瞬变电磁法在矿井采掘过程中的应用研究.pdf

煤矿 现代化 2 0 1 7 年第5 期 总第1 4 0 期 瞬变电磁法在矿井采掘过程中的应用研究 田海波 山西潞安集团 潞宁孟家窑煤业有限公司，山西 宁武 0 3 6 7 0 0 摘要通过分析瞬 变电磁法的工作原理和矿井地质异常体的电磁场响应特征，提 出应用矿井瞬变 电磁法对常规物探 方法较难探测的工作面顸、底板富水构造和巷道迎头超前富水构造的发育情况进 行探测， 并在 某工作面巷道掘进头进行应用试验 ， 应用结果与地面三维地震所确定的陷落柱位置及 范 围相吻合 ， 能够有效指导生产实践。 关键词 瞬变电磁 法； 矿 井采掘； 超前探测；灾害防治 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 9 0 7 9 7 2 0 1 7 0 5 0 0 3 9 0 3 St ud y An d App l i c a t i o n Of Tr a ns i e n t El e c t r o ma g ne t i c M e t h o d I n M i ni ng Ti a n Ha i bo S h a n x i L u ’ a n G r o u p L u N i n g M e n g j i a k i l n c o a l C o ． S h a n x i N i n v u 0 3 6 7 0 0 Ab s t r a c t B y a n a l y z i n g t h e w o r k i n g p r i n c i p 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 c me t h o d a n d t h e e l e c t r o ma g n e t i c r e s p o n s e c h a r a e t e r i s l i e s o f g e o l o g i c a l a b n o r ma l i l i e s ， p u t t i n g f o r w a r d t o U S e t h e t r a n s i e n t e l e c t r o ma gn e t i c me t h o d t o d e t e c t t h e r i c h wa t e r s t r u t 。 l u r e i n l o a f o r fl o o r ， t h e f r o n t o f r o a d w a y ． T h r o u g h t h e a p p l i c a t i o n t e s t i n t h e r o a d wa y o f a wo r k i n g f a c e ， a n d t h e a p p l i c a t i o n r e s u l t s a g r e e we l l wi t h t h e l o c a t i o n a n d e x t e n t o f t h e c o l l a p s e c o l u mn d e t e r mi n e d b y 3 D gro u n d s e i s mi c ， S O t h i s me t h o d c a n g u i d e t h e p r o d u c t i o n p r a c t i c e e f f e c t i v e l y ． Ke y wo r d s T r a n s i e n t E l e c t r o ma g n e t i c Me t h o d； Mi n e Ex c a v a t i o nAd v a n c e d De t e c t i o n； Di s a s t e l ’ P r e v e n t i o n 频发 的矿 井突水事故 已成 为制约我 国煤炭行 业健康发展的关键 囚素 ， 目前矿井突水预测 和防治 仅局限于开拓前 的钻探 和突水后 的治理 矿井突水 事故会造成T作 面停产 ， 甚至整个矿井被淹的严重 后果 。我国曾发生多起重大透水事故 。 其中最 为典 型 的是 2 0 1 0年发生在王 家岭矿 的特大透 水灾 害 ， 整个矿井仅 2 0个小时就被 全部淹没 ， 造 成 3 8名矿 T遇难。惨痛教训说明在矿井巷道开拓和采掘过程 中需要准确判断并预报突水可能发生的位置 。 l 矿井瞬变 电磁 法工作 原理 煤矿井下 应用地面 常用 的瞬变 电磁 法对常 规 物探方法较难探测 的采掘 T作面顶 、 底 板富水构 造 和巷道迎 头超前 富水构造 的发 育情况进 行探测 的 方法被称 为矿井瞬变电磁法。该方法利用不接地 回 线 向地下发射脉冲磁场 ，在脉 冲磁场间歇期间 ， 利 用线圈观测二次涡流场 的感应 电流 ， 热消耗和采场 周同介质的电阻使感应 电流随时 间逐渐减弱 ， 快速 衰减的磁场又将感 应 新 的更加微弱 的涡流场 ， 这 样的过程场 不断持续 ， 直到大地 电阻 的热 耗尽 如 图 l所示 。随着地下感应电流逐渐 向周 罔介质扩 散 ， 感 应电流的强度逐渐减弱 ， 分布趋向更加均 匀 ， 量 畸 废弱 囱懋瓣 懋 瓣 曩 雷 、 ～ 图 l 瞬变电磁法 T E M 的瞬态过程 示意图 2 0l 4 1 1 5 9 ． 『 2 1魏 吉祥． 金 凤煤矿 柔模 泵注混凝 土 全断面 沿空 留巷 技 术 的应 用⋯． 煤矿现 代化 ， 2 0 1 4 5 6 0 6 2 ， 6 5 ． 【 3 1田 臣， 刘英杰． 神 东矿 区 沿空留巷应 用技 术研 究[ J J ． 煤 炭 工 程 。 2 01 6 S 1 5 0 5 3 ． 【 4 1尚玉明，华宝锋． 柔模泵送混凝土沿空留巷技术应用⋯． 煤炭科 学技 术 ， 2 0 1 2 S 1 4 2 4 4 ． I 5 J陈外信 ， 田银素， 王志峰， 王富强， 崔石磊． 厚煤层柔模快 速 沿空 留巷 工 艺在神 东矿 区的应 用 [ J 1 ． 煤 炭 工程 ， 2 0 1 6 1 2 l 一 4 ． 作者简 介 韦瑜 1 9 8 2 一 ， 男， 本 科 ， 助 理工 程 师 ， 安徽 临泉 县人 ， 毕 业 于中北 大学。 收 稿 日期 2 0 1 7 - 3 2 0 3 9 煤矿 现代化 2 0 1 7 年第5 期 总第1 4 0 期 扩 散方 向通 常沿着与地 表成 3 0 。倾 角 的锥形斜 面 如 图 2所示 向下和向外移动 ， 且强度逐渐减弱⋯ 。 C删罐磺飘} 辩 黼 瞧皤 图 2 T E M信号 向地下扩散 示意 图 与地面瞬变电磁法相 比较 ， 矿井瞬变 电磁法具 有如下特点【 I ①因井下测量环境限制而只能使用 边长小于 1 ． 5～2 m的多 匝小线圈 ； ②较小 的线 圈边 长使得测 量点距一般 为 51 0 m，提高 了横 向分辨 率 的测 试精度 ； ③在大 于 3 0 ms的时间段 ， 井下干扰 信号几乎为零， 有助于识别异常信号； ④矿井瞬变 电磁法可 以探 测线圈平 面法线方 向 即采场 四周一 定深度内含水异常体垂向和横向的发育规律。 矿井 瞬变 电磁法具有低 阻响应特 征越 明显 、 断 层倾 角越 小 ， 响应 时间越 短的优点 ， 低阻 响应特征 越接近于正常岩层 ， 不含水采空区引起的高阻异 常 越明显。线圈平面的法线方 向即为瞬变 电磁探测的 目标异常体方 向， 且探测方向可调整 。 图 3 矿 井瞬变 电磁 法探测 方向示意 图 2 矿 井地质 异常体 的 电磁 场 响应特征 2 ． 1 断层及 陷落柱 井 田内主要 的富水地 质异 常体通 常 为断层及 陷落柱 ， 在这 些地质异常体的周围通常伴生有导水 通道及导水裂隙带 ， 极易引发水害事故 。断层 、 陷落 柱等地质异常体 的瞬变 电磁 响应特征 比较 明显 ， 但 其响应特征不仅受构造本身性质 的影响 ， 还 与巷道 环境及具体施T布置有关 。在井下巷道内采用瞬变 40 电磁 法探 测陷落柱 时 ， 超前探测 的结果将受 到多种 因素的影响 。断层倾角越小 ， 瞬变电磁的响应时间 越短 ， 低阻响应特征越接近于正常岩层 。 2 ． 2采 空 区及 空巷 当各 向同性 的均匀电介质充 满整个 电场时 ， 若 采空 区与 空巷富水 ，当涡流 环扩散 到富水采 空 区 时 ， 其扩散速度会逐渐 降低 ， 就如 同受到吸引。这也 间接 表明涡流场 在 良导 体 中密度大 、 衰减 慢 ， 即通 常表现为低阻异常体 ， 但这是在整个煤矿采空区空 洞部分充满水的情况下的结论。而煤矿充水采空区 瞬变 电磁法勘查探测 的原理是利用 体积效应 ， 也就 是采空区充水引起的特殊反应 。所 以， 充水采空 区 瞬变电磁法勘测与周围岩石 煤系地层 相 比会有 较大 的电阻率 ， 与充水采 空区相 比 ， 不 含水的采 空 区会引起感应电动势下降p 1。 3 矿井瞬变电磁法的应用 间断 时 间 、 收发距 、 回线 边长 和 匝数 是矿井 瞬 变 电磁法 的主要测量参 数 ， 发 射框边 长越小 ， 发射 的磁矩越 小 ， 接受 的感应信号 强度也 就越小 。在 回 线边长相同的情况下 ， 发射功率和信号强度随线圈 匝数的增多而增强 。在具体应用过程 中， 一般按照 固定的点距在工作面进 、 回风巷道和开切眼 内布 置 系列测点进行逐点测量。根据电磁波的发射方向可 以改变的特性 ， 采用瞬变电磁法对矿井工作 面进 行 多方 向探测 ， 接受 回线的平面法线方 向就 是瞬变电 磁探测的 目标异常体方 向【4 1 。实际探测 中可 由探测 目标体 的空 间位置设置 回线 的探测方 向 ， 矿 井瞬变 电磁法在巷道掘进头超前探测 的装 置如 图 4所示 ， 该装 置发射 线框所 处平 面和接收线 框所 处平 面平 行 ， 线框 中心线 同轴。 厩极 图 4 矿井 瞬变 电磁 法超前探 测装置 在掘进 头探测 时 ， 由于受 巷道 空间所 限 ， 探 测 所用线框边长 为 2 ～ 3 m。为了探测 目标异 常体的特 征 ， 可通过调整 回线 同巷道顶底板之 间的夹 角来改 变 回线法线 的方 向 ， 从而获取巷道迎头前方 不 同地 层的电性信息。当回线如图 5 a 所示放置时， 法线 煤矿现代化 2 0 1 7 年第5 期 总第1 4 0 期 方向朝 向顶板 ， 即顶板探洲 ， 呵探测顶板 方向一 定 深 度的 禽水异常体分布规 律； 当回线如图 5 h 所示 放置时 ， 法线方向指 向掘进头 ， 即顺层探测 ， 可探测 巷道迎头 前方 向含水异常体的分 l布位置 ； 当【 Ⅱ 1 线 如 网 5 c 昕永放置时 ， 法线 方向朝 向底板 ， 即底板 探测 ， 叮探测底板方向一 定深度 含水异常体 的分布 规律 每次探洲时 ， 测点 没置在 巷道两侧帮 与迎头 处 ， 逐点 对巷道左右 帮 、 迎头 分左 右两 侧 进行探 测 ． 获取 褴的探测方 向深部地层 电性信息 。 顶扳 顶扳 图 5 巷 遭 掘 进 头 矿 井 瞬 变 电磁 法 超 前 探 测 布 置 图 本成用区域位于某矿正在掘进 T 作 面 ， 瞬 变电 磁法施 I ,L r L 迎头布置测线 5条 ， 通过移动 发射接 收 线 圈形成 5条测线的实测剖面。采用多匝小 回线 的 发射和接 收装置形式 ， 沿运输 巷道掘进方 向探测运 输巷道左 帮和右 帮； 沿窝头向开切眼方 向探测运输 巷道迎头前力 及左帮 巷道迎头 图 6 矿 井瞬变 电磁 法超 前探测测 点布置 图 表 1 工 作量统计表 在瞬变电磁数据处卵过 程中 ， 对数据进 行后沿 改正 ， 缩 短关断时间 ， 减小探测肓 [ x 二 ； 针对 区地质 特点选择合婵的成像及微分 方式 ，满足高信噪 比 、 高分辨率的处理要求 ， 绘制了品质较好 的视电阻率 拟断而I 7为该 T作而运 巷左帮 瞬变 电磁探洲 视 电 阻率拟 断面网 ， 其整体视 电阻率数 f f f 大丁 3 0 1 1 m 局部范I _{ ；l 低于 2 0 1 - 『 n ， 为相对低 常 域。此低 阻异常区域共有 2个 冈中红色圈定 域 ， 一个f 于横 标 1 0 ～ 2 5 m， 纵坐标 4 0 ～ 1 O O m范 1 人 】 ； 第二 个 化于横坐标 8 0 ～ 1 O O m， 纵坐标 3 0 ～ l 0 m范 内 图 7 运巷左 帮瞬变 电磁 探测视 电阻率拟 断面 图 4结 论 本次探 测结 ， 在该 T 怍 【 f l f 运 左 帮低阻 异常区域 3个探洲 力 ‘ 向的对心关 系很好 ， f 1 - 与地 维地震所确定 的陷落柱位 置及范f 嗣l卡 f 1 吻合 ． 能够 有效 的指导生产实践 说明瞬变电磁泼对煤矿井下 良导电介质 具有较好的响应能力 ， 通 川于断裂破 碎 带的富水性评价 、 陷落柱的探测以 搜煤 层 顶底板 含 隔 水层划分等 ， 并且结果 可靠 参考文献 [ 1 l郝 相龙 ． 底板 含 水构 造 瞬 变 乜磁 勘探 研 究【 -l I l 煤 炭 工程 ． 2 00 9 9 58 6 0． f 2 l姜志海， 岳 建华． 刘 树才． 多匝重 叠小回 线装置 的矿井瞬 变 电磁观测系统【 J J _ 煤炭学报 ， 2 0 0 7 1 I ] l I 5 2 1 1 5 6 l 3 l王凯． 瞬 变电磁 法探测 煤矿 充水 采空区响应特 征 分析 『 【 】 】 ． 太原理_ Y - 大学 ， 2 0 l 2 ． 【 4 l于荣， ， 刘志新 ， 汤 佥云 ， 等． 用瞬 变电磁 法探 查综放工 作 面顶 板 水 体 的研 究 l J 1 ．中国 矿 业 大 学 学报 ， 2 0 0 7 4 5 42- 54 6． 【 5 j徐佳， 朱鲁， 翟培合 ， 等． 三维电法超前探在巷道掘进水害 防治 中的 应用⋯ ． 煤 炭技 术 ， 2 0 1 4 1 2 5 8 6 0 ． 作者简 介 田海波 1 9 8 7 一 ， 男， 山西朔 州人 ， 本科 ， 毕业 于山 西大 问 大学， 助理工程师， 从事煤炭生产采掘管理X -- 作 收 稿 日期 2 0l 7 - 3 1 5 - 41