瞬变电磁超前探测在断层含水性探查中的应用.pdf

2 0 1 1 年第 8 期 中州煤炭 总第 1 8 8 期 瞬变 电磁超前探测在 断层含水性探查 中的应用 梁彦 军 ， 代 军 河南煤业化 工集团 鹤 煤公 司十矿 ， 河南 鹤 壁4 5 8 0 0 8 摘 要 巷道掘进面前方隐伏的导、 含水构造极易造成突水 事故发生， 准确及 时地对其进行预报成 为巷道 安全 掘 进 的关键。利用基于瞬变 电磁场 的“ 烟 圈效应” 理论 的矿 井瞬 变电磁超前探 测技术 ， 采用 多匝小回线装置形 式 ， 对隐伏构造导 、 含水性进行超前探测 ， 效果 良好 。鹤煤十矿 1 5 0 4底板抽放巷掘进 中采用该技 术对 F 断层 导、 含水性进行超前探测， 探测结果表 明， F 。 断层导、 含水 性弱， 为该巷安全掘进 中的防治水工作提供 了指导。 关键 词 矿 井瞬变电磁 法； 超前探测 ； 含水 构造 ； 多匝小回线； 扇面扫描 中图分 类号 P 6 3 1 ． 3 2 5 文献标识码 B 文章编 号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 1 0 8 0 0 5 5 0 2 巷 道 掘进前 方 隐伏 的 导 、 含 水 构 造极 易造 成 矿 井 突水 事 故 的发 生 ， 对 煤 矿 的安 全 生产 构 成 了极 大 的威胁 。采 用接 触式 的钻 探方 法进 行 预报不 仅 成本 高 、 效率低 ， 而且钻进过程中有可能诱发水害 ， 因此 研 究 和应 用非接 触 式 的地球 物 理超 前 探 测 技 术 ， 准 确及时地预报掘进前方隐伏的导 、 含水构造 ， 对于煤 矿 的防 治 水 工 作 与 安 全 生 产 具 有 十 分 重 要 的 意 义 。多匝小 回线 装 置 形 式 的 矿井 瞬变 电磁 法 是 近年来 为 了克服 矿 井 直 流 电法 井 下 施 工 受 限 、 电极 接 地 困难 而 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 、 探测距离大等 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 中应 用效果 较 好 。 鹤 煤公 司十 矿 1 5 0 4底板 抽放 巷 位于 十矿 1 5采 区 回风 上 山的 中 部 ， 总 工 程 量 为 4 6 9 ． 9 m 其 中 ， 施 工 平巷 3 8 0 ． 3 m， 下 山 8 9 ． 6 m ， 拟 与 1 3采 区 1 3 0 9 底板抽放巷贯通 ， 1 5 0 4底板抽放巷布置于二， 煤层 底板岩层 中， 掘进岩层为 c k 灰岩 ， 煤层厚约 7 m。 贯通过程 中， 该抽放巷需穿过 F 断层 ， F ㈣断层 为 平移 正 断层 ， 力学 性质 为 张性兼 压扭 性 ， 断层 产状 为 走 向 7 0 。 、 倾 向 3 4 0 。 ， 倾角 5 0 。 ， 断层 落 差 3 0～ 9 0 m， 其 导 、 含 水 性 不 明 。为 安 全 起 见 ， 掘 进 面 距 断层 约 4 0 m时 ， 采 用 瞬 变 电磁 超 前 探 测 技 术 对 该 断 层 的 导 、 含 水性 进行 了探 测 ， 取得 了较 好 的应用 效果 。 1 基本原理 矿井 瞬变 电磁法 基本 原理 实 质上 与地 面瞬 变 电 收稿 日期 2 0 1 1 0 62 9 作者简 介 梁彦军 1 9 7 O 一 ， 男 ， 河 南汤 阴人 ， 工程 师， 1 9 9 3年毕业 于徐州煤炭工业学校 ， 长期从事安全技术管理工作 ， 现任鹤煤公司十 矿 副总工程师 。 磁法 相 同 ， 但 由于 采用 的是 边 长小 于 3 m 的 多 匝小 线框 ， 因此 与地 面 瞬变 电磁法 相 比具有 测量 设备 轻 、 工作效率高、 成本低等优点。矿井瞬变电磁法一般 采用 2个线圈 ， 1 个作为发射 ， 1个作为接收 ， 发射线 圈平面的法线方向即为探测方向。探测时架设线圈 使其法线方向对准巷道 中所要探测 的 目标体 ， 在发 射线 圈 中通 以阶 跃 电 流 ， 而后 瞬 间关 断 。通 电期 间 大地 中便 建立 了一 次 磁 场 ， 断 电后 在巷 道 围岩 中激 发 了以发 射 线 圈法 线 方 向 为 中 心 的 涡 旋 感 应 电 流 场 。最 初激 发 的感应 电流 场仅 局 限于发 射线 圈周 围 且最强 ， 随着时间的推移 ， 该感应电流场沿着发射线 圈平面的法线方 向向周 围介 质中扩散 ， 其强度逐渐 减 弱 ， 分布 趋于 均匀 。 根 据美 国地 球物 理学 家 M． N ． N a b g h a n的研究 ， 在 均匀 介质 条件 下 ， 感 应 电流呈 环 带分 布 ， 涡 流场极 大值首先位于紧挨发射回线围岩处 ， 随着时间推移 ， 该极大值沿着与线圈平面呈 3 0 。 倾角的锥形斜面向 前 、 向外移动 ， 强度逐渐减弱。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 。在 发 射 电流 刚关 断 时 ， 该环 状线 电流紧接 发射 回线 ， 与 发射 回线具 有相 同的 形 状 。 随着 时 间 推 移 ， 该 电 流环 向 前 、 向外 扩 散 ， 并 逐 渐变形 为 圆 电流 环 。等 效 电流 环 很像 从 发 射 回线 中吹 出来 的 一 系 列 “ 烟 圈 ” ， 因 此 ， 将 涡 旋 电 流沿发射线圈法线方向向外扩散的过程形象地称为 “ 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前方介质的感应 电流产 生的 ， 反映远距离的电性分布。因此， 根据接收到瞬 变电磁场随时间的变化规律 ， 可以探测巷道前方岩 5 5 ． 2 0 1 1 年第 8 期 中州煤炭 总第 1 8 8期 层的电性变化 ， 达到超前探测的目的。 图 1 瞬变电磁超 前探测原理示意 2瞬变 电磁超前探测 2 0 1 0年 1 0月 2 2日， 在鹤 煤 十矿 1 5 0 4底板 抽 放 巷进行 了超前探测。此次勘探使用专业瞬变电磁探 测仪 t e r r a T E m。该仪器具有抗干扰 、 轻便 、 自动化程 度高等特点。数据采集 由微机控制 ， 自动记录和存 储 ， 应用 U S B接 口实现数据 回放 。该仪器是 目前国 际上最为先进 的轻便型 瞬变电磁仪 。重叠 回线 装 置 ， 发射和接收线框采用多匝 2 m2 m矩形 回线 。 采样时窗为 1 3 4 ； 叠加次数 6 4， 时间采用标准时间序 列 。 探测基点为 1 5 0 4底板抽放巷 D C 6导线点前 3 2 m处 ， 巷道底板无轨道和其他金属设施 ， 掘进断面 内 有 2根临时支护锚杆和 1根被卡死的超前钻杆 。探 测 共 布置 了 1 1条扫 描线 图 2 ， 形成 对 掘进 面 左 前 方 、 正 前方 、 右 前方 的探 测 。掘 进 面探 测 时 按 照 图 3 所示进行 3个方 向的探测 ， D。 为水平探测方 向， D 探测方 向与水平方向呈 3 0 。 ， 指向巷道底板 ， D 探测 方 向与水平方 向呈 3 O 。 ， 指向巷道顶板 。 ． ． 3U 、 左 帮 f 右 帮 掘 进 面 图 2扫描示意 图 3探测 方向示意 3 资料解释及验证 勘探异常区的划分标准主要根据视电阻率等值 线断面图上视电阻率值 的相对大小与分布范 围、 含 水体 的赋存特点等进行判 断， 但 同时要考虑到井下 测量现场巷道底板上的轨道、 工字钢、 锚杆支护、 运 输胶带等各种金属设施的干扰， 这些干扰在 瞬变 电 ． 5 6 ． 磁 中也是一种低阻响应 。在进行资料解释时要进行 排 除 和校 正 。 图 4 、 图 5 、 图 6为 D C 6 3 2 m 在 3个 方 向上 的 瞬变电磁超前探测视 电阻率等值线图。顶板方向探 测 视 电阻率 图上视 电阻 率 值 分 布均 匀 ， 无 明显 较 大 跃变区域 ， 视电阻率高于 1 0 nm， 无相对低阻异常表 现 。顺层方向 D C 63 2 m掘进面正前方约 5 0 m， 存 在视电阻率小于 8 Om 的相对低阻异常 ， 主要受探 测 时掘 进 面正前 方 存 在 的锚 杆 与钻 杆 的影 响所 致 。 除此外 ， 顶板方 向、 底板方 向左前方 、 正前方均无相 对 低 阻异 常表 现 ， 据此 推测 D C 63 2 m 掘 进面 左前 方 、 正前方扫描 区域 内不存在较大 富水体。据此说 明 F 断 层导 、 含 水 性 较 弱 ， 1 5 0 4底 板 抽 放 巷 穿 过 该 巷较 为安 全 ， 发生 较 大突水 事 故 的可能性 较 小 。 鑫 鐾 鞴 图 4 顶板方 向探测视 电阻率等值线示意 图 5 顺层 方向探测 视电阻率等值线示意 图 6底板方 向探测视 电阻率等值 线示意 下转 第 5 8页 m∞ 舳 ∞ 如 ∞ ∞ 加 m O Ⅲ ， 角 } 篷椒褰 m ∞ 帅 加 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ m O 2 0 1 1 年第 8 期 中州煤炭 总第 1 8 8 期 该矿区只有 占用采空和占用保有 2种储量利用 类型 ， 相对 比较简单 ， 如果类型多 ， 情况复杂 ， 可以考 虑 用 2个 以上 的 区文件 来解 决 。 2 图层挂接 8大 类 图层挂 接 属性 ， 区块 个 数 和 A c c e s s数 据 表 的记 录数 不 一 致 的 问题 及 解 决 方 法 完 成 “ 资 源 储量利用． w p ” 文件后 ， 区文件 的图元要按 7类挂接 储量利用表的属性。挂接时 ， 会 出现 区文件区块数 比储 量利 用表 记 录数多 的 问题 。这是 因为储量 利用 类型要按采矿许可证及 占用情况区分 ， 同类型的区 块不相邻所致 “ 采空区． w p ” 、 “ 矿体． w p ” 也有 同样 问题 。该 问 题 可 以利 用 基 于 Ma p G I S的 1个 小 插 件 S E C T I O N来解决。操作方法 用“ S E C T I O N” 打开 图件 ， 单击“ 2 ” 辅助工具一不相邻 区合并 ， 选择要合 并 的 区块 ， 单击 右 键 确 定 即 可 完 成 。如 果 手 误合 并 错 误 ， 可用 以下 方 法补 救 单 击 “2 ” 辅助 工具 一不 相 邻 区分解 ， 可以把已合并 的区分解 ， 再重新合并。 3“ 微型 区” 的处理 图件挂接属性 完成后 ， 查错 提示 “ 有未挂接 属 性 的区块 ” 的问题 及 解 决 方法 。此 次 资 源 储 量 利 用 现状 调查 要求 用 旧 的勘 探 报告 和最 近一 次核 实报 告 进 行 叠加 ， 以现 有 的采 矿权 、 采 空 区、 压 覆 区边 界 对 原 勘 探报 告块 段进 行切 割 ， 重新划 分 块段 ， 进 行储 量 对 比， 工作繁琐 、 复杂 ， 划分的块段也 比较多 ， 一个核 查 区， 多的能划分 出几百个储量核查块段 。在利用 Ma p G I S软件制图过程 中， 尤其是拓扑造 区之后 ， 由 于区块繁琐 复杂 ， 常会 生成 一些 肉眼不 能发现 的 “ 微 型 区” 。虽 然拓 扑错 误 检 查 无误 ， 但 是 会 影 响 到 属性挂接。完成属性 挂接后 ， 用 “ 矿产资源利 用现 状调查建库辅助程序． v ． 1 ． 9 ” 查错程序 检查 ， 会 报 错 “ 有 未挂 接属 性 的区块 ” 。 用 区块 属性 删 除 微小 区块 可 以解 决 这 一 问题 。 每个 区块都有 Ma p G I S系统赋予的 固有属性 ， 其 中 I D号是唯一 的， 可利用这一属性删除多余 的区块 。 操作方法 用 “ S E C T I O N” 打开 图件 ， 使要更改 的区 文件 处 于编 辑 状 态 ， 打 开 “ 下 控 制 条 ” 视 窗 ， 根 据 区 的属性 逐条 查看 区块 ， 把 不能看 见 的 、 要 删 除 的小 区 块的 I D号记录下 来。单击“ 1 ” 辅助工具一 筛选功 能一 属 性筛 选一 当 前 区文 件 一 确 定 一 输 人 表 达式 ， 如 I D 3 一 确 定 。此 时 I D 号 为 3的块 就 会 被 选 中， 单击“ 区编辑” 一 “ 删 除区” 就 可 以将这个 区删 除 ， 重复以上步骤删除所有多余 的区。当然还可 以 灵 活运 用表 达式 ， 一 次删 除多个 区。 4 结 语 全 国矿 产 资源 利 用 现 状 调查 ， 用 G I S技 术 反 映 出矿区、 矿业权 、 矿体 、 块段的空间位置关系 ， 为资源 储量动态监督管理打下基础。 目前 ， 矿区资源利用 现状调查在完成储量核查报告 、 核查成果审查后 ， 已 经进人成果 入库阶段 ， 工作量 比较 大， 容 易 出现 问 题 。各省矿区资源利用现状调查项 目已进入成果数 据 库验 收 与汇 总 阶段 ， 以上 3点 可 以解 决 建库 中遇 到的实际问题、 减轻工作量 ， 提高工作效率。 参考 文献 [ 1 ] 王亚 民， 赵捧未． 地理信息系统及其应用 [ M] ． 西安 电子 科技 大学出版社 ， 2 0 0 6 ． 责任 编 辑 粱郁 鑫 上接 第 5 6页 2 0 1 0年 1 2月巷道掘进后 ， 验证断层不导水 ， 只 有少 量滴 淋水 ， 与资料 解 释基本 吻 合 。 4 结论 利用矿井瞬变电磁超前探测技术对 F 断层的 导 、 含水性进行探测 ， 取得 了较好的应用效果 。该法 克服了以往直流 电法井下施 工受 限、 电极接地 困难 等缺点 ， 具有施工方便快捷 、 体积效应小 、 探测距离 长等优点 ， 能够超前预报巷道掘进前方断层 的导、 含 水 性 。 5 8 参考 文 献 [ 1 ] 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 ． [ 2 ] 王齐仁 地 下地质灾害地 球物理探测 研究进展 [ J ] ． 地 球物理 学进展 ， 2 0 0 4 ， 1 9 3 4 9 7 5 0 3 ． [ 3 ] 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 9 - 6 1 ． [ 4 ] 傅佩河 ， 祝仰民 ， 周长根 ， 等． 断层富水性的矿井瞬变 电磁法探 测[ J ] ． 煤矿 开采 ， 2 0 0 6 ， 1 1 2 1 3 1 6 ． [ 5 ] 姜志海． 巷道掘进工作面瞬变 电磁超 前探测 机理与技 术研究 [ D] 徐州 中国矿业大学 ， 2 0 0 8 ． 责任 编辑 梁郁 鑫