瞬变电磁法在井下富水采空区探测中的应用.pdf

第43卷第10期 煤炭 与化工 Vo l .43 No .10 2020 年 10 月 Co al and Ch emic al Indu stry Oc t. 2020 地测与水害防治 瞬变电磁法在井下富水采空区探测中的应用 刘平喜1,徐贵阳1,曹伟康1,高飞2,崔焕玉2,甄正强彳 1.山西古县老母坡煤业有限公司，山西临汾041000 ； 2.河北煤炭科学研究院有限公司，河1匕邢台054000 摘 要在煤矿开采过程中，富水采空区由于分布形态十分复杂，其空间位置很难确定，一 旦突水，短时间内涌水量巨大，很容易发生淹井事故，给煤矿经济和安全生产带来严重损失。 针对这一难题，本文以山西古县老母坡矿2117 X作面为例，通过采用瞬变电磁超前探测方 法，有效地探测出该工作面附近1处富水采空区。结果表明，瞬变电磁法在探测井下富水采 空区方面有良好的应用效果。 关键词瞬变电磁；富水；采空区；超前探测 中图分类号TD745 文献标识码B 文章编号2095-5979 2020 10-0049-03 Application of transient electromagnetic detection in underground water-rich air goaf Liu Pingxi1, Xu Gu iyang1, Cao WeikangGao Fei2,Cu i Hu anyu2, Zh en Zh engqiang2 1. Shanxi Laomupo Coal Industry Corporation Ltd., Linfsn 041000, China; 2. Hebei Coal Science Research Institute Corporation Ltd., Xingtai 054000, China Abstrac t In th e pro c ess o f c o al mining, water-ric h mining vo id areas are diffic u l t to determine th eir spatial l o c atio n du e to th eir c o mpl ex distribu tio n patterns. To address th is pro bl em, th e 2117 wo rking fac e o f Lao mu po Mine was taken as exampl e, and effec tivel y a water-ric h mining spac e near th e fac e by u sing a transient el ec tro magnetic advanc e so u nding meth o d was ado pted. Th e resu l ts sh o wed th at th e transient el ec tro magnetic meth o d h ad a go o d appl ic atio n in detec ting waterric h u ndergro u nd mining vo id areas. Key wo rds transient el ec tro magnetism; water-ric h ; o pen spac e; advanc ed detec tio n 0引 言 一直以来，矿井水灾害都严重威胁着煤矿安全 生产，采空区是诸多造成矿井水灾害因素之一。早 期煤矿行业火热，由于利益巨大，小煤窑乱挖乱采 形成大量采空区，加上大部分煤层采空后没有采取 处理措施充填处理，后期很容易造成采空塌陷 且常常积水，最终形成富水采空区。在煤矿生产过 程中，一旦前期没有调查清楚掘通，短时间内涌水 量巨大，轻则加重煤矿防治水工作，重则处理措施 不到位、不及时，发生淹井事故及造成人员死亡, 严重威胁煤矿安全生产和经济效益。因此，采取有 效勘探措施提早査明富水采空区尤为重要。 在査明富水采空区方面，开展高密度钻探工作 能有效査明富水采空区范围，但缺点也很明显。首 先钻探密度加大，大大增加了钻探施工时间；其次 大量增加钻探，花费巨大，严重影响煤矿效益。矿 井直流电法超前探测对含水异常有较高识别率，但 勘探有效距离局限于50 m以内，且要求异常直径 小于10 m,宜流电法施工过程中，电极布置费时 费力，效率慢。瞬变电磁超前探测施工便捷、效率 高，对低阻异常灵敏、分辨率高，成本低，广泛用 于井下探测含水异常体。本文通过在山西古县老母 坡矿工作面应用瞬变超前探测，较准确地査明了富 水采空区位置，取得了良好应用效果。 责任编辑高小青 DOI 10.19286/j.c nki.c c i.2020.10.015 作者简介刘平喜1973-,男，山西洪洞人，工程师。 引用格式刘平喜，徐贵阳，曹伟康，等.瞬变电磁法在井下富水采空区探测中的应用[J].煤炭与化工，2020 , 43 10 49-51. 49 2020年第10期煤炭与化工第43卷 1井下瞬变电磁探测技术分析 1.1 地球物理特征 岩石的空隙度、矿物成分、结构、构造、裂隙 发育程度和含水程度，这些因素都能影响岩石电阻 率。其中岩石的空隙裂隙发育程度、含水性及水的 矿化度对岩石的电阻率变化有重要影响。 当岩层裂隙发育并含水时，在裂隙发育地带电 阻率就会大幅度下降，形成明显的相对低阻异常 区。井下瞬变电磁超前探测技术就是利用此规律来 查明巷道前方一定范围内煤岩层的富水情况。 1.2 井下瞬变电磁法基本原理 井下瞬变电磁法属时间域电磁感应方法，与地 面瞬变电磁半空间瞬态响应不同，井下瞬变电磁阀 属于全空间的瞬态响应，探测机理是导电介质在阶 梯电磁场激励下产生的涡流效应。具体过程使采用 不接地回线向探测区域发射一次脉冲磁场，在一次 脉冲磁场间歇期间，在激发场的作用下，探测介质 内部会有一个明显的涡流（图1）,再利用线圈观 测介质引起的二次感应涡流场产生的电磁场的强度、 空间分布和时间特性，从而得到介质物性参数。 图1矿井中的超前探测电磁感应示意 Fig. 1 Advanc ed detec tio n o f el ec tro magnetic indu c tio n in a mine 1.3井下瞬变电磁特点 （1） 瞬变电磁对低阻异常十分敏感，而且高 阻层不会对其产生屏蔽，因此井下瞬变电磁技术穿 透能力很强。 （2） 现场施工简单、灵活，测距大，用到的 辅助工序极少，省时省力，极大降低了工作成本。 （3） 由于瞬变电磁对低阻灵敏特点，往往巷 道干扰因素（金属物件、积水、锚网等）又比较 多，因此在施工时，需要尽可能为瞬变电磁超前探 测提供一个干扰少的探测环境。 2探测实例分析 2.1测区地质概况 老母破矿2号煤综采工作面煤层厚度1.1 1.3 m,煤层倾角3。5。，北东走向，煤层结构简 单，厚度基本稳定。直接顶为泥岩，厚0.15 m,灰 黑、黑色，平坦状断口，质纯，细腻。井田内陷落 柱发育。 山西组砂岩裂隙含水层为该工作面直接充水的 含水层，属于弱富水性，工作面主要含水来源是大 气降水，降水可通过基岩裂隙渗入地下岩层中。_ 般来说，只有存在有构造的情况下，才对工作面造 成水害威胁，该矿奥灰水位在工作面标高以下，基 本上不会影响到工作面开采。 2.2探测仪器及探测方案 瞬变电磁超前探测目的在于提前査明2117工 作面下顺槽切眼30 m处前方一定范围内煤岩层的 富水情况，指导钻探工作和防治水工作，为该矿巷 道设计提供地质依据。 此次瞬变电磁超前探测仪器采用加拿大公司生 产的PROTEM 47瞬变电磁仪，该仪器采用的是分 离回线装置，消除了线圈互感影响，该仪器的抗干 扰能力十分突出，精度上也比一般井下瞬变电磁仪 有较大的优势。 探测位置在2117 1作面切眼处（图2）,根 据探测目的及井下条件，设计巷道左侧90。右 侧90。，间隔角度为15。，即横向探测13个角 度，垂向探测上，每个横向探测角度上设计5个方 向角度（40。、20、0、-20、-40 ）探 测。此次瞬变电磁超前探测共完成65个物理测点。 在施工工程中，使综掘机撤退至距离瞬变电磁仪器 15 m左右，迎头附近10 m范围无积水。在探测 过程中，探测迎头范围附近保持停电状态，并将现 场一些金属器件清理到远离施工地点范围。采集数 据过程中发、收线圈远离金属材料，这些措施都极 大地确保了原始数据的可靠性。 3物探成果解释与分析 此次探测发现］处视电阻率相对异常区，异常 区在巷道迎头左侧15 右侧25 m,巷道前方 40 85 m。由于2117工作面距离矿井边界位置很 近，推测视电阻率相对异常为采空区富水反应。 TEMINT解析软件分析处理成果图如图2所示。 50 刘平喜等瞬变电磁法在井下富水采空区探测中的应用2020年第10期 图2顺煤层方向探测成果 Fig. 2 Detec tio n resu l ts al o ng th e c o al seam direc tio n 2117工作面 为了验证探测出的低阻异常区富水性，在圈定 出的视电阻率相对异常区设计2组钻孔进行钻探验 证，结果2处钻探位置均见空有水，得到了较好的 验证。因此，该矿设计2117工作面上顺槽反掘巷 时，将反掘巷位置向南移动了 14 m左右，避开了 富水采空区位置，避免了煤矿水害事故。 4结论 （1 ）通过在老母坡矿2117工作面采用瞬变电 磁超前技术，探査1处视电阻率相对异常区，并推 测为富水采空区，后得到矿方钻探验证。为指导矿 井防治水工作和保障煤矿安全生产奠定基础O （2 ）虽然瞬变电磁超前探测技术有着分辨率 高、探测距离大等诸多优点，在探测富水采空区方 面有良好的应用效果，但其在抗干扰方面目前仍存 在大量不足，在井下工作环境方面要求比一般的超 前探测方法高。随着深入研究，瞬变电磁超前探测 在抗干扰能力方面会有显著提升。 参考文献 [1 ] 师鹏峰.瞬变电磁法在井下采空区探测中的应用[J ].山西焦 煤科技，2016（S1） 132 - 135. [2] 杨彦明.井下瞬变电磁勘探法在正珠煤业的应用[J].煤炭与 化工，2017, 40 （6） 154-156, 160. [3] 郭艳培，张延博，商岩冬.矿井瞬变电磁法探测工作面外帮 水体技术[J].煤矿安全，2018, 49（8） 80 - 83 , 87. [4] 崔金亮，马志超，郝宇军.断层富水异常区矿井瞬变电磁法 探测技术与应用[J ].北京工业职业技术学院学报， 2018, 17（3） 93 -97. [5 ] 陈永庆.井下瞬变电磁法在超前探测中的设计和应用[J ].山 西煤炭，2014, 34（8） 50-52. （上接第48页） 隙带最大发育高度73.8 m。钻探位置裂隙带发育高 度73 m,位于55-90 m的主关键层和亚关键层之 间，说明钻探位置停采40 d后亚关键层已破断， 但裂隙尚未发育至主关键层，与物探结果吻合，验 证了物探结果的准确性。 3结 语 综合分析相似模拟实验结果、高密度电法物探 结果、井下钻孔注水法探测结果和邻近矿井裂隙带 探测成果，阳煤一矿15号煤最大导水裂隙高度为 73〜90 m。由于井下钻孔探测规模较小，且试验工 作面埋藏浅，建议阳煤一矿选择埋藏较深的工作 面，开展井下物探和钻探试验，进一步深入研究阳 煤一矿15号煤导水裂隙带发育规律。 参考文献 [1] 李琰庆.导水裂隙带高度预计方法研究及应用[D].西安；西 安科技大学，2007. [2] 袁 景.谢桥煤矿1201（3）工作面覆岩导水裂缝带高度预 测[D].阜新辽宁工程技术大学，2005. 51