矿井瞬变电磁法在含水构造探测中的应用.pdf

2 0 1 6年 3月 第 3 8卷第2期 地 下 水 Gr o u n d w a t e r Ma r ．． 201 6 Vo I ． 3 8 N0．2 矿井 瞬变 电磁法在含水 构造探测 中的应用 杨开珍 中煤科工集团西安研究院有限公司地震勘探研究所 ， 陕西 ， 西安 7 1 0 0 7 7 [ 摘 要] 阐述矿井瞬变电磁法的物性 前提、 方 法理论及基本原理。简单讲述 了引发矿 井水 害的直接 因素。 为排 除此类安全 隐患， 利用矿井瞬变电磁法对掘进巷道进行超前探 测。通过实例研究论证矿井瞬变电磁法对于地质 异常预报工作具有较好的应用效果， 可查明矿 区隐伏地质灾害， 在煤矿生产过程中起到 了关键性的安全指导作用。 [ 关键词】 矿井瞬变电磁法 ； 超前探测 ； 富水性 ； 电性差异 ； 裂隙发育带 [ 中图分类号 ] P 6 3 1 ． 3 [ 文献标识码] A [ 文章编号] 1 0 0 41 1 8 4 2 0 1 6 0 20 l 1 40 2 Appl i c a t i o n o f M i ne Tr a ns i e nt El e c t r o m a g ne t i c M e t h od i n t he De t e c t i o n o f M o i s t ur e YANG Ka iz he n X i ’ a n R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a C o a l T e c h n o l o g yS e i s mi c E x p l o r a t i o n I n s t i t u t e ， Xi ’ a n 7 1 0 0 5 4，C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r s t a t e s t h e 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 i n c l u d i n g p h y s i c a l p r e mi s e ，t h e o r y a n d b a s i c p r i n c i p l e ． I t s i mp l y t e l l s t h e s t o ry o f t h e d i r e c t f a c t o r s l e a d i n g t o mi n e w a t e r d i s a s t e r s ．T o r u l e o u t s u c h s e c u r i t y h i d d e n d a n g e r ，t h e 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 i s u s e d i n r o a d wa y a d v a n c e d d e t e c t i n g ．Ha v i n g f o u n d o u t t h e c o n c e a l e d g e o l o g i c a l d i s a s t e r s i n mi n i n g a r e a ，t h e 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 h a s p l a y e d a k e y r o l e i n t h e p r o c e s s o f c o a l mi n e p r o d u c t i o n s a f e t y f o r g o o d a p p l i c a t i o n s e f f e c t i n a b n o r ma l g e o l o g i c a l f o r e c a s t ． 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； a d v a n c e d d e t e c t i o n； wa t e r c o n t e n t ； t h e d i f f e r e n c e o f e l e c t r i c a l ； f r a c t u r e b e 1 t 随着矿井建设力度的不断增大 ， 在看到 日益增长的经济 效益时， 煤矿开采过程 中会伴随 出现各种各样的地质灾害。 例如 裂隙发育带 、 断层 、 陷落柱、 地下暗河 、 采空区以及小窑 巷道等极易富水的地质构造 ， 这类地质 构造是造成 矿井突发 水害的直接因素。因此 ， 要保证矿井 的安全生产 ， 采用何种 有效手段来查明矿区内隐伏的地质灾害， 是煤矿工作者亟待 解 决 的问题 。 矿井瞬变电磁法超前探测可以解决煤矿掘进巷道前方富 水性构造问题 ， 其克服了井下其它超前探测方法受空间场地 限制 ， 需埋设电极 等缺 陷， 具有探测距离远 ， 方 向性强 ， 精度 高 ， 施工效率高等优点⋯ 。 笔者通过大量的工程实践和地质验证情况认为 井下瞬 变电磁超前探测是解决矿井地质水害 的有效方法之一。现 就结合山西某煤矿利 用瞬变 电磁法在巷道掘进过程 中进行 超前探测应用效果进行探讨论证。 1 瞬变 电磁物性前提 和方法理论 由于煤系地层沉积序列 清晰， 地层相 对稳定， 在正常地 层组合条件下 ， 横 向与纵向上都有 固定的变化规律 ， 而岩 层中富水或出现其它地质构造时， 都会打破原有 的电阻率变 化规律， 与正常区段存在差异 ， 因此， 瞬变电磁技术能根据岩 层电性差异的特点查明工作面顶 、 底板及巷道掘进工作面前 方水平和垂直方向上的的低阻含 导 水构造。 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 co d s ，简 称 T E M E 2 - 4 1 是 一种 建立 在 电磁感 应 原理 基 础 上 的 时 间域 人 工 源电磁探测方法 ， 利用不接地 回线 磁源 或接地线源 电偶 源 向地下发送一次脉冲磁场 一次场 ， 在其激发下 ， 地下地 质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的感 应电磁场 二次场， 该二次场的大小及衰减速度与地下地质体的导 电 性有关 ， 如果岩石裂 隙发育丰 富， 含水量较大 ， 导电性好， 则 二次场衰减慢 ， 反之二次场衰减较快。根据二次场 衰减 曲线 的特征就 可 以判 断地 下地 质体 的 电性 差异 、 规 模 和产 状 等 ～ 。 2 矿井 瞬变 电磁法基本原理 矿井瞬变电磁法的基本原理同地面瞬变电磁法的基本一 致 图 1 。在导电率为 盯、 导磁率 为 盯的巷道迎头铺设面积 为 S的矩形发射 回线 ， 在回线中供以阶跃脉冲电流， 其中 r I t0 t 0 t ≥ 0 在 t 0时 ， 一次 磁场 的这 一剧 烈变化通过介质传至发射线框周 围的围岩中， 并在大围岩 中 激发 出感应电流以维持发射电流断开之前存在 的磁场， 使空 间的磁场不会即刻消失。由于介 质的欧姆损耗 ， 这一感应 电 流将迅速衰减 ， 由它产生的磁场也 随之迅速衰减 ， 这种迅速 [ 收稿 日期] 2 0 1 51 21 3 [ 作者简介] 杨开珍 1 9 8 3一， 男 ， 山西忻州人 ， 工程师 ， 主要从事地球物理勘探方面的技术研究工作。 1l 4 第3 8卷 第 2期 地下水 2 0 1 6年 3月 6 结语 合理利用和保护珍贵的水资源 ， 保护水生态已成为本溪 市刻不容缓的战略任务 ， 建设本溪市城市水资源实时监控与 管理系统非常必要而且迫切。水资源管理信息系统配置 的 建设能够实现水 资源优化配置 、 高效 利用和科学保 护的 目 标， 以适应经济社会发展对水 资源管理 的要求 ， 提高水资源 管理 能力 和水 平 。 参 考文献 [ 1 ] 才庆欣． 南票区水资源状况及开发利用分析[ J ] ． 水利规划与设 计 ． 2 O1 4 0 9 2 72 9 ． [ 2 ] 李晓晖． 城市节水现状以及措施研究[ J ] ． 华东科技． 2 0 1 2 0 5 41 5 41 5． [ 3 ] 韩启民． 阜蒙县水资源状况及开发利用分析[ J ] ． 水利规划与设 计 ． 2 O 1 4 1 0 3 3～3 6． [ 4] 姜 广 田 ， 邓 程林 ．辽宁 省城 市 饮用 水 水 源地 安 全评 价 研 究 [ J ] ． 水 利 技术监 督． 2 0 0 8 0 2 2 4 2 6 ． [ 5 ] 李 振 刚． 城 市水 资源 实时监 控 与管 理 系统 建设 研 究 [ J ] ． 现 代 农 业 ． 2 0 0 7 0 4 ． [ 6 ] 刘冲， 张兴华， 谢楠 ， 等． 抚顺市水资源管理信息系统研 究[ J ] ． 水土 保持 应用技 术． 2 0 1 2 O 4 ． [ 7] 陈瀚 ， 浅 谈 隆 德 县 水 资源 现 状 及 配 置 方 案 [ J ] ． 水 利 建 设 与 管 理． 2 Ol 1 0 6 ． [ 8 ] 鲁 巍 ． 本 溪 市 水 利 普 查 工 作 综 评 [ J ] ． 黑 龙 江水 利 科 技 ． 2 0 1 3 1 1 1 6 51 6 7 ． [ 9 ] 李 晶． 我 国水 生态文 明城 市建设 的政策 构 想 与初 步探 索 [ J ] ． 水 利发 展研究 ． 2 0 1 3 0 6 ． 上接第 1 1 5页 时出现塌孔现象 ， 1 6 m时卡钻无法钻进 。2～5号钻孔孔深 均为 1 3 0 m， 2～ 4号孔在钻进过程中出现不 同程度 的返水 ， 卡钻现象 。5号钻终孔后未见有明显异常现象出现。 在钻探施工 ， 终孑 L 不返水后， 矿方对巷道进行安全掘进 ， 掘进至迎头前方 1 0 l“ f l 处， 巷道顶板开始出现破碎 ， 煤质松软 现象 ， 掘进至 5 0 m后异常现象逐渐消失， 5 01 0 0 m之间未 揭露有明显的地质异常现象。 综合分析 瞬变 电磁法划定的异常范围与钻探验证情况 相互对应 ， 与巷道掘进揭露情 况基本 吻合， 说明瞬变电磁法 在超前探测中具有探测异常范围准 、 精度高的特点。 5 结 语 通过本次应用实例分析 ， 矿井 瞬变 电磁法在探测裂隙发 育带及含水构造 区具有较好 的应用效果。该方法 在井下 巷 道超前探测方面具有施工方便、 操作 简单快捷 、 不受现场狭 小空间限制 、 成本低 、 技术 比较成熟 、 效率高 、 不影 响巷道 的 正常掘进等优点 。为巷道安全掘进起 到了关键性 的指导作 用， 为矿井防治水措施的提前制定提供可靠依据 。 但利用单一手段在煤矿井下进行 防治水工作可能会存在 较大漏洞 ， 矿井瞬变电磁法探测技术为 “ 非接触式” 探查手 段， 成果仅从物性角度对异 常区进行靶 区圈定 ， 而结合钻探 资料对物探成果进行可靠性分析和验证， 是保证矿井巷道安 全掘进的直接性手段。 矿井瞬变 电磁法作为一种较为成熟的探测手段 ， 至今还 存在许多应用弊端 ， 例如 井下环境对该方法 的干扰 ， 煤壁锚 网、 皮带架 、 铁轨对于电磁场干扰有多大， 迎头积水对于探测 成果有无影响， 发射线框距离迎头掌子面距离多少探测效果 最好为完善瞬变电磁技术方法 ， 实现超前探测技术的成熟 应用 ， 仍是我们在今后的工作中急需论证与解决的问题 。 参考文献 [ 1 ] 赵文 曙 ， 刘 军 ， 李永 军 ．瞬 变 电磁 法在 圪堆 煤矿含 导 水构 造超 前探 测 中的应用 [ J ] ．华 北科 技学 院学报 ． 2 0 1 4， 1 1 3 15 ． [ 2 ] 常杰．瞬变电磁法巷道超前探测[ J ] ． 华北科技学院学报． 2 0 l 1 ， 8 3 47 ． [ 3 ] 王扬 州 ， 于景 邮 ， 刘 建 ， 等． 瞬 变 电磁 法 矿 井 超 前探 测 [ J ] ． 工 程 地球 物理 学报 ． 2 0 0 9， 6 1 ， 2 83 2 ． [ 4 ] 刘 志 新 ， 于景村 ， 郭栋 ．矿井 瞬变 电磁 法在 水 文钻 孔探 测 中 的应 用 [ J ] ． 物 探与 化探 ． 2 0 0 6， 3 0 1 ， 5 96 1 ． [ 5 ] 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 ． [ 6 ] 苏俊 辉 ， 刘 朋 ．以岩 石 电性 差 异为 基 础 的瞬 变 电 磁 超前 探 测 技 术 [ J ] ． 中国高 新技术 企业 ． 2 0 1 0， 4 1 3 9 ， 4 4～4 5． 上接 第 1 1 7页 4 管井施工结束， 应立即组织洗井 ， 洗井宜 自上而下进 行， 洗至水清基本不出泥 、 出水正常 ， 井底部不存泥为止 。 5 管井施工结束后 ， 立即安装水泵 ， 并进行调试 ， 保证 可 以正 常运 行 。 6 降水系统安装 完成后 应组织试抽 ， 在试抽过程 中， 应 定时观测抽水流量 ， 工作水压力及水位等， 并做好记录， 检查 抽水量与设计计算值是否相符， 一般试抽阶段 的出水量应大 于设计计算值。根据水位下降的趋势， 分析其降水效果。如 出现与设计有较大出入 ， 应即时调整降水设计方案。 4 结语 1 采用管井与引渗井相结合降水 ， 有效的解 决了含水 层中间夹有隔水层地质条件下的基坑降水问题 。 2 基坑土方开挖后基底 干燥 ， 地下水水位及 单井 出水 1 4 6 量总体稳定 ， 达 到了降水 目的。实践证 明工程布置合理 ， 可 为类似地质条件降水设计提供参考。 参考 文献 [ 1 ] 张廷 会 ， 郑 计划 ． 陕 西煤化 建设 集 团咸 阳基 地办公 楼 岩土 工程 勘 察 报 告 [ R] ． 陕西天 地地 质有 限责任 公司 ． 2 0 1 2． [ 2] 常士骠 ， 张苏 民 ， 等 ． 工程 地质 手册 第 四版 [ M] ． 北京 中 国建 筑工 业 出版社． 2 0 0 7 ． [ 3 ] 杨斌 ， 黄强 ， 杨 志银 ， 等． 建筑基 坑支 护技术 规程 J G J 1 2 0 2 01 2 [ s ] ． 北 京 中 国建筑工 业 出版社 ． 2 O l 2． [ 4 ] 杨军． 管井井点降水施工方案的确定[ J ] ． 江西建材． 2 0 1 4， 6 98 99． [ 5 ] 江 科 ． 建 筑 深 基 坑 降 水方 案 研 究 [ J ] ．山西 建 筑 ． 2 0 1 0， 1 5 1 0 0 1 01 ． [ 6 ] 赵立 ． 临近既 有线框 构桥 工作 坑开 挖 防护 及 降水 方 案设 计 [ J ] ． 铁道 建筑 技术 ． 2 0 1 4， 增 1 7 07 27 6 ．