瞬变电磁法在掘进工作面超前探测中的应用.pdf

Va l ue Eng i n e e r i n g 3 5 瞬变电磁法在掘进工作面超前探测中的应用 Ap p fi c a tio n o f T r a n s i e n t El e c t r o ma g n e t i c M e t h o d s i n Ex c a v a ti o n W o r k i n g F a c e Ad v a n c e d De t e c t i o n 赵红 Z HAO Ho n g 贵州大学矿业 学院， 贵阳 5 5 0 0 2 5 ； 贵州省劳动保护科学技术研究院 ， 遵义 5 6 3 0 0 0 S c h o o l o f Mi n i n g ， G u i z h o u U n i v e r s i t y ， G u i y a n g 5 5 0 0 2 5 ， C h i n a ； G u i z h o u L a b o r P r o t e c t i o n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n s t i t u t e ， Z u n y i 5 6 3 0 0 0 ， C h i n a 摘要 介绍了瞬变电磁超前探测技术的原理与方法， 以贵州 I 省晴隆县永荣煤矿为例， 探测 1 4 1 0 1 回风巷前方积水及总回风巷老 空积水情况， 探测掘进头顺层及顶板的低阻体异常及分布范围。探测结果表明， 通过对采集到的数据进行处理， 绘制视电阻率等值线 断面图， 结合地质资料可以准确判定地质异常区域的位置和富水性强弱。 Ab s t r a c t T h i s p a p e r p r e s e n t s t h e p r i n c i p l e o f m i n 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 me t h o d ． T a k i n g Q i n g l o n g C o u n t y o f G u i z h o u p r o v i n c e Yo n g r o n g c o a l mi n e a S a n e x a mp l e ，i t d e t e c t e d t h e p o n d i n g i n f r o n t o f 1 41 01 wi n d a l l e y an d t o t a l r e t u rn a i r r o a d wa y g o b ，a n d t h e l o w r e s i s t a n c e b o d y a b n o r ma l i t y a n d d i s t r i b u t i o n of b e d d i n g a n d r o o f ． Th e s u r v e y r e s u l t s s h o w t h a t ， b y p r o c e s s i n g t h e c o l l e c t e d d a t a a n d d r a wi n g the c o n t o u r s of a p p a r e n t r e s i s t i v i t y s e c t i o n ， c o mb i n e d w i th g e o l o g i c al i n f o r ma t i o n ，i t C an a c c u r a t e l y d e t e r mi n e t h e g e o l o g i c a l a n o mali t y are a an d wa t e r y s t r e n g t h ． 关键词瞬变电磁法； 掘进工作面； 超前探测 Ke y wo r d s t r an s i e n t e l e c t r o ma gne t i c me t h o d s ； e x c a v a t i o n wo r k i n g f a c e ； a d v a n c e d d e t e c t i o n 中图分类号 P 6 3 1 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 4 3 1 1 2 0 1 3 3 2 0 0 3 5 0 3 O 引言 影 Ⅱ 向 煤矿安全生 产的主要因素之一就是水害 ， 必须对 其加强 I[ i r a 理和 防范。 了解掘进工作面前 方一定范 围内岩层 的赋 存、 导水性 以及 分布 情况 不仅 能够有效 的避免水 害事 故的发生 ， 更为巷道 的安 全掘进和预 防水害事故发 生起到 了关键 的作用。 我 国煤矿 井下巷 道超前 探测主要包括地质 雷达 、 直流 电法以及瑞雷波等物 探技术 。使用瑞 雷波、 地质 雷达 技术 可以探测巷道 的前 方和 侧方 ， 但 是测量距离近并且 适应性 较 差 ，一般仅 能探测 1 0多米 ，并且 无法判别是否 异常含 水 对于 电法超 前探测 技术 主要用于探测掘进头 正前方隐 伏 构造 ， 虽然 此法具 有简便 实用、 测距大、 对水敏感 以及异 常探 出率高等优 点 ， 但是 还具有 控制范 围小 、 仅 能预 测巷 道掘进头 正前 方有无含水构造 ， 并且探测工作量 大以及对 高产高效矿井掘进效率影响较大等缺 。瞬变电磁法具 有定向性好、 探距大、 分辨率高以及对水敏感性强等突出 优 点 ， 尤其探 测侧 方和 侧下 方含 水结构 效果 良好 ， 是 探测 矿井井 下含水 构造的有效方法阁 。 因此 ， 利 用瞬变 电磁法 能 够准确 高效 的探测出掘进工作面前 方的赋水 状态 ， 能够 为 矿 井的安全生产提供 参考依据。 1瞬变电磁法简介 瞬间 电磁 法又称 时间域 电磁 法 ， 简称 T E M， 它是利用 不接地 回线或接地线源 向地下发射一 次脉 冲磁场 ， 利用线 圈或接地 电极在一 次脉 冲磁 场 的间歇 期 间观测 二次涡流 场 的方法13 ] ， 即 电磁感应定律是 瞬变 电磁 法的基 本原理 。 1 ． 1基 本原 理．矿 井瞬 变 电磁 法一般 采用 两个 线圈 ， 即一个发 射 ， 一个 接收 ， 探 测方 向就 是发射 线 圈平 面 的法 线方向。探测时 ， 架设线 圈使其 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 电流而后 瞬 间关 作者简介 赵红 1 9 8 1 一 ， 男 ， 重庆人， 贵州大学矿业学院安全工 程专业在读研究生 ， 工程 师， 研 究方向为矿 山安 全。 断 。通 电期 间大地 中便 建 立 了一次磁 场 ，断 电 后 在巷道 围岩中激发 了 以发射线 圈法线方 向为 中 心 的 涡 旋 感 应 电流 场 。在 发射 电流刚 关断 时 ，该环状 线 电流 紧接 发 射回线 ，与 发射 回线 图 1 瞬变 电磁 超前探测原理示意 图 具 有相 同的形状。随着 时间推移 ， 该 电流环 向前 、 向外扩 散 ， 并逐渐 变形为圆 电流环。等效 电流环很像从发射 回线 中“ 吹 ” 出来 的一系列 “ 烟 圈 ” ， 因此 ， 将 涡旋 电流 沿发射 线 圈法线方向 向外扩散的过程形象地称为“ 烟 圈效应 ” 如 图 1 所示 。根据接 收到瞬变 电磁场 随时间的变化 规律 ， 可以 探测巷道前 方岩层 的电性变化 ， 达到超前探测 的 目的。 1 ． 2 方法技 术矿 井瞬 变 电磁 法受 到巷 道 空间 的限 制 ， 一般 采用 边长 2 3 m 的小 回线装 置形式 ， 为了满足 探 测深度 的要求 ， 可 以通过增加线 圈匝道 的方法加 大发射磁 矩和有效接受面积从而增 大信噪 比。由于线圈的法线方 向 可看作 探测 方向， 由于采用 了小 回线装置形式使 其探测 方 向性更强。在井下施工 的过程 中根据探测任务 要求 ， 为 了 获取巷道掘进头前 方不同水平层位上 的 电信 息 ， 可以通过 调整 线圈与巷 道底 板之 间的角度 以改变法 线指 向。如 图 2 一 a所示 ， 当以仰 视角度 架 设线 圈时 ， 探 测方 向指 向顶板 即顶板探测 ， 可 以超前探 测顶板 一定深 度范 围内含水异常 体 的分布规 律 ； 如 图 2 一 b ， 当线 圈直 立于 巷道 时即顺 层探 测 ， 可以超前 探测掘进头 正前 方含水体 的发 育位置 ； 如 图 2 一 c所示 ， 当以俯 视角 度架 设线 圈时 ， 探 测 方向指 向底板 即底板探测 ， 可 以超前探 测底板 一定 深度范围内含水异 常 体 的分布规律[4 1。 测点布置于 巷道 两帮与掘进头 处， 为 了获 得完整 的前 方空间信 息 ， 依 次探 测左 帮、 掘进头 左前方、 掘 进头 正前 方、 掘进头右前 方以及右 帮 ， 然 后处理采 集的数 据进行视 电阻率的转换 、 时深转换并绘制视 电阻率等值线