用瞬变电磁法超前探测某煤矿工作面水害.pdf

S e r i a l N o ． 5 8 1 现代矿业 M0DERN MI NI NG 总 第 5 8 1 期 2 0 1 7 年 9月第 9期 用瞬变 电磁法超前探测某煤矿工作面水害 张 强 侯 懿 张宏伟 河南省煤 田地质局物探测量队 摘要在矿井施工中水害是一种常见灾害， 若治理不 当极 易引发工作面突水或透水事故， 不 仅会对_ 7 - 作面正常生产造成影响， 同时还会造成人 员伤亡和财产损失。瞬变电磁法具有效率高、 反 应灵敏 、 分辨能力强等优点， 故采用该方法对某煤矿工作面水害进 了行超前探测。根据异常区域所 在 断层的地质特征 ， 将其划分为较强富水异常区域 ， 经钻探验证 ， 该区域存在 大量 出水现象， 可见采 用瞬变电磁 法对工作 面水害进行超前探测可靠性较强。 关键词 煤矿瞬变电磁法水害探测 矿井瞬变电磁法是一种常用 的矿井勘查技术 ， 可超前探测 出矿井各种形态的含水结构构造 ， 具有 分辨率高 、 方向性强 、 体积效应低 、 对 低阻区敏感等 优点 ， 不仅可准确 、 高效地 获得 巷道前方 的赋水信 息 ， 而且有助于减少巷道掘进耗 时、 降低施工成本 、 提升煤矿生产效率 ， 在煤 矿水害治理 中具有较高 的 应用价值 。 。 某煤矿运输巷工作面表面被黄土覆盖 ， 工作面 结构简单 ， 属于单斜构造 区， 走 向 N W， 倾 向 N E， 倾 斜角为 6 。 。工作 面煤层顶板含水 层为 K 灰岩 ， 上 部覆盖有 K 、 K 灰岩 ， 含水量大 ， 主要为精储量 ， 下 伏含水层为奥陶系石灰岩含水层 ， 含水量丰富， 突水 系数低于 0 ． 6 MP a ／ m， 不会对工作 面正常掘进造成 影响。采空 区为有水采空区， 分布于切眼位置 ， 可能 会出现采空 区积水 现象 。为此， 本研究采用瞬变 电 磁法探查该矿工作面左右帮 1 0 0 m范围内以及工作 面前方采空区积水情况 ， 确定异常范围， 对其富水性 进行判断 ， 并进行钻探验证。 1 矿井瞬变 电磁法探测施 工 由于受巷道空间限制 ， 因而使用多匝小 回线装 置 ， 线 圈边长控制在 2～3 m_ 6 J 。在水 害超前探测 过程 中， 为满足探测深度 的基本要求 ， 可通过增加线 圈匝数来提高发射磁矩及有效接收面积。探测方向 即为线圈法线方 向。在井下施工时 ， 通过调整底板 之间的角度以及巷道顶与线圈的角度来对线圈法线 指示方 向进行调 整 ， 从 而获得各方 向的地 电信息 。 在进行实际探测时， 需根据要求对测量点距进行确 张强 1 9 8 O 一 ， 男 ， 工程师 ， 4 5 0 0 0 0河南省郑州市。 21 6 定 ， 对于出现异常的区域可按照设计要求适 当加大 探测密度。使用多匝线框实施探测 时， 接 收线框和 发射线框的匝数不等， 探测时首先将线框与 目的岩 方 向对准 ， 然后结合巷道具体情况 以及探测任务要 求 ， 实时调整线框 匝数和大小 ， 将线框和瞬变电磁仪 连接 ， 实现数据 自动收集和保存 。 一 般情况下 ， 在进行探测 时将测点间距保持在 0 ． 5 m。在实际探测过程中多使用多匝线框， 以便探 测到巷道 中工作面顶板岩层内的富水区域。为确保 线框可与地下异常体产生 良好 的耦合响应 ， 接收线 框和发射线框使用两个完全独立分隔 的线框 ， 并且 两个线框 的匝数不相同。分别在巷道迎头位置布置 测线 ， 一共布置了4个测点。 2工作面水害超前探测 2 ． 1 探测方式 瞬变电磁探测仪一般具有轻便 、 抗干扰 、 自动化 程度高等优点 ， 使用微机控制数据采集、 存储和记录 全过程 ， 使用 U S B接 口实现数据的回放 ， 使用多匝 2 m 2 m矩形 回线作为发射和接收线框 ， 采样时窗为 1 ～ 3 4 ， 叠加次数为 6 4 ， 时间使用标准时间序列。结合 该矿工作面地质特征 ， 将测点间距控制在 1 0 m左右， 对断层位置进行加密 ， 测点间距控制在 5 m左右。 本研究从两个方 向对运输巷测点进行探测 ， 如 图 1所示 ， 探测方向 1与底板成 6 5 。 夹角 ， 重点对工 作面内斜侧上方顶 板岩层 的电性变化情况进 行探 测 ， 探测方向 2与底板成 2 5 。 夹角 ， 重点对工作面 内 斜 向下方底板岩层的电性变化情况进行探测 ； 材料 巷测点也分 2个方向进行探测 ， 探测方向 3与底板 成 5 5 。 夹角 ， 重点对 工作面 中斜侧上方顶板岩层 的 张 强 侯懿等 用瞬变电磁 法超前探测某煤矿工作面水害 2 0 1 7年 9月第 9期 电性变化情况进 行探测 ， 探测 力 ‘ 向 4与底板成 3 5 。 央角 ， 重点对_ T 二 作面中斜侧下方底板岩层的电性 变 化情况进行探测 。 图 1 运输巷和材料巷瞬变 电磁 法探 测示意 2 ． 2 探 测数 据处 理 瞬变电磁法 的观测数 据 为各观 测点 时 7 骞 f 测 道 的瞬时感 应 电压 ， 可利厢晚期场公式换算 成视 深度 、 视电阻率等参数 。视电阻牢计算公式为 1 r m‘q] 1 l， 3 P 一 4 r r t ’l J， 式 中， P 为视电阻率 ， Q I l l ； t 为时窗时问 ， m s ； 。为 真空磁导率 ； 为发射磁矩 ， AI1 1 ； q为接收线幽的 有效面积 ， 1 1 1 ； V为感应电 ， V 2 ． 3 探 测分 析 该煤矿运输 巷工作面Ⅸ域 围岩主要为泥岩 。 煤 矿地层导电性 手要受煤系地层富水性 的影响 、当岩 石裂隙发育且含水较多时 ， 电阻率会降低。当岩 裂隙发育且不含水时 ， 电阻率会显著增大 ， 由此可知 煤矿底板 、 顶板岩层裂隙发 育， ／ f 含水岩层与含水岩 层 的电性 差异较大。该 工作面 m于地质条件 较复 杂， 构造较 发育， 结 合 [作 面地质情况 ， 在断层歼火 区域岩 裂隙较发育 ， 会成为寓水异常区域 ， 为进一 步确定各异常区域 的富水性 ， 需综 合考虑各 域的 视电阻率最小值 、 异常范同人小 、 水文地质情况 、 地 质构造特征等。因此 ， 本研究将视电阻率较低 、 异常 范 围一般但发育断层构造带 的边缘异常确定为较强 富水区， 将视电阻率非常低 、 异常范围较大且发育断 层构造带的异常确定为强富水区， 将视电阻值较低 、 异常范围较小且无构造异常的区域确定为相对弱富 水区， 将介于弱富水 区和强富水 区之间的异 常 域 确定为一般富水区。 本研究将 2 Q m作为} 见电阻率划分的基本标 准。由图 2可知 ， 在距工作面右侧侧 帮 2 5～5 0 I l l 、 距迎头前方 5 0～ 7 5 m范 围内的视电阻率处 于下 降 趋势 ， 在距迎头 4 5 I l l 、 距工作面左侧侧帮 3 0～ 5 5 1I 1 范围内的视电阻率呈下降趋势 ， 表明该范 围内岩层 电性出现了变化。 根据该异常 区域所在断层 的地质特征 ， 将其划 分为较强富水异常 区域 。 经过钻探验证 ， 富水异常 一 5545352 5～I 5 5 5 1 5 25 35 45 55 饺向探洲椿J监／ m 图 2 超前探测视 电阻率断面 单位 n m 区域有大 { 水现象， 共排水9 0 0 0 m 。 表 1 钻探设计参数 2 ． 4 注意事项 1 瞬变电磁受铁轨的影 响 在对巷道采用偶 极方式进仃探测时， 接收框 和发射框一般处于距铁 轨较近的 一 侧 ， 易对探测造成较大影响 ， 因此在进行 _ 『 二 作面水 探测时 ， 需将接收框和发射框尽 叮能远 离铁 轨 置 、 2 瞬变电磁受金 属管路的影 响。为满 足蚪下 排水的 本要求 ， 一般 主要使H j 侧挂方式将管路 布 设于巷道帮壁 ， 如此 会对探测结 果产生较 大影响。 在进行测域时 ， 线框和管路距离较近 ， 对探测产生的 影响主要表现在浅部 。经分析发现 ， 对瞬变电磁法 超前探测产牛影响的主要行铁轨 、 运输皮带支架 、 锚 网支护等金属没施， 该类设施在探测过程中会产生 较强的瞬变电磁响应 ， 会导敛测 得到的电阻率与 真实值误差较大。由于该类『 太J素的影响在测线方向 卜表现得较均一 ， 冈此可将其视作一种异常背景米 校正。住实际测量过 程中， 直尽可能避开巷道 中的 电机 、 变 器、 密集钢梁等金属没备， 并及时记 录相 关探测数据 ， 以便在进行探测数据解译时对该类影 响进行排除和校正 。 3 结 语 以某煤矿运输巷工竹 而为例， 对其水害采用瞬 变电磁法进行 r 超前探测 ， 并划分了较强富 水异常 区域 ， 钻探验证结果基7 卜 吻合 ， 表明利用该方法进 行工作面水害超前探测效果较好。 参考文献 【 1 J 中国煤 炭工 业 劳动保 护科 学技 术 学 会． 矿 井 水害 防治技 术 f M 】 ． 北京 煤炭工业出 版社， 2 0 0 7 下转第 2 2 0页 21 7 一 棼 锄～ ＼ ＼ 总第 5 8 1 期 现代矿业 2 0 1 7年 9月第9期 m m， 垂直度为 2 。 ， 钢架立柱埋人底板深度应符合 设计要求 ， 且不得置于浮渣上， 钢架与壁面之间须楔 紧 ， 相邻钢架之 间应连接牢靠。 u型钢架架设完毕后 ， 喷射混凝 土之前首先用 高压风 、 水清洗岩面上 的钻孔粉尘 和岩体节理 中的 断层泥 ， 埋设控制喷厚标志； 然后选取合理的混凝土 配合比， 采用转子式混凝土喷射机对巷道进行干式 喷射， 喷射顺序应先喷射钢架与壁面之间的混凝土， 后喷射钢架之间的混凝土 ， 钢架与壁面的间隙须喷 射混凝土进行充填密实。l 穿脉巷道联合支护断面 与剖面如图5所示。 亘 f a 联合支护断面 _ 缩 形钢 、 鱼 顶锚杆 l 一 帮 锚 杆 皇 一 霸唧嘲嘲圈l 舞 托板 ／ f 图 5 1 穿脉巷 道联 合支护方案 和睦山后观音 山矿段 一 3 0 0 m水平 1 穿脉巷道 应用锚网喷 u型钢支架联合支护方案后 ， 对该支 护巷道进行了为期 6 0 d的巷道位移监测。结果 图 6 表明 1 穿脉巷道顶板 与两帮位移得到了有效控 制 ， 最大位移量分别为 1 6 5 ， 1 2 0 mm， 混凝土与 u型 钢支架无明显变形 ， 表 明锚网喷 u型钢支架联合 支护方案可有效控制 1 穿脉软岩巷道 围岩变形 。 l 8 0 1 6 0 口 1 4 0 1 2 0 1 0 0 8O 鉴 6 。0 2 0 0 l 0 2 O 3 0 4 0 5 0 6 0 监测时间， d 图6 l 穿脉巷道顶板与两帮位移变化 一顶板 ； ▲ 一 两帮 4 结语 针对和睦山铁 矿后观音 山矿段 1 穿脉高应力 软岩巷道变形严重 的问题 ， 采用锚 网喷 u型钢支 架联合支护方案进行治理 ， 设计 了合理 的顶 、 底板 f b 联合支护剖面 锚杆支护参数。F L A C 。 数值模拟分析及工程应用 均表明， 该方案可有效控制围岩变形， 成效显著， 可 供类似矿山参考 。 参考文献 钱鸣 高， 石平五． 矿 山压 力与岩层控 制[ M] ． 徐 州 中国矿业 大 学出版社 ， 2 0 0 3 ． 何满潮 ， 钱七虎． 深部岩 体力 学基 础 [ M] ． 北京 科 学出版社 ， 2 01 0． 谭云 亮， 宁建 国． 深部巷道圃岩破 坏及控制【 M] ． 北京 煤炭 工 业 出版 社 ． 2 01 0． 方新秋 ， 何杰 ， 何加 省． 深部 高应力软 岩动压巷 道加 固技 术 研 究[ J ] ． 岩土工程 ， 2 0 0 9， 3 0 6 1 6 9 3 ． 1 6 9 8 ． 蔡 美峰 ， 何满潮 ， 刘 东艳 ． 岩石 力学与 工程[ M] ． 北京 科学 出 版 社 ． 2 0 0 6 ． 杨峰． 高应力巷道变形破 坏特征及 让压支护机理研 究 [ D] ． 徐 州 中国矿业 大学 ， 2 0 0 9 ． 郑颖人． 地下工程锚 喷支护技 术指 南[ M] ． 北京 中国铁 道 出 版 社 ． 1 98 8． 郜进 海， 镐振 ， 吕兆恒． 构造应 力 区巷道 变形破 坏特征 及控 制技术研 究[ J ] ． 河 南理 工 大学 学报 自然科 学版 ， 2 0 1 2 ， 3 1 4 4 0 9 _ 4 1 4 ． 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 8 - 0 8 上接第 2 1 7页 [ 2 ] 周连春 ， 赵启峰． 煤矿安全规程专 家释 义[ M] ． 徐 州 中国矿业 大学出版社 ． 2 0 1 6 ． [ 3 ] 虎 维岳． 矿 山水害防治理论 与方法 [ M] ． 北京 煤炭 工业 出版 社 ． 2 0 0 5． [ 4 ] 郭纯， 刘 白宙， 白登海． 地 下全空 间瞬 变电磁 技 术在煤矿 巷 遣掘进头的连续跟踪超前探测[ J 1 ． 地震地质， 2 0 0 6 3 4 5 6 46 2． [ 5 ] 方文藻， 李予国， 李貅． 瞬变 电磁 测探 法原理 [ M] ． 西安 西 北工业大学出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 6 ] 李 貅． 瞬变 电磁 法在煤 田矿井 涌水通 道勘 察 中的应 用[ J ] ． 西安 工程 学院报 ， 2 0 0 0 ， 2 2 3 3 5 -3 8 ． 2 2 0 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] 李 貅． 瞬变电磁 测深的理论 与应 用[ M] ． 西安 陕 西科学技 术出版社 ． 2 0 0 2 ． 于景 郝． 矿井瞬 变电磁法勘探 [ M] ． 徐 州 中国矿 业 大学 出版 社 ． 2 0 0 7． 管洪， 刘超 ， 姜佩 文． 工作 面迎头瞬 变电磁 法探 测及探 放 水设计[ J ] ． 现代矿 业， 2 0 1 5 6 9 5 - 9 7 ． 张卫军． 用瞬 变 电磁 法探 测麦垛 山煤 矿疑似 封 闭不 良钻孔 [ J ] ． 现代 矿业， 2 0 1 6 1 2 1 4 2 1 4 3 ． 刘树才 ， 岳建华 ， 刘志 新． 煤矿 水文物探技 术与 应用 [ M] ． 徐 州 中国矿业大学 出版社 ， 2 0 0 5 ． 收稿 日期 2 0 1 7 -03 - 2 2 、{ j 1J 1 J