域 2 煤顶板直罗 组砂岩含水层富水性较强，如果不进行预疏放，则 会对 160201 工作面排水系统造成巨大压力， 甚至有 可能产生淹没工作面的情况。因此利用瞬变电磁法 对 160201 工作面顶板导水裂缝带探测是十分有必 要的。 2顶板导水裂隙瞬变电磁探测机理 不同岩性的地层具有不同的导电性，煤系地层的 沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，导电性特征 在横向上相对比较均一，纵向上有固定的变化规律。 当断层、裂隙等构造发育切割煤系地层时，将打破地 层电性在横向和纵向上的变化规律。如果构造含水， 由于其导电性好，相当于存在局部低电阻率地质体。 这种变化规律的存在，为以岩石导电性差异为物理基 础的矿井电磁法探测提供了良好的地质条件。 因此应用瞬变电磁法探测技术探测煤岩体随 时间变化的感应电位，通过对所采集数据进行定性 处理，结合水文地质资料，对巷道顶板视电阻率数 据进行分析和解释，可推断顶板上方一定深度范围 内富水异常区的分布规律。 针对羊场湾 160201 工作面煤层存在一定倾角 状况，若煤层倾角为α对于顶板、顺层、底板的探测 角度需要做出相应调整，分别为15α，30α和 45α，确保线圈法线方向始终与岩层呈 15、30 和 45如图 1，保证提取的煤层顶板视电阻率平面 图为法向层位平面图。采用 15角度变化法遵循“烟 圈效应”，可以避免出现探测盲区，实现对前方有效 区域的全覆盖探测，准确收集地质信息，确保地质 解释的准确度和精度。 图 1井下瞬变电磁测点探测方向示意图 Fig.1Schematic detection direction of underground transient electromagnetic measurement points 3顶板导水裂隙探测实例分析 根据探测目的和现场实际情况，本次工作主要 探测羊场湾煤矿 160201 工作面顶板范围煤岩层富 水性，圈定富水异常区。测线布置在 160201 工作面 风、机两巷，停采线处0 号测点处开始测量，探测 间距为 10 m如图 2。在巷道中每个测点设计 3 个 不同探测方向，分别向工作面面内及顶板布置，设 计探测角度分别为顶板 15、顶板 30、顶板 45， 每条巷道布置测点 84 个点，共计 170 个测点，共 1703510 个数据。 图 2工作面瞬变电磁现场探测示意图 Fig.2Schematic TEM in-site detection in working face 本次瞬变电磁法是在已知地质资料的基础上， 采 取由已知到未知，由点到线，由线到面，由简单到复 杂的解释原则。 首先对探测所采集的数据进行电感校 正、 曲线偏移和小波变换，剔除一次场和干扰信号对 采集数据的影响， 形成探测处理成果图。 最后结合已 知地质资料，把电磁法异常转化为地质异常。 3.1风巷探测分析 160201 工作面风巷瞬变电磁探测工作自停采 线0 m起至切眼位置，测量距离 830 m，测点间距 10 m。从工作面风巷顶板富水性瞬变电磁探测视电 阻率等值线断面图可以看出图 3 风巷顶板在不同 探测角度时浅部视电阻率较低，电性横向连续性较 好，呈相对低阻反应，说明风巷顶板浅部裂缝发育 且具有一定富水性， 随后视电阻率呈相对高阻反应， 随着探测深度的增加，电阻率不断增加，导水裂缝 减小，富水性减弱。 3.2机巷探测分析 160201 工作面风巷瞬变电磁探测工作自停采 线0 m起至切眼位置，测量距离 840 m。机巷顶板 探测角度 15时图 4a，总体上电阻率较高，局部 ChaoXing 68煤田地质与勘探第 46 卷 图 3风巷顶板瞬变电磁探测视电阻率等值线断面图 Fig.3Cross-sections of TEM apparent resistivity contours of air way roof 图 4机巷顶板瞬变电磁探测视电阻率等值线断面图 Fig.4Cross-sections of TEM apparent resistivity contours of belt transporter roadway roof 呈线性圈闭，顶板裂隙可能发育但富水性弱。机巷 顶板探测角度 30时图 4b，相较之前探测角度 15探测区域低阻区域发育范围显著增大，电阻率 显著减小，该探测区域接近直罗组下段粗砂岩含水 层，此区域导水裂隙发育，含水层向上具有一定水 力联系。回风巷顶板探测角度 45时图 4c，同样相 比较探测角度 30低阻区域发育范围逐渐减小，随 着工作面顶板层位的增高，视电阻率逐渐增大，导 水裂缝相对减少，向上水力联系逐渐减弱。 ChaoXing 增刊 1李洋等 瞬变电磁法在井下工作面顶板导水裂缝探测中的应用69 3.3工作面顶板上等高面数据分析 为了直观准确分析工作面顶板不同探测深度导 水裂隙带的变化，建立工作面顶板瞬变电磁视电阻 率三维数据体。从图 5 中可以发现工作面顶板上 30 m 以下机巷处视电阻率较高，风巷处视电阻率较 图 5工作面顶板瞬变电磁探测视电阻率等值线平面图 Fig.5Plane of TEM apparent resistivity contours of the working face roof ChaoXing 70煤田地质与勘探第 46 卷 低，且具有一定富水性，横向具有连通性，富水 性较弱。此外低阻发育范围向上明显减小，表明 水力向上联系减弱；顶板上 4070 m 相比较 10 30 m 层位低阻区域发育范围逐渐增大，视电阻率 为 2550 Ωm，横向均一性较差，说明此层段顶 板含水层裂隙发育，富水性较强，导水裂缝向上 水力联系性增强。随探测层位增加，由于裂隙发 育不均匀，表现出富水性不一致，富水区主要靠 近机巷，靠风巷低阻区富水性减弱，与顶板深部 水力联系减弱。 4钻孔验证 本次瞬变电磁探测结束后对 160201 工作面切 眼处顶板水进行了疏放水试验钻孔， 共施工 7 个钻 孔图 6，其中 JS5-2、JS5-3、FS5-2 钻孔向切眼外 侧方向施工，不在本次探测区域内，不作讨论。另 4 个钻孔向切眼内侧方向施工，钻孔轨迹在本次探 测区域范围内，可作为本次探测工程验证钻孔如 表 1 JS5-1 在 87 m 处见水， 终孔涌水量为 5 m3/h； JS5-4 孔在 88 m 处见水，终孔涌水量为 6 m3/h； FS5-1 孔在 75 m 处见水，终孔涌水量为 14 m3/h； FS5-4 孔在 77 m 处见水，终孔涌水量为 5 m3/h。因 此验证钻孔的实际验证结果与瞬变电磁探测成果 基本吻合。 由以上验证钻孔分析可知，工作面顶板上方 3070 m 层位视电阻率值低于 50m范围均具有 一定富水性，随着探测区域电阻率升高，富水性相 对减弱。 图 6工作面井下瞬变电磁法探测成果及疏放水钻孔布置平面图 Fig.6Plane of underground TEM detection results and water drainage borehole layout in the working face 表 1工作面探采对比一览表 Table 1Comparison of detection and mining data 钻孔终孔水量/m3h-1终孔水压/MPa稳定水量/m3h-1物探异常位置异常幅度/Ώm JS5-150.62X840, Z80 m2025 JS5-250.52未在探测区域 JS5-3120.56未在探测区域 JS5-460.63X840, Z80 m2530 FS5-1140.66X840, Z80 m3550 FS5-220.21未在探测区域 FS5-450.62X840, Z80 m3045 5结 论 a. 瞬变电磁法可有效探测工作面顶板导水裂 隙带，能为后期工作面顶板探放水提供可靠依据。 b. 瞬变电磁法改变探测倾角可向巷道任意方 向探测，有利于减小探测盲区，减少体积效应影响， 同时提高施工效率。 c. 瞬变电磁法快捷高效、对导水裂缝等良导体 较为敏感，是矿井顶板水害探测的有效方法。 参考文献 [1] 侯彦威，高波，马炳镇，等. 浅埋煤层顶板富水区的直流电法 探测技术[C]//陕西省煤炭学会学术年会论文集2013. 2013 311– 314. 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