瞬变电磁探测技术在煤矿防治水的应用.pdf

2020年第1期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-05-30 作者简介 付辉芳 （1985-） ， 男 （汉族） ， 江西抚州人， 助理工程师， 现从事煤矿防治水工作。 瞬变电磁探测技术在煤矿防治水的应用 付辉芳* （山西潞安温庄煤业有限责任公司， 山西 长治 046308） 摘要 复杂的水文地质条件增加了采矿中的安全隐患， 基于矿井瞬变电磁超前探测方法， 对掘进巷 道前方的采空区进行电阻率图分析， 以确定采空区是否存在积水， 并且对巷道掘进过程中的含水区 采取防水措施， 排除临近老采空区巷道在掘进过程中的安全隐患， 对巷道瞬变电磁超前探测和防止 水工程的研究对其他类似条件下探测采空区积水和临近巷道安全掘进具有一定的指导意义。 关键词 采空区积水； 瞬变电测法探测； 防治水工程； 超前探测； 电阻率图分析 中图分类号 TD7 文献标识码 B 文章编号 1004-5716202001-0130-03 目前， 巷道前方是否存在采空区积水、 富含水的构 造或者导水通道等地质数据是采用巷道超前探测获取 的。常用的探测方法分直接和间接探测方法， 直接探 测方法主要有钻探法， 其结果可靠， 但其施工周期长和 工作量大； 间接探测方法主要有直流电法、 瑞雷波法、 矿井瞬变电法、 三点三极超前探测法及矿井地质雷达 探测法等[1-7]， 其中瞬变电磁法不仅施工快速、 体积小， 而且还具有探测方向强、 分辨率高、 对低阻区敏感等优 点， 故此， 本文采用瞬变电磁法对巷道掘进头前方及周 围进行探测， 以确定是否存在含水构造、 采空区积水等 影响安全掘进的水害因素， 利用瞬变电磁法获得地质 数据， 制定矿井水害防治措施， 在巷道掘进过程中， 以 避免发生突水事故， 保障掘进的安全。 1瞬变电磁法探测原理 瞬变电磁法简称TEM， 是利用接地线圈或者不接 地回线， 向地下发射一次脉冲磁场， 激励探测介质中引 起二次电磁场， 利用接地电极或者线圈在一次脉冲磁 场间隙期间对介质中的二次电磁场流场进行观测。工 作时， 第一步是向地下发射一次脉冲磁场， 故此， 对发 射线框通电和突然断电， 致使发射机电流突降到零， 根 据麦克斯韦电磁理论变化的电场会产生磁场， 故此， 就 产生了向地下发射的一次脉冲磁场； 第二步观测介质 中的二次电磁场， 一次脉冲磁场会在地下产生二次感 应涡流场， 二次感应涡流场随着时间在介质中衰减， 由 麦克斯韦电磁理论可知， 二次感应涡流场会在介质中 引起二次电磁场， 此时通过线圈或者接地电极便可观 测到二次磁场随着时间变化的响应数据， 由于低电阻 区会产生较强且衰减慢的二次磁场， 高电阻区则产生 较弱且衰减快的二次磁场， 地质体如导水断层、 富水构 造、 金属矿体等为低电阻区， 而贫水区则为高电阻区， 故此通过对观测二次磁场的响应数据进行分析， 可以 确定巷道前方是否存在富水构造、 采空区积水等影响 安全掘进的因素。 2地质概况 某矿主要开采3号和5号煤层， 煤层厚度为8.8 18.5m， 平均厚度为14.0m， 含有夹矸216层， 平均10 层， 厚2.9m左右， 倾角为 1 3， 平均倾角为 2。3号 和5号煤层在本区域煤层北部分叉， 南部合层。地层东 西走向， 向北倾向， 南高北低的单斜构造。上覆山4号 层掘进揭露一条落差为2.0m的正断层， 回风巷揭露一 条落差4.0m的正断层， 辅运巷和运输巷分别将揭露落 4.0m和2.0m两条正断层。顶底板板岩性见表1， 巷道 顶板和底板无含水层， 其左临8206采空区， 沿回风绕道 前进164m， 进入8206采空区范围。故此， 巷道相邻的 8206采空区积水是主要的水害来源。 老顶 中粗粒砂岩， 局部存在粉砂 岩 直接顶 灰白色、 黄白 色煌斑岩， 深 灰色炭质泥 岩、 泥岩等 直接底 灰褐色， 灰色 高岭岩 老底 灰白色， 白色 粗砂岩、 中砂 岩等 表1顶底板岩性 130 2020年第1期西部探矿工程 3瞬变电磁法探测布置方式 探装置类型采用重叠回线组合装置， 其激发和接 受装置为1.5m边长的正方形线圈， 激发和接受线圈匝 数分别为4匝和40匝。供电电流和脉宽分别为50A和 10ms， 采 样 频 率 为 16μs。 瞬 变 电 磁 法 探 测 采 用 YCS60-F 大功率发射和采用YCS200 矿用瞬变电仪， 沿5204巷布置含有11个物理点的测线， 共布置4条， 通 过激发和接受线圈， 即可获得超前勘探的4条实测剖 面， 剖面如图1和图2所示。 图1瞬变电磁法探测纵剖图 图2瞬变电磁法探测探测横剖图 4结果分析 5204 巷探测视电阻率等值线见图3。 从图3可以看出， 在5204巷掘进头方向存在两处 异常区域， 电阻相对较低， 可能出现采空区积水等水害 的影响。探测结果如图4所示。 5防治水技术 根据探测结果， 巷道前方100m内存在两处相对低 阻异常区域， 可能为富水构造， 现对可能存在的富水构 造采取如下防水措施 （1） 采用直流电法超前再次对掘进巷道进行探测， 以验证瞬变电磁法超前探测结果的准确性， 结合两次 探测结果再次确认水害区域。 （2） 通过对两次探测结果分析， 确定了水害区域和 钻孔位置， 钻孔共布置4个钻孔， 其中2个水平钻孔在 巷道两帮底部， 另2个与巷道端面平行且与水平面成 30夹角的钻孔布置在巷道两帮中部， 钻孔布置位置见 图5， 排放水钻孔技术参数见表2。 在相对低阻异常区域安置排放水钻孔， 排放水时 间为13d， 共排出18760m3的水， 从排放水结果上可以 确定巷道相对低阻异常区域为8206采空区积水， 故此， 采用瞬变电磁法超前探测消除了8206采空区积水对巷 道的水害影响。 6总结 （1） 本文采用矿井瞬变电磁法超前探测方法， 对掘 图35204巷探测视电阻率等值线 131 2020年第1期西部探矿工程 进巷道前方进行电阻率图分析， 圈定了巷道前方两处 相对低阻异常区域， 且探测结果均得到了证实， 说明应 用此方法探测巷道掘进前方的水害区域是有效的， 可 以提供可靠的探测结果。 （2） 采用直流电法对巷道掘进前方进行探测， 其结 果与瞬变电磁法超前探测的结果相互参照对比， 设计 防治水措施， 通过布置4个探放水钻孔， 成功地排除了 采空区积水等水害对巷道安全掘进的影响。 参考文献 [1]马文豪.浅谈瞬变电磁法在巷道掘进中的应用及成果解释 验证[J/OL].当代化工研究,20192105-106[2019-03-03]. [2]刘树新,周广.瞬变电磁法在煤矿导水构造探测中的应用[J]. 煤炭技术,2019258-60. [3]岳鹏,余传涛,刘欣玥.综合物探在煤矿积水采空区勘查中的 应用研究[J].煤炭技术,2019,38169-71. [4]王鹏.基于瞬变电磁法的超浅层采空区探测[J].煤矿安全, 2018,4912135-138. [5]孙喆.基于瞬变电磁法勘探地下富水状况[J].内蒙古煤炭经 济,201823152-154. [6]赵丽平.瞬变电磁法在煤矿防治水工作中的应用[J].矿业装 备,20186102-103. [7]赵建亮,张钊.矿井超前钻孔的瞬变电磁响应研究[J].能源与 节能,2018112-4. 图4探测结果平面示意 图5排水钻孔布置示意图 钻孔编号 1 2 3 4 孔深 （m） 70 50 50 70 角度 （） 0 150 30 0 孔径 （mm） 75 130/75 130/75 75 表 2排放水钻孔技术参数 （上接第129页） 形情况， 通过模拟表明， 分类巷道治理后变形巷道减 小、 巷道的应力分布得到改善。 （4） 治理分类后8105矿区变形围岩得到改善证 明 巷道回采围岩治理分类和技术研究， 能够有效解决 巷道回采支护的难题， 为同条件有效治理巷道回采围 岩提供帮助， 另外也为巷道回采围岩治理分类模式开 拓思路。 参考文献 [1]刘阳.回采巷道围岩稳定性预测模型及其成熟度[J].煤矿安 全,2018,498203-205,209. [2]邵良杉,周玉.改进GSM-RFC模型在回采巷道围岩稳定性分 级的预测[J].辽宁工程技术大学学报自然科学版,2018,37 3449-455. [3]刘祥. 皖北矿区回采巷道稳定性分类及支护智能决策支持 系统研究[D].安徽理工大学,2018. [4]剧锦茂. 近距离煤层回采巷道过上覆采空区及煤柱支护技 术研究[D].太原理工大学,2018. [5]贾飞鹏. 石窑店煤矿回采巷道支护优化研究[D].西安科技大 学,2018. 􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕 132