矿井瞬变电磁法在老窑水超前探测中的应用.pdf

第 4卷 第 4 期 2 0 0 7年 8月 工程 球物理学 旅 CHI NES E J OURNAL 0F ENGI NEERI NG GE 0PHYS I CS Vo 1 ． 4， No ． 4 Au g．，2 007 文章 编号 1 6 7 2 7 9 4 O 2 O O 7 O 4 一 O 2 9 1 一 O 4 矿井瞬变电磁法在老窑水超前探测中的应用 姜 志海， 岳 建 华， 刘 志新 中国矿业大学 资源与地球科学学 院 ， 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 介绍了矿井瞬变电磁超前探测技术的原理与方法， 在某矿 2 号总回风巷的掘进过程中， 采用该技术 对掘进头前方的老窑积水 区进行 了探测 。探测结果表 明， 矿井瞬变电磁超前探 测技术能准确圈定 老窑水 的位 置 ， 其施 工方便快捷适于实时跟踪探测 ， 但对积水量仅能做定性评价而不能给 出定量解释 ， 视电阻率 断面图上 探测异常区域分布比实 际积水区间要大 ， 且侧帮测点易受到金属锚 网支 护的影 响， 同时 由于采用多 匝小回线 装置形式 ， 发射 电流关断时间过长 ， 存在近距离探测盲 区。 关键 词 矿井瞬变电磁； 老窑水； 超前探测； 掘进头； 多匝小回线 中图分类 号 P 6 3 1 ． 3 2 5 文献标识 码 A 收稿 日期 2 0 0 7 一o 5 1 8 Ap pl i c a t i o n o f M i n e Tr a n s i e nt El e c t r o ma g ne t i c M e t h o d i n Fo r e c a s t i n g Go a f W a t e r J i a n g Z h i h a i ，Yu e J i a n h u a ，L i u Z h i x i n S c h o o l o f R e s o u r c e a n d e a r t h s c i e n c e ，C U MT， J i a n g s u Xu Z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，t h e p r i n c i p l e o f mi n e 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 M TEM i s i n t r o d u c e d ．Th e me t h o d wa s u s e d t o f o r e c a s t t h e g o a f wa t e r i n t h e c o u r s e o f t h e No ． 2 ma i n r e t u r n a i r wa y d r i v e n i n a c o a l mi n e ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p o s i t i o n o f t h e g o a l wa t e r c a n b e f ou nd o ut a c c u r a t e l y a n d r a p i dl y b y M TEM ，t he o pe r a t i o n i s c o nv e n i e n t a nd i t c a n be a pp l i e d t o m a ke t h e r e a l -- t i me p r e di c t i o n c on t i n uo us l y，t h e q ua l i t a t i ve a n a l y s i s of t he wa t e r c a n be ma de ，b ut t h e q u a nt i t a t i v e a na l y s i s c a n no t be ，be c a us e t he a bn or m a l a r e a i s l a r g e r t h a n t h e r e a l r e g i o n f i l l e d wi t h t h e wa t e r i n t h e ma p o f t h e a p p a r e n t r e s i s t i v i t y i s o l i n e ．F u r t he r m o r e，t he da t a of t he s i de wa l l of t he d r i f t i s i nf l u e n c e d e a s i l y by t he b o l t i n g wi t h wi r e me s h a nd t he bl i n d z o ne i n s ho r t d i s t a nc e c a nn ot be a v o i d e d ． Ke y wo r d s mi n e 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；g o a f wa t e r ；p r e d i c t i o n ；d r i v i n g h e a d； s m a l 1 mul t i t u r n l o op 基金项 目国家 自然科学基金 4 0 6 7 4 0 7 4 资助项 目； 高等学校博士学科点专 项科研基金资助课题 2 0 0 5 0 2 9 0 5 0 1 。 作者筒介 姜志海 1 9 7 8 一 ， 男 ， 山东德州人 ， 中国矿业大学资源与地球科学学院地球探测 与信息技术专业博士研究生。 E--ma i l j z h 3 8 8 5 4 3 4 1 2 6 ． c o rn 岳建华 1 9 6 4 一 ， 男 ， 山东济宁人， 博士 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事地球 物理勘探教学与研究工作 。 维普资讯 2 9 2 工 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g G e o p h y s i c s 第 4卷 老窑水一般处在埋藏较浅、 开采年代较久的 煤层 ， 煤层开采的情况难 以掌握 ， 积水量、 积水范 围不清。虽然水量不大 ， 一般不致造成淹井的灾 害； 但水量集 中， 来势迅猛， 一旦揭露 ， 就会以“ 有 压 管道流 ” 的形 式 突然 溃 出 ， 迅 猛异 常 ， 具 有很 大 的冲击力和破坏力 ， 对人身安全的危害极大 。其 防治的基本对策就是坚持“ 有疑必探 ， 先探后掘” 的原则口 q] 。由于积水区的空间位置一般都很 隐 蔽 ， 形状很不规则 ， 深度和层位不一 ， 大小各异， 地 面 电法勘探很 难达 到理想 的探 测效果 。多 匝小 回 线装置形式的矿井瞬变电磁法是近年来发展起来 的一种新的井下物理探测技术 ， 具有施工方便快 捷 、 体积效应小、 分辨率高、 探测距离大、 对含水低 阻体反映灵敏等优点， 在对巷道掘进前方断层、 陷 落柱 、 水文钻孔等构造 的导含水性的超前探测 中 取得 了 良好 的应 用 效 果[ 4 ] 。为此 ， 笔 者 在 山西 某矿老窑水超前预报 中采用 了矿井瞬变电磁法 ， 对该矿 2 号总回风巷掘进头前方一定范围内的老 窑积 水 区进行 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 基本原理 矿井瞬变 电磁法超前探测原理与地面瞬变电 磁测深原理一致， 探测时架设线圈使其法线方向 图1 瞬变电磁超前探测原理示意图 F i g ． 1 S k e t c h ma p o f a d v a n c e d e t e c t i n g o f TEM 对准巷道中所要探测的 目标体 ， 在发射线 圈中通 以阶跃电流， 瞬间关断后 ， 根据美国地球物理学家 M． N． Na b i g h a n的研究[ 7 ] ， 任一时刻发射线圈前 方的涡旋电流在发射位置处产生的磁场可以等效 为一个水平环状线电流的磁场 ， 等效电流环很象 从发射回线中“ 吹” 出来的一系列“ 烟圈” ， 即“ 烟圈 效应” 图 1 。从“ 烟圈效应” 的观点看， 早期瞬变 电磁场是由靠近发射线圈巷道迎头前方介质的感 应 电流产生的， 反映近距离电性分布； 晚期瞬变电 磁场主要是由远离发射线圈巷道迎头前方介质的 感应电流产生 的， 反 映远距 离的电性分 布[ 8 州 。 因此 ， 根据接收到瞬变电磁场随时间的变化规律 ， 可以探测掘进头前方岩层的电性变化 ， 达到超前 探 测 的 目的 。 2 方法技术 受巷道空间所限 ， 矿井瞬变 电磁法一般采用 边长 2 ～3 m 的小回线装置形式 ， 通过增加线圈匝 顶板 ／ ／ 探 测 方 、 发射线框 ＼ 迎头 a 顶 板探 测 顶 板 巷道 ／ 迎 头 一 探 测 力 发 射 线框 90 。 b 顺 层探 测 顶 板 向 迎 头 巷道 ＼ ＼ 人 探测方 ＼ c 底 板 探 测 图2 探测方向示意图 F i g ． 2 S k e t c h ma p o f t h e d e t e c t i n g d i r e c t i o n 数的方法来加大发射磁矩与有效接收面积 ， 进而 增大信噪比， 以满足探测深度要求 。线圈的法线 方 向可视 为探测 方 向 ， 由于采 用 了小 回线装 置 形 式 ， 其 探测 更具 方 向性 。在井 下施工过 程 中 ， 根据 探测任务要求 ， 可以通过调整线圈与巷道底板之 间的角度改变线圈法线 的指向， 来获取巷道掘进 头前方不同水平层位上的地电信息。当线圈以仰 视角度架设时 图 2 一a ， 探测方 向指向顶板 ， 即 顶板探测， 可以超前探测顶板一定深度范围内含 水异常体分布规律 ； 当线圈直立于巷道时 图 2 一 b ， 即顺 层 探 测 ， 可 以超 前 探 测 掘 进 头 正 前 方含 水体的发育位置 ； 当线圈以俯视角度架设时 图 2 维普资讯 第 4 期 姜志海等 矿井瞬变电磁法在老 窑水超前探测 中的应用 2 9 3 一c ， 探 测方 向 指 向底 板 ， 即底 板 探 测 ， 可 以超 前 探测底板一定深度范 围内含水异 常体 的分布规 律 。 测点布置于巷道两帮与掘进头处， 依次对左 帮、 掘进头左前方 、 掘进头正前方、 掘进头右前方、 右帮进行探测， 获取完整的前方空间信息 ， 而后对 采集数 据进行处理 ， 进行视 电阻率转换、 时深转 换 ， 绘制视电阻率等值线剖面图， 最后结合已有地 质资料对异常作出解释。其处理与解释流程如图 3所示 。 数据整理、预处理 l 数据转换与计算 l 视电阻率换算 I 时 深转换 l ／ 绘{ 5 1 图 卜 、 ／ J ＼ l 地 质 资 料 卜 异 常 确 认 H 假 异 常 易 滁 l 地质解释 图3 处理与解释流程 F i g ． 3 F l o w o f t h e p r o c e s s a n d i n t e r p r e t a t i o n 3 应用实例 3 ． 1 概况 山西某矿 2号总 回风巷在掘进过程中， 掘进 图4 采工图 F i g ． 4 S k e t c h ma p o f t h e d r i v i n g 头 1 与掘进头 2还有 1 5 0 m将贯通， 据地质资料 ， 在同一水平上 ， 该 1 5 0 m 长待 掘巷道左侧可 能存 在历史小煤窑遗 留下来的废弃巷道 图 4 ， 其具 体位置与积水性不 明。为排除透水隐患， 保证安 全掘进 ， 需查明掘进头前方是否存在老窑积水。 3 ． 2 探测 方法 使用澳大利亚最新生产的 T e r r a t e m仪器 ， 多 匝重叠小 回线装置形式 ， 线圈边长 2 m， 发射 电流 3 ～4 A， 关断时间约 1 ． 5 ms ， 6 4次叠加 ， 掘进头 1 按图 5 a 所示布置测点 1 1 个 ， 掘进头 2按图 5 b 所示布置测点 1 O个 ， 线圈按图 2 b 所示直立 架设 ， 进行 了顺 层方 向 的探 测 。 a 掘 进 头 1 b 掘进 头2 图5 测点布置示意图 F i g ． 5 S k e t c h ma p o f t h e o b s e r v a t i o n s t a t i o n 3 3探 测结 果 图 6 为两掘进头顺层超前探测视电阻率剖面 图 ， 横坐标为测点号 ， 纵坐标为从掘进头始的超前 探测距离 单位 m 。多匝重叠小 回线装 置形式 发射电流关断时间过长 ， 造成早期数据严重畸变 ， 致使约 2 0 m 的近距离信息无法分辨。由于巷道 为工字钢与金属锚网支护 ， 故图 6 a 中侧帮 1 ～4 号测点与 1 O ～1 1 号测点视电阻率值较低 ， 约 4 ～ 8 Q m。掘进头正前方 未受到工字钢与锚 网影 响， 故视电阻率值较高 ， 约 2 O ～5 O Q m。迎头正 前方 7号测点处 在超前探测距离上 8 O ～1 l O m 范围内， 视 电阻率值降低 ， 出现不均匀变化 ， 表明 该范围内岩层 电性发生变化。该异常与图 6 b 维普资讯 2 9 4 工 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Ge o p h y s i c s 第 4卷 超前探测距离 4 5 ～8 0 m范 围内， 4 ～7号测点 间 l O - - 1 5 f lm 的低 阻异 常相对应 。结合 地质资 料 ， 推测该范围为老窑积水 区。矿方在掘进头 1 继续 向前 掘 进 7 0 m 时顺 煤 层 打钻 ， 终 孔 距 离 4 0 m， 钻孔涌水， 证 明该范围确 为老 窑积水 区， 探 测结果 得到 了较好验证 。 l 1 O l o o l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 l 1 a 掘进 头1 l 1 O l o o l 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 b 掘进 头2 图6 视电阻率等值线剖面图 F i g ． 6 I s o l i n e s o f t h e a p p a r e n t r e s i s t i v i t y 4 结 论 应用结果表明， 矿井瞬变 电磁法可 以用于掘 进头前方老窑积水的超前探测， 能准确 圈定老窑 水的位置 ， 其施工方便快捷适于实时跟踪探测， 但 对积水量仅能做定性评价而不能给出定量解释 ， 视电阻率断面图上探测异常区域分布比实际积水 区间要大 ， 且侧帮测点易受到金属锚网支护的影 响， 同时由于采用多匝小 回线装置形式 ， 发射电流 关断时间过长， 存在近距离探测盲 区。相信随着 该技术的不断发展与完善 ， 必将在煤矿含水构造 体的超前预报中发挥越来越重要的作用。 参 考文 献 [ 1 ]王志平． 山西地方煤 矿常见水患 浅析 [ J ] ． 煤炭技术 ， 2 0 0 3 ， 2 2 1 2 5 4 ～ 5 6 ． E 2 ]章永风． 复 杂地质条 件下 防治 老窑水 害 的综 合分 析 方法[ J ] ． 煤炭技术 ， 2 0 0 0 ， 1 9 5 3 4 3 6 ． E 3 3林道兴． 煤矿水害及 防治方法探讨 [ J ] ． 焦作工学院学 报 ， 2 0 0 0 ， 1 9 2 1 5 7 ～1 5 8 ． [ 4 ]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 ． E 5 ]刘志新 ， 于景村． 矿井 瞬变电磁法在 水文钻孑 L 探 测中 的应用E J ] ， 物探与化探 ， 2 0 0 6 ， 3 0 5 9 ～6 1 ． E 6 ]傅佩河 ， 祝仰 民， 等 ． 断 层富水性 的矿井 瞬变 电磁 法 探测E J ] ， 煤矿开采 ， 2 0 0 6 ， 1 1 2 1 3 1 6 ． E T ]蒋邦远． 实用近区磁 源瞬变电磁法勘探E M] ． 北京 地 质 出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 8 ]岳建华 ， 刘 志新．井 一地 电 阻率 三维 成像 技 术E J ] ． 地球物理学进展 ， 2 0 0 5 2 ． [ 9 ] 王华军 ， 梁庆九．瞬变 电磁数据采集解释软件系统研 制E J ] ．工程地球物理学报， 2 0 0 5 6 ． [ 1 O ]刘瑞德 ， 梅岩辉 ， 黄力军 ．电源性瞬变电磁快速反演 解释方法E J ] ． 工程地球物理学报 ， 2 0 0 5 1 ． [ 1 1 ]薛国强， 李休， 郭文 波 ， 等．从 瞬变 电磁 测深 数据到 平面电磁波场数据的等效转换 E J ] ．地球 物理学报 ， 2 0 0 6 5 ． ∞ 舳 加 ∞ 卯 ∞ 吕、 8 景 I p ∞ 舳 加 ∞ 卯 ∞ 吕、Q 0 曩 口 维普资讯