矿用电磁仪在溶洞地质灾害超前探测中的应用.pdf

煤 炭 科 技 9 2 COAL S CI ENCE TECHNOLOGY MAGAZI NE 2 0 1 0 年第 3 期 No ．3 201 0 文 章编 号 1 0 0 8 3 7 3 1 2 0 1 0 J 0 3 0 0 9 2 0 2 矿用电磁仪在溶洞地质灾害 超前探测中的应用 刘向红 ， 赵 晶z 1 ． 宿州学院 地球科学与工程学院， 安徽 宿州2 3 4 0 0 0 2 ． 皖北煤电集团 任楼煤矿， 安徽 宿州2 3 4 0 0 0 摘要 西南矿 区地质构造条件复杂， 增加 了矿井掘进的难度 。特别是贵州 区域范 围内的一 些矿 区， 井田地处 贵州高原 西北部 ， 系黔西北高原过渡带 ， 属高原岩溶 丘陵地貌 ， 巷 道在夜 郎组灰岩 中掘进 ， 受溶洞 、 裂 隙等地质灾害 的影响严 重。 国内首 台矿用 瞬变电磁 仪 Y C S 4 0 A ， 接发一体 ， 方便 快捷 ， 稳定性好， 采样 窗 口满足坑道工程 需求。 通过对永贵能源公 司几 口 矿井的正确 超前预报 ， 说 明 了 Y C S 4 0 A 型 瞬变电磁仪在 复杂地质条件下对溶 洞的探 测效 果 。 关键词 瞬变电磁法； 溶洞； 超前预报 中图分类号 1 7 4 0 7 ． 2 1 文献标志码 B 影响矿井回采及巷道掘进安全的地质因素主要 是构造破碎带 、 裂隙发育区、 岩溶 、 陷落柱等富水区 f 体 对巷道的安全掘进与生产构成严重威胁 ， 也是煤 矿发生重大突水事故的主要原因。要做到提前预报 和及时防治 ， 关键在于有效的超前预测。多年来 ， 这 一 问题一直 困扰着煤矿的基层技术人 员和施工人 员。 随着计算机水平与科学技术的不断提高和发展 ， 对这一问题的解决也陆续有了不少科学手段 ，主要 包括地质分析法 、 水平钻探法 、 物探测 试方法三大 类 ⋯。地质分析法虽然成本低廉 ， 但精度不够 ， 在关 乎安全事故的掘进过程中不能单独使用。水平钻探 法进行超前探测 ， 设备笨重 ， 工期长， 效率低 ， 虽然准 确率高 ， 但可能造成人为的突水通道 ， 形成新的不安 全因素 ， 带来次生危害。 物探测试法是近几年发展较 迅速且切实可行的方法。 目前 ， 使用较多的为电、 磁 法 ， 其 中瞬变电磁法投入小、 移动方便 、 体积效应小、 效率高， 因此被广泛使用 。 西南矿区在巷道掘进过程中，经常遭受灰岩溶 洞的影响。 本文选取贵州某煤矿作为实例 ， 进一步研 究了国内首款本安型瞬变电磁仪在矿井掘进巷道中 的应用情况。 1 矿用瞬变 电磁仪--Y CS 4 0 A 矿用瞬变 电磁仪 Y C S 4 0 A 是 由福 州华虹智 能 科技开发公司与安徽理工大学共同研制 ，应用时间 域瞬变 电磁的基本原理 ，结合对矿井全空间爆炸的 特殊环境探测的专有技术 ，以及相应的信号处理方 法形成的一套探测系统。 该系统中文操作界面， 智能 化高精度 ， 探测施工简单 ， 采样算法优化 ， 双极性 同 步采样 ， 本安防爆且便携。 利用瞬变电磁法定向性好的优点 ，可用于工作 面煤层顶底板赋水异常体超前探测 ， 巷道前方、 侧帮 及工作面内含水构造和异常赋水区的探测 。 2 瞬变电磁法探测溶洞的可能性 地球物理勘探的前提是岩性的物理差异 ，瞬变 电磁勘探也不例外 ，其方法的应用是 以岩性的电性 参数差异为基础的，并且差异越明显探测的效果越 好。 灰岩内部发育的溶洞或溶蚀带 通道 ， 其内部常 以水 、 黏土填充物为主， 黏土的介电常数等指标与灰 岩差异较大 ， 即物性差异较大， 符合瞬变 电磁法的应 用前提。 3 具体工程应用效果 新 田煤矿 目前为初建期间， 开建巷道为主井 、 副 井 、 回风井 ， 所有巷道都是在夜郎组灰岩中掘进 ， 受 到区域 内大的构造 的影响 ， 该段 内溶洞 、 裂 隙、 断层 比较发育 ，给 目前的巷道掘进带来 了很大的安全隐 2 0 1 0 年第 3期 刘向红等 矿用电磁仪在溶洞地质灾害超前探测中的应用 9 3 患。基于此 ， 特运用 T E M法超前进行 了地质预测预 报。 3 ． 1 现场 测线布置 与数据 采集 根据多匝小回线发射电磁场 的方 向性 ，可认为 线框平面的法线方向即为瞬变电磁探测方向【 2 ] 。因 此 ， 将发射 、 接收线框平面分别对准煤层顶板 、 底板 或平行煤层进行探测 ， 便可反映煤层顶 、 底板岩层或 平行煤层内部的地质异常。根据这个原理结合本次 的探测 目的，对底板探测时可将重叠 回线装置平行 于巷道底板 ， 使线框平面的法线与底板垂直 ； 对顶板 进行探测时可沿煤层将线框 与底板倾斜一定 的角 度 ， 确保线框平面的法线指向巷道顶板。 根据探测的 目的及上述探测方向规定的原则 ，本次工程实际探 测 中对 3条巷道 的工作 面 以 0 ． 3 m 的点距布设 测 点 ， 采集的数据工程量如表 1 所列 。 表 1 数 据工作量 3 ． 2探测 结果分析 图 1 为主斜井沿巷道 中心轴线方向前方 1 0 0 m 范围内视电阻率的等值线分布。将视电阻率小于 1 的值认为异常。 图中共有两处 ， 分别位于工作面右侧 及工作面前方 6 5～1 0 0 m处 。工作面右侧的数据现 场记录解释为钻孔结果所致 ，而另一处的电阻率异 常可推测为溶洞所致。 限于篇幅 ， 本文只选取迎头的 探测结果显示 。 另外 ， 由于 回风巷斜井 、 主斜井 、 副斜井近似于 在 同一剖面上 ，回风巷较主斜井有 2 0 m的高差 ， 主 斜井较副斜井有将近 2 0 m的高差 ， 因此可将 3个迎 头探测的数据进行电阻率空间联合反演 。以主斜井 的中心轴线方向为 x轴 ， 主斜井的停头位置为坐标 原点 ， 建立坐标系 ， 将 3 条巷道 的探测结果进行空间 联合反演。可以揭示 3条巷道整个范围内电性的分 布情况。 依据上述分析方法 ，综合现场资料与探测结果 可知 主副斜井前方 0～1 5 I n范围内出现低阻异常 ， 因迎头前方已经揭露的破碎带内淋水严重 ，推断为 岩溶裂隙发育地段含水 ；回风斜井迎头前方 0～2 0 m为相对低阻异常区 ， 推断为裂隙较发育 ， 岩层较破 碎 ； 在主 、 副 、 回风斜井前方 6 5～1 0 0 m范围内均 出 现了低阻异常区 ， 推断为裂隙构造发育地段 ， 富水性 可能性较大。 1 o o- 9 5- 9 0 -8 5 - 8 0 - 7 5- 70- 6 5 - 6 0 - 55 - 5 0- 4 5- 4 0 - 3 5 - 3 0- 2 5 -2 0 1 5 一l O 1 0 l l 5 1 2 o I 2 5F - l 0 3 O 3 5 l 一1 O 0 9 59 0 8 5 8 0 7 5-7 0 6 5 6 0 5 5 - 5 0- 4 5 4 0 3 5 3 02 5 2 0 -1 5 1 0 图 1 主斜井迎头前方视电阻率等值 线分布 4结论 盖 瞬 变 电 磁-新 技,2005术 在． 隧 道 超 前 地 质 预 报 帕 应 用 研 究 由于该矿为在建矿井 ，探测结果很快便得到验 证 ， 在主斜井沿巷道中心轴线上 6 5 1T I 处开始遇见溶 洞 ， 溶洞 中为黄泥填充 ， 发 育半 径约 5 0 0 mm左右 。 由于提前进行了防护 ， 对掘进工程没有产生危害 ， 为 安全、 高效的掘进提供了地质保证 。 该工程实例同时 也证 明了用 YC S 4 0 A 瞬变电磁仪超前探测溶洞 的 可行性 。 参考 文献 【 2 】 于景邮 ．矿井 瞬变电磁理论 与应 用技术研 究． 【 D 】 徐 州 中国矿业 大学． 1 9 9 9 ． 作者简介 刘向红 1 9 8 3 一 ， 男 ， 河 南项城 人 ， 2 0 0 9年 毕 业于 安徽 理工 大学地质工 程专 业； 硕 士， 宿 州学 院地 球科 学 与工程学院助教 ， 从事地球探测 与信息技 术方面 的教 学和研 究工作。 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 2 6