瞬变电磁法成果多次叠加综合解释在矿井超前探测中的应用(1).pdf

2019年第6期 同煤科技 DATONG COAL SCIENCE ＆＆ TECHNOLOGY 第6期 （总170期） 2019年12月 瞬变电磁法成果多次叠加综合解释 在矿井超前探测中的应用 匡铁军 刘务全 崔延双 （大同煤矿集团有限责任公司云冈矿， 山西大同 037017） 摘要 本文针对某矿井12层410盘区51045巷在掘进过程中可能存在小窑破坏区积水的难题， 在原有瞬变 电磁超前物探的基础上， 提出了采用多次瞬变超前物探解释成果叠加的综合解释方法， 根据成果的公共异常区， 指导超前探孔的设计， 达到降低体积效应的目的， 探测结果与钻探验证情况基本吻合， 取得了良好的应用效果， 提高瞬变超前物探探测精度， 为巷道的安全高效掘进提供可靠依据。 关键词 成果叠加； 综合解释； 瞬变电磁法 中图分类号 TD743文献标识码 A文章编号 1000-4866 2019 06-0001-04 DOI10.19413/ki.14-1117.2019.06.001 0 引言 现有的科研成果和实践经验已经证明， 矿井瞬变 电磁法可用于圈定巷道前方、 顶板富水区、 导 （含） 水 断层、 采空区等低阻异常等[1]。数据处理和解释的基 础理论研究尚处于发展阶段， 故在技术应用方面需谨 慎[2]。近年来矿井瞬变电磁超前探测技术虽然取得快 速的发展， 但是许多技术环节仍然存在问题 井下全 空间瞬变电磁场相应模拟过程中通常假设场源附近 网格电性均匀分布， 模拟初始给定的解析与实际不 符； 未考虑电流关断时间的影响， 而实际探测中采用 的瞬变电磁仪器存在明显的电流关断效应， 因此以往 模拟瞬变场扩散规律及响应特征与实际情况存在一 定差异。缺乏考虑矿井适应条件的高精度瞬变电磁 仪器设备的支持， 国内生产的瞬变电磁仪器大多从地 面瞬变电磁仪器改装而来， 因瞬变电磁在地面和井下 的勘查对象不同、 探测环境的差异、 且受防爆和本安 的限制， 多数瞬变仪器采集数据可靠性明显不足， 受 原理本身限制， 数据具有一定的体积效应， 解释成果 图往往对掘进前方低阻异常区域有不同程度的放 大[3]， 这在一定程度上给 “有掘必探” 超前钻孔的设计 带来了一定的干扰，“物探先行” 的效果不明显， 不利 于 “两探” 的紧密结合， 影响巷道水害超前探测的精 度， 为此本文提出了采用多次瞬变超前物探解释成果 叠加的综合解释方法， 根据成果的公共异常区， 指导 超前探孔的设计， 达到降低体积效应的目的， 探测结 果与钻探验证情况基本吻合， 取得了良好的应用效 果， 提高瞬变超前物探探测精度， 为巷道的安全高效 掘进提供可靠依据。 1 工程背景 云岗矿井田内和周边存在煤矿30余座， 51045巷 所在的12层410盘区西部矿界附近存在7座小煤窑， 预计在资源整合之前， 本区域遭到小窑不同程度的破 坏， 由于小窑开采具有隐蔽性、 复杂性和长期性， 使得 采空范围难以查清， 积水情况不明， 再加上该矿处于 资源枯竭期， 为了进一步回收储量资源和保障衔接计 划， 选择在水文地质条件比较复杂的区域设计开采工 作面。 1.1 工作面地质及水文地质概况 51045巷位于12层410盘区西北部， 该区域煤层 厚度在2.5 m4.1 m之间， 平均3.0 m； 直接顶为深灰砂 质页岩， 有节理及滑面底含碳质， 厚度平均 2.3 m； 老顶为灰白细砂岩， 局部夹小层页岩， 含植物化石， 厚 度平均5.7 m； 直接底为灰白色中砂岩， 成分石英风化 长石及少量的白云母， 厚度平均11 m， 该区域煤层赋 存较好， 构造发育简单； 同层北部为410-4盘区皮轨回 盘区巷， 南部存在12层小窑破坏区 （2005年11月访 查） ， 西部为矿界， 东部为本矿采空区， 根据地质报告、 资料追溯、 地面调查、 小窑巡查资料分析， 预计南部和 西部存在小窑破坏区， 根据地质钻孔和煤层底板等高 1 2019年第6期 同煤科技 DATONG COAL SCIENCE ＆＆ TECHNOLOGY 线预测， 掘进前方为向斜构造， 是良好的储水构造。巷 道掘进到这个区域附近， 必须对小窑破坏区和向斜足 够重视。 2 井下施工方法技术 2.1 工作装置 本矿探测采用华安奥特 （北京） 科技股份有限公司 研制的YCS系列矿用本安型瞬变电磁仪， 采用中心回 线装置即发射线圈采用2.0 m2.0 m的的多匝小线圈， 接收线圈为直径为1 m的圆形线圈， 接收线圈放在发 射回线中心， 发射线圈和接收线圈沿固定测线同步移 动的装置， 这种装置的优点是矿井瞬变电磁法具有对 低阻异常体反应灵敏、 方向性强、 工作效率高和成本低 等优点， 在矿井水害防治中取得了良好的应用效果， 缺 点是存在发射线圈和接收线圈自感互感现象， 在探测 方向浅部形成一定范围的盲区。 2.2 测点设计 本次井下瞬变电磁法勘探布置三条测线， 矿井瞬 变电磁法探测时， 调整发射线圈法线与巷道顶底板的 夹角已达到探测巷道顶板、 底板和巷道正前方等多个 方向探测的目的， 如图 1 所示夹角通常分别为 90、 45、 －45， 数据采集布置三条测线， 布置方式为扇形， 扇形布置通常能有效避开现场金属体干扰， 是井下数 据采集最有效最常用的布置方式， 如图2所示每条测 线包含11个物理点， 对前方180的范围内10等分， 每 次采集数据时， 发射和接收线圈旋转18， 探测方式是 使发射线圈和接收线框的法线方向垂直于巷道左帮开 始 进 行 探 测 ，然 后 在 水 平 面 内 旋 转 线 框 10 次， 使线框的法线方向从巷道左帮每隔18旋转到垂 直巷道右帮为止， 形成一个横向的扇形测线。可以得 到三条矿井瞬变电磁法超前探测实测剖面。 图1 瞬变电磁测线布置图2 测线布置方式 （正视） 2.3 井下干扰情况及处理技术 井下实际探测结果分析对比结果表明， 巷道内的 掘进机、 轨道、 锚索、 锚杆、 锚网、 钢梁、 钻机、 钻杆、 皮带 支架、 电缆对瞬变电磁超前物探探测结果有很大的影 响， 他们在瞬变电磁中时一种低阻响应， 但井下掘进头 的各种金属制品的影响在测线方向上是一致的， 可作 为一种背景异常进行校正[4]， 特别是巷里的掘进机， 对 瞬变电磁的响应最大， 在采集数据时要掘进机后退至 距离掘进头20 m以外的地方， 以减少其对瞬变电磁场 的影响， 在保证施工空间的基础上， 切断电源进行井下 数据采集， 保证数据采集质量以免采集数据 质量较 差、 幅值波动、 数据点数值畸变， 影响探测成图效果及 异常分辨[5]。 2.4 体积效应影响规律 根据埋深与异常体体积效应沿测线方向有效距离 的变化， 可在平面直角坐标系得到埋深与异常体体积 效应沿测线方向有效距离的函数关系曲线， 拟合多项 式可以得到埋深与异常体体积效应距离的关系式 Y-1.17861.654x-0.0068x2 函数关系曲线如图3所示， 随着异常体厚度增加， 体积效应的有效距离在减小， 只是减小的幅度不大； 异 常体体积效应的有效距离并没有随埋深的增加而增 加， 而是在埋深120 m时， 达到最大值99 m， 当埋深大 于120 m时， 体积效应的有效距离随着埋深的增大而 减小[6]。但具体的影响规律目前研究较少， 只是基于 瞬变电磁原理的基础上和单次试验的基础上， 认为瞬 变电磁法的体积效应会使异常区的边界范围变大。 图3 埋深与异常体体积效应距离的关系 3 创新综合解释 由于本区域临近矿界， 煤层赋存好， 地质构造简 单， 怀疑有小煤窑越界开采， 加之掘进前方为一向斜构 造， 水文地质条件比较复杂， 需要对掘进区域内老空水 的位置、 分布范围及其积水富水性进行勘查。51045 巷井下瞬变超前物探， 在布置3条测线的基础上， 对同 层正前方的瞬变电磁超前探测采取多次叠加数据采 集、 处理、 综合解释的创新物探施工方法， 数据处理完 2 2019年第6期 同煤科技 DATONG COAL SCIENCE ＆＆ TECHNOLOGY 匡铁军 等 瞬变电磁法成果多次叠加综合解释在矿井超前探测中的应用 成后对6条实测剖面进行公共异常区叠加解释， 缩小 异常区边界范围， 从而在某种程度上降低瞬变电磁体 积效应， 降低成果解释的多解性。 3.1 工作前仪器试验工作 根据本区特点及瞬变电磁法的要求， 试验工作包 括以下内容 1） 仪器参数的试验 以单点试验为主， 包括发射电 流、 关断时间等， 通过调制不同参数， 综合对比， 反演探 测深度确定超前距离并利用一次场关断时间， 计算盲 区大小。 2） 方法有效性试验 在已知采空或积水区域布置 一条测线， 通过对试验线分析解释， 比较解释结果与已 知的地质资料吻合情况， 确定方法的有效性， 继而调整 仪器参数， 达到最佳探测效果。通过仪器测试和地质 钻孔的测井资料， 有效掌握该矿地电特征。 3） 在同一点位使用相同仪器， 采用同一参数进行 反复观测， 计算两组采样数据的相对均方误差以分析 仪器的稳定性。通过试验及计算， 计算仪器采样数据 总均方相对误差， 其误差小于5方能满足井下工作。 3.2 综合解释流程 首先对工作面迎头正前方数据采集6次， 数据处 理分析后形成6条超前探测的实测剖面， 如图3所示将 每条剖面异常区都绘制到采掘工程平面图上， 然后根 据异常区域的重叠部分， 进一步划分异常边界范围， 在 物探成果的基础上， 靶向设计超前钻孔； 巷道再向前掘 进10 m后， 重新采集数据处理解释， 由于单次超前探 测范围和成果在前方70 m100 m范围内， 前后几次的 物探成果可以进行横向和纵向对比分析， 分析现掘进 头6次实测剖面物探成果的公共异常区， 确定物探异 常边界范围， 再结合10 m、 20 m、 30 m等之前6次物探 成果的公共异常区， 精确划分边界范围， 降低物探解释 工作的多解性[7]， 在51045巷掘进期间共采集数据130 余次， 由于篇幅限制， 以51045巷3测点处物探成果和 3测点里10 m处同层瞬变电磁超前探为例， 如图4所 示在3测点处对正前方进行瞬变超前物探， 6次成果异 常区分别为1-1、 1-2、 1-3、 1-4、 1-5、 1-6， 6处异常区 存在公共部分， 如图5所示。集中在公共异常区域处 设计超前钻孔进行验证， 在 “有掘必探” 设计的基础上， 加密施工2个钻孔， 全部探通， 有少量积水和气体， 如 图 6 所示。3测点钻孔气体和水患消除后， 继续向 前掘进10 m后， 向正前方施工瞬变超前物探6次， 对3 测点和3号测点里10 m处6次叠加瞬变电磁公共异常 区进行验证 （如图7所示） 。具体的施工流程图 （如图8 所示） 。 图4 3测点正前方物探异常区 图5 3测点正前方物探公共异常区域 图6 公共异常区域超前钻孔验证 图7 3测点前后物探公共异常区对比验证 3 2019年第6期 同煤科技 DATONG COAL SCIENCE ＆＆ TECHNOLOGY Application of Multiple Superposition and Comprehensive Interpretation of Transient Electromagnetic Results in mine Advance Detection Kuang Tiejun ,Liu Wuquan , Cui Yanshuang Yungang Mine of Datong Coal Mine Group Co., Ltd., Datong Shanxi 037017,China Abstract In view of the problem that there may be goaf water in 51045 tunnel at 410 panel area of No.12 coal seam ,on the basis of the original TEM advanced geophysical exploration， a comprehensive interpretation based on the superposition of multiple transient geophysical interpretation results is proposed , according to the results of the public abnormal area, guide the design of the advance exploration hole, achieve the pur⁃ pose of reducing the volume effect, the detection results are basically consistent with the drilling verification, and achieve good application effect, improve the detection accuracy of the transient advance geophysical exploration, and provide a re⁃ liable basis for the safe and efficient tunneling of the tunnel. Key word Achievement superposition,Comprehensive interpretation ,TEM. 图8 瞬变电磁多次叠加超前探测施工流程图 4 结论 采用物探成果多次叠加综合解释优点提高了物探 成果的准确性， 降低了物探解释的多解性， 验证了使用 仪器的一致性， 从实践的角度上说降低了瞬变电磁体 积效应的影响程度， 精确划分物探异常区边界范围， 为 超前钻探设计提供可靠依据， 采用物探成果叠加的综 合解释方式的探测结果与超前钻探验证情况基本一 直， 取得了良好的应用效果， 为煤矿安全生产提供有效 保障； 缺点就是增加了数据采集的工作量， 但多数井下 瞬变仪器具有轻便、 操作简便的特点， 增加的工作量可 以忽略不计。从事煤矿井下物探工作， 需要我们充分 掌握矿井水文地质条件， 区域煤岩层地电特征， 才能让 物探成果更好的服务于煤矿。 参考文献 [1] 于景邨.矿井瞬变电磁法勘测M.徐州， 中国矿业大学出版社， 2007. [2] 刘静, 刘盛东, 岳建华. 中国矿井物探技术发展现状和关键问题[J]. 煤炭学报, 2014, 390119-25. [3] 胡雄武. 巷道前方含水体的瞬变电磁响应及探测技术研究[D]. 安徽 理工大学, 2014. [4] 黄晓容. 矿井瞬变电磁法在水害超前探测中的应用[J]. 矿业安全与 环保, 20130382-8488. [5] 刘振庆， 廖俊杰， 等.矿井瞬变电磁法在煤矿防治水中的应用[J],煤矿 科学技术， 2011,39 （8） 101-103 [6] 韩瑜, 余传涛, 常锁亮. 中心回线瞬变电磁法体积效应研究[J]. 煤炭 技术, 2018, 3710151-153. [7] 张军， 赵莹， 李萍， 等.矿井瞬变电磁法在超前探测中的应用研究[J], 工程地球物理学报， 2012,9 （1） 49-53 作者简介 匡铁军 （1978.03） ， 男， 硕士研究生学历， 教授级工程师， 现为大同 煤矿集团有限责任公司云冈矿矿长。 收稿日期 2019-12-10 4