瞬变电磁法在煤矿井下探水中的应用.pdf

技 术 研 发 T E C HNo L oGY AN D MA RKE T 瞬变电磁法在煤矿井下探水 中的应用 孙二峰， 郭峰伟 河 南省煤 田地 质局 物探 测量 队， 河南 郑 州4 5 0 0 0 9 摘要 介绍 了井下瞬变电磁技术的探测原理、 特点和施 工方法， 总结得 出瞬 变电磁 法在探测煤矿掘进 头前 方的富水位置 方 面是非常有效的， 为煤矿的安全生产提供 了重要的依据 。 关键 词 瞬 变 电磁 ； 煤矿 ； 超 前探 测 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 6 ． i s s n ． 1 0 0 6 8 5 5 4 ． 2 0 1 1 ． 0 9 ． 1 1 8 0引言 水害是影响矿井安全生产的五大灾害之一。在矿井开采过 程中， 查明采掘工作面前方及顶板富水异常区位置是煤矿安全生 产亟待解决的水害问题。矿井瞬变电磁法是近几年来发展起来 的在煤矿井下巷道内探查其周围空间不同位置、不同形态含水 构造的矿井物探方法之一， 瞬变电磁法存在着很多其他物探方法 所不能比拟的优点， 凭借其近距离观测、 体积效应小、 方向性强、 分辨率高、 对低阻区敏感、 施工快速的优点， 可以有效地探测巷道 周围l O O m 范围内的老空水， 已成为煤矿水害探测的最佳选择 。 笔 者从2 0 0 7 年开始在煤矿井下进行 瞬变 电磁法探水工作 ，近五年 来已经在河南 、 山西等地的多个煤矿井下进行 了瞬变电磁探测 ， 经过井下打钻和掘进过程 中的揭露情况 的验证 ，探测结果和验 证情况吻合度高 ， 取得了良好的效果， 为煤矿的安全生产提供了 重要参考依据。 1 瞬变 电磁 法 原 理 瞬变电磁法或称时间域电磁法 T i m e d o m a i n E l e c t r o m a g n e t i c M e t h o d s ， 简称T E M， 它是利用不接地回线或接地线源向地下发 射一次脉冲电磁场 ， 在一次脉 冲电磁场 间歇期间 ， 利用不接地线 圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其在井下的基本工作方 法是 于井下巷道设置通以一定波形电流的发射线圈， 从而在其 周围空间产生一次磁场， 并在地下导电岩矿体中产生感应电流。 断电后， 感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为 早、 中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分 ， 衰减 快， 趋肤深度小； 而晚期成分则相当于频率域中的低频成分， 衰 减慢 ， 趋肤深度大。通过测量断 电后各个时间段的二次场随时间 变化规律， 可得到不同深度的地电特征。 2地 球 物理 特 征 从电性上分析不同地层的电性分布规律为煤层电阻率值 相对较高， 砂岩次之， 粘土岩类最低。由于煤系地层的沉积序列比 较清 晰， 在原生 地层状态下， 其导电性特征在纵 向上 固定变化规 律， 而在横 向上相对 比较均一。当存在构造破碎带时， 如果构造不 含水， 则其导电性较差， 局部电阻率值增高； 如果构造含水， 由于其 导电性好， 相当于存在局部低电阻率值地质体。综上所述， 当断 层、 裂隙和陷落柱等地质构造发育时， 无论其含水与否， 都将打破 地层电性在纵向和横向上的变化规律。这种变化规律的存在， 为 以岩石导电性差异为物理基础的矿井瞬变电磁法探测提供了良 好的地质条件。 3典型 实 例 在井下瞬变电磁探测中使用的仪器为澳大利亚产T e r r a T E M 瞬变电磁仪。在井下的探测中采用的参数为 回线装置采用多匝 2 I T I 2 n l 矩形重叠回线装置， 发射线框4 o 匝， 接收线框6 0 匝， 发射 电流2～3 A ， 采样 时窗为1 ～3 4 ， 叠加次数2 5 6 次， 采样时间序列采 用标准时间序列。 山西某矿一个工作面的机巷掘进过程中揭露一个陷落柱， 在该矿I临近工作面揭露的一个陷落柱有出水的情况。为了保证 巷道的安全掘进， 在掘进头位置进行了瞬变电磁法超前探测。探 测结果显示在掘进头前方3 0 5 0 I n 范围内有一个相对的低阻异 常区 见图1 ， 视电阻率值变化幅度较小， 推断为一个弱的富水 异常。后经过矿方的打钻验证和巷道掘进过程中的揭露， 此陷落 柱边界位于前方3 0m 处 ， 在3 0m 处出现有淋水的情况， 出水量为 1 m 3 ／ h 。与探测的结果 比较吻合 ， 说 明瞬变 电磁法在超前探测中 对低阻体是 比较敏感的。 图1 为机巷掘进头顺煤层方向超前探测视电阻率断面图， 纵 坐标和横坐标代表探测距离， 等值线代表视电阻率值。掘进头前 方和侧 帮2 0 1T I 范 围内为瞬变 电磁法探测 的盲区 ，从 图上可 以看 出， 在掘进头正前方3 0～5 0 i n 处有一个低阻圈闭。 图 1 机 巷掘 进 头顺 煤 层方 向超 前 探 测视 电阻率 断 面 图 4结论 1 通过以上实例说明， 瞬变电磁法在井下探水是一种非常 有效的物探方法。为巷道的安全掘进提供 了重要 的参考资料 ； 为 探放水工作划定靶 区， 节省了大量的人力 和物力。 2 该方法具有体积效应小、 方向性强、 分辨率高、 对低阻区 敏感 、 施工快速等优点 。 3 该方法 易受干扰 ， 因此在井下掘进头超前探测施工中应 将掘进头位置的大型机械尽量移至掘进头后方2 0 m以外 ，掘进 头如果有积水应尽量在排完以后再进行施 工 ；在进行巷道顶底 板或者工作面顶底板探测时应对巷道 内电缆断电、线框尽量与 轨道等金属物保持一定距离，对巷道内工字钢等干扰较大的点 位详细记录， 以便后期数据处理中进行校正。 参考文献 【 1 】 姜志海， 岳建华， 刘志新． 矿井瞬变电磁 法在 老窑水超前探测 中的应用『 J 1 ． 工程地球物理学报， 2 0 0 7 ． 【 2 】 李金铭 ． 激发极 化 法方法技 术指 南[ M 】 ． 北 京 地质 出版社， 2 00 4．