瞬变电磁技术在矿井水害预测防治中的应用.pdf

第 3 l卷第 4 期 2 0 1 3年 1 2月 华北地震科学 NORTH CHI NA EARTHQUAKE S CI ENCE S Vo 1 ． 31， No． 4 De c ．，201 3 瞬变 电磁 技术在矿 井水害预测 防治 中的应 用 汝 亮 ，钟伟杰 ，朱裕振 ，沈礼峰 ，周明磊 山东省煤 田地质规划勘察 研究院 ， 山东 泰安2 7 1 0 0 0 摘要 通过对山东某矿 3 7 0 2工作面底 板岩层 富水性 的实地探测 ， 验证 了瞬变电磁法在矿井水 害预测 防治 中的应用 效果 。结果显示 1 影响 3 7 0 2工作面安全开采的突水 威胁主要为底 板 的岩 浆岩 富水 ， 轨道 巷 9 O 。 、 4 5 。 、 3 o 。 探 测方 向分别发现 富水条带 1个 、 富水较强的区域 4 个 ， 连续性 较好 的富水较 强的区域 5个 ； 2 3 7 0 2工作 面地 板下划定 3 类富水 区域且深部整体富水范围 比浅部 大。探测结果与钻探验证结果基本吻合 ， 说 明瞬变 电磁 法在矿井掘进 巷道 顶底板 、 前方或旁侧 的含水构造及岩层的含水性探测等方面具有 重大的实用价 值。为井下水害 预报 和防治提供 可 靠依据 。 关键词 瞬变电磁法 ； 矿井水 害 ； 超前探测 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 3 1 3 7 5 2 0 1 3 0 4 0 0 5 0 0 5 0 引言 矿井水害长期以来一直制约着我国煤矿资源的 安 全高效 开采 ， 煤层 底 板 突 水或 老 空 区 出水 淹 井 事 故 时有发 生 。超前探 测巷 道掘进 前方及 工作 面顶 底 板 岩层 中水害 源 的位 置 和水 量 状 况 ， 对减 少 或 杜 绝 巷道 掘进 以及 工作 面顶底 板水 害事故 的发 生具有 重 要 意义 。作为 一种 非接 触 式 的快 速 勘 探 技 术 ， 多 匝 小回线装置形式的矿井瞬变 电磁法 ， 既适合井巷条 件 又克服 了接地 条 件对 探 查 结果 的影 响 ， 在 矿 井水 害的超前探测中应用非常广泛L l ] 。为此 ， 笔 者在 山东 某矿 底板 富水性 的超前 预报 中采用 了矿 井瞬 变 电磁法 ， 对该矿 3 7 0 2工作面未采区底板含水岩层富 水情 况进行 了探 测 ， 探 测结 果 与 钻 探 验证 结 果 基 本 吻合 ， 取得 了良好 的应 用效果 。 1 井 田地质及地球 物理特征 井田为全隐蔽的华北 型石炭、 二迭系煤 田。煤 系 以 中、 下 奥 陶 地 层 为 基 底 ， 沉 积 了 中石 炭 统 本 溪 组 、 上石炭 统太 原组 、 下二迭 统 山西组 、 下石盒 子组 ， 上二迭系上石盒子组 ， 其上覆盖是第三系和第 四系。 3 7 0 2工 作 面 底 板 岩层 主要 为 粉 砂 岩 、 细 砂 岩 ， 威胁 7煤安全开采的主要含水层 为岩浆岩含水层 ， 当岩 层裂 隙发育 ， 结 构 破碎 且 不 含 水 时将 呈 现 比正 常岩层电阻率高的电性特征 ； 若岩浆岩、 裂隙、 构造 破 碎带 中含矿 井水 ， 由于矿 井水 的矿 化度较 高 ， 测量 电阻率值 将 明显 低 于 正 常岩 层 的 电 阻率 ， 呈 现 低 电 阻 率异常 特征 ， 其低 阻 异 常程 度 取 决 于 岩层 中富 水 程度 。 在断 层 发育 区 ， 断 层 破碎 带 与正 常 地层 在 电性 上具有明显差异 ， 当断层破碎带不含水时 ， 将呈现高 电阻率特征， 而当断层破碎带含水时 ， 将呈现出低 电 阻率 特征 。据此 ， 通 过 瞬 变 电磁 测 深法 探 测 煤 层 顶 底板岩层电阻率及其变化 ， 可以判定岩层 的结构状 态 和 富水 性l 3 ] ， 这 是 本 次瞬 变 电磁 法探 测 岩 层 富 水性 的物理 前提 。 2 工作方法 与技 术 矿 井 瞬变 电磁 探测 采 用 的仪 器 为加 拿 大 P R O T E M一 4 7型瞬 变 电磁 仪 ， 该 仪 器 具 有抗 干 扰 、 轻便 、 自动化程度高等特点。数据采集 由微机控制， 自动 记 录和存储 ， 并 与微 机 连 接 可实 现 数 据 回放 。 由于 探测采 用小 线框 ， 点 距 可 以根 据 勘探 任 务 的要 求 而 变化。实际测量时， 采用多匝线框 ， 在巷道侧帮测量 时 ， 线 框平 面可根 据 探 测任 务 的要 求设 计 相 应 探 测 方向。发射线框和接收线框分别 为匝数不等、 且完 全分离的 2个独立线框， 以便 与地下 前方 异常体 产生最佳耦合响应 。若发射线框和接收线框水平放 置于巷道， 则探测巷道正上方顶板或正下方底板有 一 定范围的电阻率分布 ； 若发射线框 和接收线框倾 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 2 2 7 基金项 目 生产项 目“ 内蒙古黄陶勒盖煤炭有 限责任公司巴彦高勒矿井水文地质补充勘探 ” 作者简介 汝亮 1 9 8 1 一 ， 男 汉族 ， 山东泰安人 ， 物探工程师 ， 主要从事物探技术研究． E ma i l r u l i a n g 2 3 1 6 3 ． c o rn 5 4 华 北 地 震 科 学 3 1 卷 E 4 ]占文锋 ， 王强 ， 牛学超． 采空 区矿井瞬变电磁法探测技术[ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 O l O ， 3 8 8 1 1 5 - 1 1 7 ． [ 5 ] 韩德品 ， 赵镨， 李丹． 矿井物探技术应用 现状与发展展望E J ] ． 地球物理学进展 ， 2 0 0 9 ， 2 4 5 1 8 3 9 1 8 4 9 ． E 6 3 姜志海 ， 岳建华， 刘志新． 矿井瞬变电磁 法在老窑水超前探测中的应用 [ J ] ． 工程地球物理学报 ， 2 0 0 7 ， 4 4 2 9 1 - 2 9 4 App l i c a t i o n o f Tr a ns i e nt El e c t r o ma g n e t i c M e t ho d t o Pr e di c t i o n a nd Co n t r o l o f M i ne W a t e r - di s a s t e r RU Li a n g，ZHONG We i j i e ，ZHU Yfi z h e n，S HE N L i f e n g ，Z HOU Mi n g l e i S h a n d o n g P r o v i n c i a l Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Co a l Ge o l o g y Pl a n n i n g a n d Ex p l o r a t i o n，Ta i ’ a n 2 7 1 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e a p p l i c a t i o n e f f e c t o f Tr a n s i e n t El e c t r o ma g n e t i c Me t h o d t o wa t e r d i s a s t e r p r e d i c t i o n a n d c o n t r o l i n mi ne we l l i s i nt r od uc e d t hr o u gh d e t e c t i o n o f wa t e r a bu nd a nc e o f f l o or s t r a t a on 37 0 2 wo r ki n g f a c e i n Sha nd on g pr o v i nc e ． The r e s u l t s i nd i c a t e t h a t 1 t he ma i n t hr e a t t o m i ni n g o n wor ki ng f a c e i s hi g he r wa t e r c o n t e n t o f t h e f l o o r ma gma t i c s t r a t a，t he r e a r e 1 wa t e r y s t r a t a z o ne，4 wa t e r y a r e a s a nd 5 wa t e r y s t r a t a a r e a s wi t h g o od c o n t i nu i t y i n d e t e c t i o n d i r e c t i o n o f 9 0 。 ，4 5 。 ，3 0。t o r a i l wa y l a ne wa y； 2 3 7 0 2 wor ki ng f a c e f l o o r s t r a t a i s d i v i d e d i n t o 3 c l a s s wa t e r r i c h a r e a a n d t h e r a n g e o f d e e p r i c h wa t e r a r e a a r e l a r g e r t h a n t ha t o f t he s ha l l ow r i c h wa t e r a r e a ． The d e t e c t i o n r e s u l t s b a s i c a l l y t a l l i e s wi t h t h e d r i l l i n g ve r i f i c a t i on， whi c h i nd i c a t e t ha t t he Tr a n s i e nt El e c t r o ma g ne t i c M e t h od ha s gr e a t pr a c t i c a l va l u e f o r wa t e r a b un da n c e e x pl o r a t i on i n m i n e r oa dwa y，a nd pr o v i de a r e l i a b l e b a s i s f o r t he pr e d i c t i o n a nd pr e ve nt i on o f mi ne wa t e r d i s a s t e r ． Ke y wo r d st r a n s i e nt e l e c t r o ma g ne t i c me t h o d；m i n e wa t e r d i s a s t e r ；a d v a nc e d d e t e c t i o n 上 接 第 2 1页 一 一 *一”十一” “ ． - ” “ “” Ap pl i c a t i o n o f Fr a c t i o na l Or d e r Hi l b e r t Tr a ns f o r m i n I mpr o v i n g o f Ve r t i c a l Re s o l u t i o n soNG H o ng y o ng ，BI E Li z h e n 1 ．The No． 4 Pr os p e c t i ng Te a m of Sh a nd on g Co a l Ge o l og y Bur e a u，W e i f a n g 2 6 1 20 6，Ch i n a； 2 ．S h a n d o n g P r o v i n c i a l Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Ge o l o g y Pl a n n i n g a n d Ex p l o r a t i o n。Ta i ’ a n 2 7 1 0 2 l。Ch i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r p r o p o s e s a g e n e r a l i z e d Hi l b e r t t r a n s f o r ma t i o n wh i c h i s f r a c t i o n a l o r d e r Hi l b e r t t r a n s f o r ma t i on．I t c a n c o nv e r t t he p ha s e o f a ny a n gl e a n d c a n i m p r o v e t he ve r t i c a l r e s ol ut i o n o f s e i s mi c e x pl o r a t i o n ．I n s e i s mi c e x p l o r a t i o n，t h e p h a s e a x i s i s n o t s u r e r e f l e c t i o n i n t e r f a c e s l o c a t i o n ，b e c a u s e p h a s e a x i s i s o f t e n c omp l e x wa v e s u pe r po s i t i o n b y v e r t i c a l r e s o l ut i on o f t h e e f f e c t s ．W hi c h c a n n ot d e t e r m i ne t he f or ma t i o n o f t h e a p p r o x i ma t e l o c a t i o n i n t h e s e i s mi c p r o f i l e ，l a y e r a n d a c o u s t i c me a s u r e me n t s Cu r v e d o e s n o t c o r r e s p o n d we l 1 ．Fr a c t i o n a l Hi l b e r t t r a n s f o r m p h a s e b y a n y a n g l e ，t o o v e r c o me t h e c o n v e n t i o n a l 9 0。p h a s e s h i f t i s z e r o d e f e c t s p h a s e t o s o l v e t h e p r o b l e m o f t h e p h a s e s h i f t a t a n y a n g l e ．Th e p o l a r i t y o f p h a s e a x i s h a s i nf o r ma t i o n o f l i t ho l o gy，a n d t he a m p l i t ud e o f ph a s e a xi s h a s a s t r a t i gr a phi c c on c e pt ．Thus ，m a ki ng g e o l o g i c a l s t r a t u m c o r r e s p o n d s t o l o g g i n g c u r v e s i n t h e s e i s mi c p r o f i l e ． Ke y wo r d s f r a c t i o n a l Hi l b e r t t r a n s f o r m ；p h a s e ；l a y e r ；f o r wa r d s i mu l a t i o n