不同煤层掘进工作面瞬变电磁法探测应用研究.pdf
第 4 2卷第 9期能 源 与 环 保 V o l 4 2 N o 9 2 0 2 0年9月 C h i n aE n e r g ya n dE n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o nS e p . 2 0 2 0 收稿日期 2 0 2 0- 0 6- 1 0 ; 责任编辑 陈鑫源 D O I 1 0 . 1 9 3 8 9 / j . c n k i . 1 0 0 3- 0 5 0 6 . 2 0 2 0 . 0 9 . 0 2 2 基金项目 国家自然科学基金青年基金资助项目( 5 1 7 0 4 1 6 2 ) ; 天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项资助项目( 2 0 1 8 T D M S 0 0 5 ) 作者简介 邢 楷( 1 9 8 6 ) , 男, 山西晋城人, 工程师, 2 0 1 0年毕业于青岛科技大学, 现从事地球物理方法技术研究与应用工作。 引用格式 邢楷, 王克南, 樊林林. 不同煤层掘进工作面瞬变电磁法探测应用研究[ J ] . 能源与环保, 2 0 2 0 , 4 2 ( 9 ) 1 0 1 1 0 4 . X i n gK a i , Wa n g K e n a n , F a nL i n l i n . R e s e a r c ho na p p l i c a t i o no f t r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i cm e t h o di nd e t e c t i o no f d r i v i n gf a c ei nd i f f e r e n t c o a l s e a m s [ J ] . C h i n aE n e r g y a n dE n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n , 2 0 2 0 , 4 2 ( 9 ) 1 0 1 1 0 4 . 不同煤层掘进工作面瞬变电磁法探测应用研究 邢 楷, 王克南, 樊林林 ( 山西晋煤集团技术研究院有限责任公司, 山西 晋城 0 4 8 0 0 0 ) 摘要 煤矿井下瞬变电磁法成为煤矿井下超前探测工作的重要手段, 在矿井水害预测预报上发挥着很 大的作用。随着矿井上组煤层资源的逐渐枯竭, 煤矿开采资源逐渐延伸向下组煤层。同一井田范围 内同煤层及其顶底板的岩性特征一般相差不大, 瞬变电磁法在同煤层施工过程中接收到的物理背景 场较为接近; 而不同煤层及其顶底板岩性特征通常会有较大的差别, 瞬变电磁法在不同煤层施工过程 中会接收到差别较大的物理背景场。当矿井存在多煤层开采时, 通过大量数据研究瞬变电磁法在不 同煤层巷道探测中的响应特征规律, 分析并掌握不同煤层条件对瞬变电磁法探测结果的影响, 能够提 高瞬变电磁法在多煤层探测成果的准确性。 关键词 瞬变电磁法; 不同煤层; 掘进工作面; 视电阻率; 超前探测 中图分类号 P 6 3 1 . 3 2 5 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3- 0 5 0 6 ( 2 0 2 0 ) 0 9- 0 1 0 1- 0 4 R e s e a r c ho na p p l i c a t i o no f t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i cme t h o di nd e t e c t i o no f d r i v i n gf a c ei nd i f f e r e n t c o a l s e a ms X i n gK a i , Wa n gK e n a n , F a nL i n l i n ( S h a n x i J i n c h e n gC o a l G r o u pT e c h n o l o g yR e s e a r c hI n s t i t u t e C o . , L t d . , J i n c h e n g 0 4 8 0 0 0 , C h i n a ) A b s t r a c t T h et r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i c m e t h o di nu n d e r g r o u n dc o a l m i n e s h a s b e c o m e a ni m p o r t a n t m e a n s o f a d v a n c e d e t e c t i o ni nu n d e r g r o u n dc o a l m i n e s , a n di t p l a y s av e r yi m p o r t a n t r o l ei nt h ep r e d i c t i o na n dp r e d i c t i o no f m i n ew a t e r d i s a s t e r s . Wi t ht h eg r a d u a l e x h a u s t i o no f c o a l s e a mr e s o u r c e s i nt h e u p p e r g r o u po f m i n e s , c o a l m i n i n g r e s o u r c e s g r a d u a l l y e x t e n dt o t h e l o w e r c o a l s e a m s . T h e l i t h o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h es a m ec o a l s e a ma n di t sr o o f a n df l o o r w i t h i nt h es a m em i n ef i e l dw e r eg e n e r a l l yn o t m u c hd i f f e r e n t . T h e p h y s i c a l b a c k g r o u n df i e l dr e c e i v e db yt h e t r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i c m e t h o dd u r i n g t h e c o n s t r u c t i o no f t h e s a m e c o a l s e a mw a s r e l a t i v e l y c l o s e ; w h i l et h el i t h o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f d i f f e r e n t c o a l s e a m sa n dt h e i r r o o f a n df l o o r w e r eu s u a l l y , t h e r ei sab i gd i f f e r e n c e . T h e t r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i cm e t h o dw o u l dr e c e i v e dad i f f e r e n t p h y s i c a l b a c k g r o u n df i e l dd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s o f d i f f e r e n t c o a l s e a m s . Wh e nt h e r ew e r em u l t i p l ec o a l s e a m s i nt h em i n e , al a r g ea m o u n t o f d a t aw a s u s e dt os t u d yt h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i cm e t h o di nt h ed e t e c t i o no f d i f f e r e n t c o a l s e a m s , a n a l y z e da n dg r a s p e dt h e i n f l u e n c e o f d i f f e r e n t c o a l s e a mc o n d i t i o n s o nt h ed e t e c t i o nr e s u l t s o f t h e t r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i c m e t h o d , w h i c hc o u l di m p r o v e t h e t r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i c m e t h o da c c u r a c yo f d e t e c t i o nr e s u l t s f o r m u l t i p l ec o a l s e a m s . K e y w o r d s t r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d ; d i f f e r e n t c o a l s e a m s ; d r i v i n gf a c e s ; a p p a r e n t r e s i s t i v i t y ; a d v a n c e dd e t e c t i o n 0 引言 瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向岩 体发射一次脉冲磁场, 在一次脉冲磁场间歇期间, 利 用不同岩体的物理导电性的差异, 通过磁通量的变 化产生的感应电流来了解周围岩体的电信息差 异[ 1 3 ]。通过测量断电后各个时间段的二次场随时 间变化规律, 可得到不同深度的地电特征[ 4 7 ], 从而 得出不同深度煤( 岩) 层富水性差异。瞬变电磁法 在地表进行探测已经有较为广泛的应用[ 8 1 1 ], 矿井 瞬变电磁法是将地面常用的瞬变电磁法应用于煤矿 井下[ 4 5 ], 对常规物探方法较难探测的工作面顶、 底 101 2 0 2 0年第 9期 能 源 与 环 保第 4 2卷 板富水构造和巷道掘进面超前富水构造的发育情况 进行探测[ 6 7 ], 其基本原理与地面瞬变电磁法一样, 采用仪器、 测量数据的各种装置形式和时间窗口也 基本 相 同。受 矿 井 瞬 变 电 磁 法 勘 探 环 境 的 限 制[ 1 2 1 4 ], 测量线圈大小有限, 其勘探深度不如地面 深, 一般深度在 1 5 0m左右。地面瞬变电磁法为半 空间瞬变响应[ 1 5 1 9 ], 这种瞬变响应来自于地表以下 半空间地层; 而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应 ( 图 1 ) , 这种瞬变响应来自于回线平面上下( 或两 侧) 地层[ 1 4 ]。 图 1 地下全空间 T E M 信号扩散示意 F i g 1 T E M s i g n a l d i f f u s i o ni nt h ew h o l e u n d e r g r o u n ds p a c e 矿井瞬变电磁法具有横向分辨率高、 测量装置 靠近目标体、 异常体感应信号较强、 探测灵敏度高等 优点[ 2 0 ], 在煤矿采掘面底板岩层及采空区、 巷道前 方断层及陷落柱等构造、 水文钻孔及冲刷带等地质 异常体的导含水性探测中应用效果较好[ 1 8 1 9 ]。 1 探测区域概况 山西晋煤集团寺河煤矿二号井批准开采 9号、 1 5号煤层。9号煤层位于太原组三段下部, 下距 1 5 号煤层 3 6m左右。该煤层厚度 1 0 0~ 1 6 0m , 一 般含夹矸 0~ 1层, 结构简单。煤层直接顶板为粉砂 岩、 砂质泥岩, 局部为中细砂岩; 基本顶为石灰岩; 底 板为粉砂岩, 局部为中细砂岩。1 5号煤层位于太原 组下部, 煤厚平均 2 6 6m 。该煤层一般含夹石 1~ 2 层结构属较简单。煤层直接顶板为 K 2灰岩, 厚度 9 m左右; 伪顶为泥岩、 砂质泥岩, 偶为粉砂岩; 底板以 黑灰色泥岩、 铝土质泥岩为主。 2 施工布置 矿井掘进工作面瞬变电磁法超前探测设计方向 3个( 图 2 ( a ) ) , 分别是 3个横向探测方向( 与巷道 顶板呈 4 5 夹角向前方顶板探测、 顺煤层方向向前 方探测、 与巷道底板呈 4 5 夹角向前方底板探测) 。 每个横向探测方向布置探测角度 1 4个( 图 2 ( b ) ) , 分别是左侧帮( 1 8 0 、 1 6 5 、 1 5 0 、 1 3 5 、 1 2 0 、 1 0 5 ) 、 正前方( 9 0 、 9 0 ) 、 右侧帮( 0 、 1 5 、 3 0 、 4 5 、 6 0 、 7 5 ) , 3个横向探测方向共布置 4 2个探测角度。 图 2 瞬变电磁法探测方向及探测角度示意 F i g 2 D e t e c t i o nd i r e c t i o na n dd e t e c t i o na n g l e o f t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i cme t h o d 3 应用实例成果分析 使用瞬变电磁法在寺河煤矿二号井对 9号、 1 5 号煤层掘进工作面分别进了多次超前探测。矿井瞬 变电磁法对施工现场积水及锚网、 机组等铁器反映 较为灵敏, 因此其对现场施工环境的要求较为严 格[ 3 ]。此次选择施工环境良好的 6 0次掘进工作面 瞬变电磁法超前探测结果进行统计, 其中 9号、1 5 号煤层分别为 3 0次。受到“ 烟圈效应” [ 1 3 ]的作用, 顺层方向探测结果实为探测前方及其顶底板地质信 息的集合体, 因此将顺层方向上探测结果作为主要 分析研究对象, 其视电阻率值统计结果见表 1 。综 合分析表 1中 6 0次探测结果, 在现场施工环境理想 的条件下, 9号煤层视电阻率值最低在 1 0Ω m左 右, 最高 3 0 0Ω m , 在有效探测深度范围内视电阻率 值主要集中在 2 0~ 1 6 0Ω m ; 1 5号煤层视电阻率值 最低在 2 5Ω m左右, 最高可达 9 0 0Ω m , 有效探测 深度范围内视电阻率值主要集中在 4 0~ 5 0 0Ω m 。 现场施工环境理想以及煤层连续稳定的条件下, 9 号及 1 5号煤层瞬变电磁法顺层探测的典型结果分 别如图 3 、 图 4所示。 从图 3中可以看出, 9号煤层探测结果的视电 阻率值在 2 0~ 2 3 0Ω m , 盲区以外短距离内( 3 0~ 4 0 m ) 视电阻率值迅速衰减。从图 4中测探测结果可 看出, 1 5号煤层视电阻率值在 7 0~ 8 5 0Ω m , 整体 呈现均匀衰减的趋势。因此, 瞬变电磁法在 9号与 1 5号煤层的探测结果整体上是存在较大差异的。 经大量实验研究及分析得出结论, 造成这种整体性 201 2 0 2 0年第 9期邢 楷, 等 不同煤层掘进工作面瞬变电磁法探测应用研究 第 4 2卷 表 1 瞬变电磁超前探测视电阻率值统计 T a b 1 S t a t i s t i c s o f a p p a r e n t r e s i s t i v i t yv a l u eo f t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i ca d v a n c e dd e t e c t i o nΩ m 9号煤层 序号最低值最高值主要阻值 1 5号煤层 序号最低值最高值 主要阻值 12 51 7 04 0~ 1 2 013 09 0 09 0~ 7 0 0 21 03 0 01 5~ 1 6 025 07 5 07 0~ 6 0 0 33 02 3 03 5~ 1 6 034 05 5 07 0~ 4 5 0 41 51 5 02 5~ 1 0 043 05 5 09 0~ 4 0 0 52 51 4 03 0~ 1 0 053 07 5 08 0~ 5 0 0 62 01 5 02 5~ 1 0 065 07 5 06 0~ 6 5 0 71 21 0 02 0~ 8 073 05 0 04 0~ 4 0 0 82 01 4 03 0~ 1 0 082 56 0 04 0~ 4 5 0 92 51 2 02 0~ 9 593 04 5 04 0~ 4 0 0 1 01 21 7 02 0~ 1 2 01 02 05 5 03 0~ 4 5 0 1 12 51 4 03 5~ 1 0 01 13 55 5 04 0~ 4 0 0 1 21 51 4 02 0~ 1 0 01 22 54 5 03 0~ 4 0 0 1 31 41 4 02 0~ 1 0 01 33 04 8 04 0~ 4 0 0 1 43 01 7 03 5~ 1 2 01 42 54 5 03 0~ 4 0 0 1 51 02 4 01 5~ 1 2 01 53 08 5 04 0~ 7 0 0 1 61 03 0 01 5~ 1 4 01 65 06 0 07 0~ 4 5 0 1 73 02 3 03 0~ 1 2 01 73 56 5 05 0~ 5 0 0 1 881 4 01 5~ 1 2 01 82 57 0 03 0~ 5 5 0 1 91 52 3 02 0~ 1 2 01 93 04 5 03 5~ 4 0 0 2 02 53 0 03 0~ 1 4 02 04 55 5 07 0~ 4 5 0 2 11 51 7 02 0~ 1 0 02 13 04 5 04 0~ 4 0 0 2 21 01 0 01 5~ 7 52 23 54 5 04 0~ 4 0 0 2 31 02 3 02 0~ 1 2 02 34 08 5 07 0~ 5 0 0 2 42 02 0 02 5~ 1 2 02 43 04 5 03 5~ 4 0 0 2 51 51 7 02 0~ 1 2 02 53 57 5 04 5~ 5 5 0 2 61 52 0 02 0~ 1 0 02 62 56 0 04 0~ 4 5 0 2 72 01 2 03 0~ 9 02 72 06 5 03 5~ 4 0 0 2 881 5 01 0~ 1 0 02 85 07 5 07 0~ 5 5 0 2 91 41 4 02 0~ 1 0 02 94 56 0 05 0~ 4 5 0 3 01 02 3 02 0~ 1 2 03 05 08 0 08 0~ 6 5 0 图 3 9号煤层顺层方向探测结果视电阻率拟断面 F i g 3 P s e u d os e c t i o no f a p p a r e n t r e s i s t i v i t yo f N o . 9 c o a l s e a ma l o n gs e a md i r e c t i o n 图 4 1 5号煤层顺层方向探测结果视电阻率拟断面 F i g 4 P s e u d os e c t i o no f a p p a r e n t r e s i s t i v i t yo f N o . 1 5 c o a l s e a ma l o n gt h es e a md i r e c t i o n 的差异主要有以下 2个方面原因 ①煤层顶底板岩 性的差异。9号煤层顶底板为粉砂岩和细砂岩, 其 本身可导水的性质决定了其整体富水性相比 1 5号 煤层较强, 而 1 5号煤层顶底板则为致密的不导水的 K 2灰岩以及泥岩, 因此 1 5号煤层视电阻率值明显 整体偏高。②煤层厚度差异较大。9号煤层厚约 1 2m , 煤层及顶底板在空间 2 0m内有 7~ 8层煤 ( 岩) 层, 且层间距较小。当电磁波信号经过多层煤 ( 岩) 层时, 受到煤( 岩) 层界面的多次反射及吸收作 用较强, 因此在较短距离内衰减较为明显。1 5号煤 层厚约 2 6m , 煤层及顶底板在空间 2 0m内仅有 4 层煤( 岩) 层, 且层间距较大, 电磁波信号衰减相对 9 号煤层比较均匀。通过大量数据分析并总结寺河煤 矿二号井 9号及 1 5号煤层在瞬变电磁法探测中的 响应特征规律, 能帮助工程技术人员更好地把握该 矿不同煤层瞬变电磁法探测结果的整体阻值范围, 提高物探成果的可靠性。 4 结论 瞬变电磁法作为一种井下超前探测手段, 能够 有效反映探测范围内的地质信息。同一井田范围内 相同层位的地层其物理特性较为相似, 而不同层位 地层的物理特性则往往差异较大。因此在同一矿区 不同煤层进行瞬变电磁法探测时, 应针对不同煤层 301 2 0 2 0年第 9期 能 源 与 环 保第 4 2卷 的响应特征分别进行分析总结, 掌握同一矿区不同 煤层在瞬变电磁法探测中的响应特征规律, 能够更 好解释探测结果, 提高物探成果的准确性, 为矿井相 关地质工作提供更加科学的依据。 参考文献( R e f e r e n c e s ) [ 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 . 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