瞬变电磁超前探测技术在巷道掘进中的应用.pdf

2 0 1 4年第 1 0 期 中州煤炭 总第 2 2 6 期 瞬变 电磁超前探测技术在巷道掘进 中的应 用 张 生存 淮北矿 业股份有限公司 许疃煤矿 ， 安徽 淮北2 3 5 0 0 0 摘 要 许疃煤矿主采二叠 系7 - 2煤层 ， 其掘进开拓过程 中受 到顶底板砂岩 层 的裂 隙水影响。结合 7 2煤 层掘 进 地质条件 ， 在掘进过程 中采用 瞬变 电磁 法进行巷道超 前探 测。实践结果表明 ， 瞬变电磁 法对于掘进 巷道顶 底板裂 隙水探查具有一定 的可行性 ， 但在 富水程度评价 方面还需深入研究。 关键词 超前探测 ； 瞬变 电磁法 ； 巷道掘进 中图分类号 P 6 3 1 ． 3 2 5 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 4 1 0 0 1 0 8 0 3 矿井水文地质条件是煤矿安全生产 中的重要影 响因素 ， 做好 开拓 过 程 中巷 道 前 方 水 害特 征 的探 查 与预报 工 作 至 关 重要 。 目前 ， 许 疃 煤矿 主采 7 - 2煤 层 ， 其开拓过程中主要受到来 自顶底板砂 岩裂 隙含 水层的影响。为了防止在掘进过程中发生突水 ， 要 进行有效的巷道超前探测。 目前 ， 用于巷道超前探 测 的方 法较 多 ， 主要有 地震 波法 、 直 流 电法 和 瞬变 电 磁法 。其 中地震 波 法 用 于解 决 巷 道 前 方 地 质构 造等 界面 问题效 果 较 好 ， 探 水 问题 的解 决 则 以电磁 勘探方法为主体 。瞬变电磁作为一种非接触式勘探 方法 ， 具有施工方便快捷、 体积效应小、 探测距离远 、 探测方 向性 好 、 对含 水低 阻体敏 感等 优点 ， 近 年来 已 在巷道探测机制 、 数据采集 、 干扰 因素控制 、 反演算 法 、 结果成 图等方面有了较多应用 ， 其在巷道掘进前 方隐伏含水体及断层 、 陷落柱等构造 的超前探测中 取得 了良好的应用效果。笔者结合许 疃煤矿 7 2煤 层 巷道掘 进地 质条 件 进 行 了 瞬 变 电磁 超 前 探 测 ， 讨 论其探查适用条件 和应用效果 ， 为矿井安全生产提 供有效的技术参数 。 1工 作 面概 况 许 疃煤矿 7 2 2 1 1 工 作 面位于 8 2 采 区下 山左 翼 第三阶段 ， 南到 F 断层防水煤柱， 西为 7 2 2 9工作面 已回采 ， 北至 一 5 0 0 m配风石门保安煤柱 ， 东邻工 业场地保 安煤柱。7 - 2煤层 为首采煤层 ， 属二叠 系 下 统下 石盒 子组 ， 厚 度 3 ． 6～5 ． 8 m， 平 均 厚 4 ． 7 m。 伪 顶为 泥岩 ， 深灰 色 ， 块 状 ， 含 植 物化 石 ， 厚 度 0 ． 1～ 1 ． 2 m， 平均厚 0 ． 6 m； 直接顶为粉砂岩 ， 深灰色 ， 含 有较多 的泥质 ， 块状构造 ， 厚度 2 ． 9 6 ． 7 m， 平均厚 4 ． 8 m。直 接底 为泥 岩 ， 浅 灰色 ， 泥 质为 主 ， 参 差状 断 口， 厚 度 1 ． 8～ 2 ． 5 m， 平 均 厚 2 ． 1 m； 基 本 底 为 细 砂 岩， 浅灰色， 局部为灰色 ， 厚度 1 0 ． 0 0～1 0 ． 7 3 m， 平 均厚 1 0 ． 3 6 m。由于煤与岩石 的阻值差 别很 大 ， 瞬 变电磁对低阻响应 比较敏感 ， 可 以有效查 明前方是 否存 在地 质异 常 。 2 T E M 超前探 测原 理 瞬变电磁法 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 ， 简称 T E M ， 是利 用 不 接 地 回线 线 圈 或 接 地 导线 发射脉冲电流作为场源 ， 以激励探测 目的物感生二 次电流 ， 在发射脉 冲的间隙利用 回线或接地 电极测 量 二次 场随 时间 变 化 的 响应 ， 从 测 量 得 到 的 异 常分 析出地下不均匀导电体性能和位置 ， 达到解决地质 问题 的 目的 。 感 应 涡流 场在 表层 引起 的 磁 场 为 整 个 “ 环 带 ” 各 个 涡流层 的 总效 应 ， 这 种 效 应 可用 一 个 简 单 的 电 流环等效 ， 表现为一 系列与发送线圈同形状并且 向 下 向外 扩 散 的电流 环 ， 通 常称 为 “ 烟圈 ” 图 1 。 含水异常体 图 1 T E M 超前探测原理 收 稿日 期 2 0 1 4 一 o 5 2 9 地层介质被激励所感应 的二次涡流场 的强弱决 作 者简介 张生存 1 9 8 6 一 ， 男， 安徽淮北人， 助理工程师， 2 0 1 0 年 定于地层介 质所耦 合的一次脉 冲磁 场磁力线 的多 毕业于安徽理工大学， 现从事矿井 地质、 矿井水文地质工作。 少 ， 即二次场的大小与地下介质的电性有关。根据 l 08 2 0 1 4年第 1 0期 张生存 瞬变 电磁 超前 探测 技术 在巷 道掘 进 中的应 用 总第 2 2 6期 二次 场 衰减 曲线 的 特征 ， 就 可 以 判 断地 下 地 质 体 的 电性 、 性 质 、 规模 和 产状 等 。 因此 ， 瞬 变 电 磁作 为 一 种时 间域 的人工 源 地球 物 理 电磁 感 应 探 测 方 法 ， 是 根据 地 质构造 本 身存 在 的物性 差异 来 间接判 断相 关 地质现象的一种有效的地质勘探手段。 瞬 变 电磁 场 在 地层 中主 要 以 扩散 形 式 传 播 ， 其 中高频部分主要集中在浅表 附近 ， 且其分布范围是 源下面的局部 ， 较低频部分传播到坑道深处 ， 且分布 范 围逐渐 扩 大。 根据采 用 的多 匝小 回线装 置 视 电阻 率 计 算 ， 目前 大多 沿用通 用 的早 、 晚期 视 电阻 率换算 公式 ， 其中晚期视 电阻率仍 采用经典 的半空间均匀 场 晚 期计 算公 式 ⋯ 2 ／ ． t o S ⋯ Ns ⋯n ] c 6 ． 3 2 1 0P s Ⅳ ／ 3 r L 5 ， J孔 L s r t I 1 ／ 1 一 t 一 1 式 中， P 为电阻率 ； 。为真空 中的磁导率 ； S为单 匝 发 射 回线 面 积 ； s 为 单 匝接 收 回线 面积 ； N 和 r t 分别 为发 射 和接收 线 圈 匝数 ； V和 ，分 别 为 感 应 电动 势 和 电流 ， ， 为 接 收 的 归 一 化 二 次 感 应 电场 值 ； t 为 二 次 场衰 减 观 测 时 间 ； C 为 近 似 系 数 ， 由井 下 全 空 间 、 线 圈特 性及 围岩 电性 共 同决定 ， 如果不 考 虑该 系 数 ， 则实际计算 出来 的视 电阻率值偏小。c的具体 取 值 可依 据实 际探 测 区域 岩 体 真 电 阻率 值 ， 通过 在 探 测 区域 的应 用验 证 对 比来 反 复 推求 获 取 ， 并 作 为 经验值使用 。 由此 可 以计 算 和获 得单 点测 深 电阻率 值 。 3超 前探测方法 现场探 测 时瞬 变 电磁 线 框 采用 边 长 2 m 2 m 的多 匝小线 框 同心 回线 布 置 方 式 ， 在 7 - 2煤 层 工 作 面探测时采用扇型观测系统布置 图 2 ， 实施探测 点 数 多 ， 易 于 进 行 数 据 对 比分 析 。 以巷 道 掘 进 面 立 l 00 8 0 篝 6 0 燕 4 0 2 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 距巷道中心线距离， m 8 t 顶板3 0 。 l 00 8 O 誊 o 藿 4 o 2 O 0 面 中心 为 原 点 ， 沿 巷 道 左 帮 、 掘 进 面 和 右 帮 采 集 数 据 ， 每 个数 据点 处 观测 3个 方 向 ， 分 别 为 仰角 3 0 。 顶 板 方 向 、 水 平 顺 层 方 向 和俯 角 3 0 。 底 板 方 向 。处 理 时该数 据 常采用 虚 拟 坐 标 ， 将 3个 方 向数 据 依 次 排 放 ， 形 成左 帮 、 顺 层 、 右帮 的统 一 电阻率 剖面 ， 其重 点 是 关注 中间顺层 数 据 ， 两 帮 数 据 由于测 试 影 响 条 件 不 同 ， 仅起 到 电性参 数对 比作 用 。 圈 2扇型观测系统布置示意 现场 探测 时 ， 需要 保持 良好 的测 试环境 ， 其 中距 掘进 面 后方 1 0 m 内不 能有 大型 金属 物 ， 综 掘 机等应 移至探测范围之外， 以消除金属体对 电磁信号的影 响 。探 测时 巷道要 停 电 ， 线 圈尽 量避 开锚 网 和锚杆 ， 最大 限 度地减 少各 种干 扰信 号 。 4探测 结果分析 许 疃煤矿 7 2 2 I l 工作 面 回风巷 掘进 面 瞬变 电磁 超前 探测 视 电阻率 成 果 如 图 3所 示 ， 探 测 控 制距 离 为掘 进 面前方 0～ 1 O 0 m， 其 中 0～1 0 m 为 关断 时 间 及互 感等 产 生的浅 部盲 区 。测 区 内电阻率 值分 布在 5～ 6 0 Q m， 高 阻值分布普 遍 ， 局 部存在低 阻异常 值。此次探测共得 出 3个视 电阻率剖面， 分别 为掘 进面 顶板 3 0 。 、 掘进 面顺 层和 掘进 面底 板 3 0 。 。 一8 0 6 0 4 0 2 O o 2 0 4 0 6 0 8 0 距巷道 中心线距离／ m h顺层 图 3瞬 变电磁超 前探测成果 { 岳 巨 嚣 距巷道 中心线距离， m c底板3 0 。 由图 3可 以看 出 ① 掘进工作 面顶板 3 0 。 方 向 图 3 a 。该相对低阻异常区位于巷道中心线左 1 O 9 一 山． G一 、 瓣盛锄露 0 ● 2 3 4 5 ●■■■■■■■墨圜幽凹■■ 2 0 1 4年第 1 O 期 中州煤炭 总第2 2 6 期 侧 6～ 1 5 m， 探测方 向前方 6 1～8 3 m 对应垂直深度 为 5 3～ 7 2 m ， 分析为该 区域相对富水 。② 掘进 面 顺层方向 图3 b 。该低阻异常 区位于顺层探测 方向前方 6 2～1 0 0 m， 巷道中心线左侧 1 2 m至右侧 1 2 m 范 围 内 ， 分 析 为 岩 性 变化 ， 在巷 道 掘 进 过 程 中 应注意观察。③ 掘进 面底板 3 0 。 方 向 图 3 c 。 该 相对低 阻异 常 区位于 底 板 3 0 。 探 测 方 向左 侧 和 前 方 ， 前方异常区域位于巷道中心线左侧 2 4 m至右侧 2 4 m， 探测方 向前 方 5 2～ 1 0 0 m 对应垂 直深 度 为 4 5 ～ 8 7 m ， 视 电阻率值 小 于 8 Q m， 分 析 可 能 为该 区 域 为岩 性变 化或 相对 富水 ， 推 断 前 方 岩 层 整体 富水 性弱 ， 低阻区为底板砂岩裂隙含水表现。 5探测结果验证 根 据 物探测 试结 果判 定 当 日掘 进 面前 方 0～ 6 0 m范围视电阻率值较高， 则其富水性相对较差 ； 掘进 面前方 6 0～1 1 0 m范围存在局部相对低 阻区， 该 区 富水性 相 对较 强 。经 过后 期 现 场 验 证 ， 在 所 解 释 的 低阻异常区内出现淋水现象 ， 均位 于探测圈定的异 常范围内， 高阻区域巷道掘进正常 ， 与探测结果相 比 富水 性具 一致 性 。探 测 结果 表 明 ， 巷 道 掘 进 揭 露 地 质条 件 与超前 物探 剖面 中 电性 分布 异常 解释 的一致 性较 好 ， 对安全 生产 发挥 了指 导作 用 ， 同时也 为后 续 煤层巷道掘进及煤炭资源回采提供技术参考 。 6 结论 1 瞬变 电磁超 前探 测 中扇形 观 测 系 统布 置 相 对合理 ， 其结果表达兼顾全方位特点 ， 数据分布特点 对掘进面前方空间异常响应有利 。 2 7 - 2煤层巷道超前探测实践表明 ， 测 区煤层 平均电阻率值较高 ， 便于对低阻异常的识别 。以低 于 8 Q m为低阻值异常区判 断标准， 具有一定的可 靠性 。 3 由于单 一 方 法 会 存 在 多解 性 ， 后 续 复 杂 地 质条件探查需结合直流电法等物探技术进行综合勘 探 ， 进一步提高超前探水预报能力。 参考 文献 [ 1 ] 张平松 ， 刘盛东 ， 李 培根， 等． 矿井 瞬变电磁探测 技术系统与应 用 『 J 1 ． 地球物理学进展 。 2 0 1 1 。 2 6 3 1 1 0 7 ． 1 1 1 4 ． 黄俊 革， 王 家林 ， 阮 百尧． 巷 道直 流 电阻 率 法超 前探 测 研究 [ J ] ． 地球 物理学报 ， 2 0 0 6， 4 9 5 1 5 2 9 ． 1 5 3 8 ． 刘志新 ， 岳建华 ， 刘仰光 ． 扇形探测 技术 在超前 探测 中的应 用 研究 [ J ] ． 中国矿业 大学学报 ， 2 0 0 7， 3 6 6 8 2 2 ． 8 2 5 ． 岳建华 ， 姜志海． 矿井瞬变电磁探测技术 与应用 [ J ] ． 能源技 术 与管理 ， 2 0 0 6 5 7 2 - 7 5 ． 张平松 ， 李永盛 ， 胡雄 武． 坑道 掘进瞬变 电磁超 前探 水技术 应 用分析 [ J ] ． 岩土力学， 2 0 1 2 ， 3 3 9 2 7 5 0 ． 2 7 5 3 吴超凡 ， 胡雄武 ， 刘 盛东． 巷道 掘进工作 面 瞬变 电磁 超前探 测 模拟及应用 [ J ] ． 中国安 全科学学报 ， 2 0 1 2 ， 2 2 9 1 2 2 1 2 6 ． 贾树林． 矿井瞬变 电磁超前 探测盲 区的研究 和应用 [ J ] ． 能源 技术 与管理 ， 2 0 1 2 4 1 5 1 6 ． 宋 忠亮 ， 闫家法． 瞬变电磁超前探测技术 在安 阳煤矿巷 道掘进 中的应用 [ J ] ． 山东煤炭科技 ， 2 0 1 2 5 7 _ 9 ． 责任编辑 梁郁鑫 上接 第 8 8页 西 翼 回风巷 内 C O浓 度 也有 明显 降低 ， 当班 由 1 0 x 1 0 降至 61 0 ～， 总 回风巷 内 C O浓度 由 1 61 0 降低 至 3 X 1 0 ～。随着 时间的 推 移 ， C O浓度 也逐 渐 降低 ， 5 d后 ， 矿井 整 个 回风 巷 内 已无 C O涌 出。至 今 该 状 态 已维 持 3 0 d ， 可 以推 断火 区内煤层 自燃 现象 已消失 。 6 结 语 金源煤矿在停产 7 d后 ， 发现井下巷道内 C O浓 度升高 ， 煤层有 自燃倾 向。采取简单的均压堵漏措 施后 ， 解决了煤层 自燃 的问题， 保证了矿井 的安全 ， 为停工停产 、 各相关系统建设不完善的小煤矿提供 了借鉴 。但该措施并不能保证一劳永逸 ， 还应该大 力推进 煤矿 防灭 火 系统 以及安全 避 险六 大系统 的建 设与完善 ， 保证矿井的安全生产。 1 1 0 ． 参考 文献 [ 1 ] 曹代勇， 樊新杰 ， 时孝磊 ， 等． 乌达煤 田煤层 自燃 内因分析与 自 燃 类型划分 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 5 6 2 8 8 - 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