瞬变电磁法在矿井底板富水性探测中的应用.pdf

第7卷第 1 期一 华北科技学院学报 2 0 1 0年 1 月 瞬变电磁法在矿井底板富水性探测中的应用① 李松峰 ② 陈余道 李永军 1 ． 桂林理工大学， 广西 桂林5 4 1 0 0 4 2 ． 华j E 科技学院， 北京 东燕郊1 0 1 6 0 1 摘要本文介绍了矿井瞬变电磁探测技术的原理与方法， 并以单侯煤矿为例， 探讨了瞬变电磁法在探测煤 层底板富水性中的应用。实际揭露资料验证说明。 该方法探测煤层底板富水位置和范围比较准确是非常有 效的物探方法之一， 能为井下水害预报和防治提供可靠依据。 关键词 瞬变电磁法； 单售矿； 超前探测； 富水性； 电阻率 中图分类号 T D 7 4 5 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 27 1 6 9 2 0 1 0 0 1 0 0 1 9 0 4 引言 水害是 影 响矿 井 安 全 生产 的五 大 灾 害之 一 。近年来 ， 我 国大部分矿井进 入了深部开采 ， 受深部奥灰岩溶高压水的威胁越来越严重， 查 明采掘工作面底板 岩溶 富水异常 区位置是煤矿 水害防治亟待解决的问题。钻探方法准确但速 度慢、 成本高， 难以圈定富水区范围， 且打钻时 存在危险； 传统 的直 流 电法 等物探 技术 虽效率 高、 成本低 ， 但因体积效应大等原因造成准确率 和探测距离难 以满足生产需求 。矿井瞬变 电磁 法是近几年 来发展 起来 的矿 井物探 方法之 一 ， 可以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 ， 是有很 多其他物探方法 所不能比拟的优点 ， 比如近距离 观测 、 体积效应 小、 方 向性强 、 分辨率高、 对低 阻区敏感、 施工快 速等 ， 可以有效地探测巷道周 围 1 0 0 m范 围内的 富水区域， 已成为煤矿水害探测的最佳选择。 通过选择合 适 的装 置形 式 ， 可有效 探测井 下采 掘工作面底板富水性 。 本文采用矿井瞬变电磁法 ， 对单侯矿 6 1 0 3工 作面底板一定范围内的富水区进行 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 矿井瞬变电磁技术法基本原理 1 ． 1 瞬变电磁法基本理论 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， 简单地说 ， 瞬 变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。 其基本工作方法是 给一个线圈通以脉冲电 流 ， 产生一次脉 冲电磁场 ， 由于这个 电磁场的存 在 ， 使得勘探的 目标体产生感应 电流 ， 进而产生二 次脉冲电磁场 。在一次脉 冲场间隙期 间， 一次场 会消失， 但是二次场不会马上消失， 而是一个随时 间衰减的过程。通过测量二次场随时间的变化规 律， 即可得到不同深度的导体的电性分布结构及 空间形态 。 1 ． 2 矿井瞬变电磁法施工技术、 数据解释 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有 固定的变 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。 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。 探测量参数的选择也在很大程度上影响了测 量的效果。所 以， 根据不同的地质任务 ， 考虑到实 际工作环境的要求， 选择不同的测量参数。线框 越大， 其横向、 纵向分辨率越低； 回线边长越大， 勘 探深度越大； 回线匝数越多， 探测深度越大； 其它 参数根据实际需要再行选择。线框平面法线方 向 ①收稿日期 2 0 0 9 ． 1 2 - 1 6 ②作者简介 李松峰 1 9 8 3一 ， 男， 山东青岛人， 桂林理工大学硕士研究生。 1 9 第 7卷第 1期 华北科技学院学报 2 0 1 0年 1月 即为瞬变探测方 向 J 。因此 ， 以底板 为例 ， 将发 射接收线框平面分别对准巷道底板进行探测 ， 就 可以反映巷道底板前方岩体内部的地质异常。 资料解 释 主要 是对 采集 到 的数 据 进 行处 理。根据 晚期 场或 全期 场公 式计 算 视 电阻率 曲线 ， 然后 进行 时深 转换 ， 得 到各 测线 视 电 阻 率断面图。最后根据探测 区 的地球 物理特 征、 仪器响应的时间特征和空间分布特征并结合 矿井综合地质资料进行 解释 ， 划分 出地 层富水 区域分布范 围。 1 ． 3 矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法的区别 首先， 井下测量受到巷道的限制 ， 只能采用边 长小于3 m的多匝小线框 ， 我们采用的线框是 2 m 边长。正因为采用小线圈测量 ， 点距要加密 ， 实际 测量中采用 了 1 0 m点距 ， 降低 了体积效应的影 响， 提高了勘探分辨率， 特别是横向分辨率。其 次， 井下测量点距较密， 测量装置离 目标体更近， 这会提高异常体 的感应信号强度 ， 从而使探测的 结果更加的精确、 可信。数据采集工作量小 ， 测量 轻便 ， 工作效率高， 比较适宜在井下艰苦环境中使 用。第三 ， 利用矿井瞬变电磁法小线框发射 电磁 波的方向性 ， 可分别用于探测巷道底板、 顶板一定 范围的含水情况及裂隙、 断层 的发育情况。还可 以对巷道掘进迎头进行超前探测等 ] 。 2 实例分析 2 ． 1 单侯矿地质概况 单侯矿位于河北省张家口 市蔚县境内， 地质构 造条件中等， 水文地质条件为中等一复杂型岩溶裂 隙充水矿床。虽然崔家寨矿、 单侯、 老虎头玉峰山 等矿属于同一个大的水文地质单元 ， 但是仔细分析 蔚州矿区的水文地质条件不难发现 ， 单侯矿处于一 个奥灰含水层强径流带， 奥灰含水层富水性强， 水 压力大， 水害危险性大。因此 ， 单侯矿底板奥灰水 的富水性探测是该矿防治水的重中之重H 】 。 6 1 0 3 N工作面位于首采区中部， 地质构造条 件简单， 在掘进过程中进、 回风巷均没有揭露任何 断层 ， 并且根据三维地震资料 ， 本工作面内部也没 有任何断层构造， 但不排除回采过程中揭露隐伏 断裂构造的可能性。 2 ． 2 探测方案 本次瞬变电磁法探测选用发射电流为 1 A ， 频率 2 5 H z ， 发射线圈 2 2 m6 4匝， 接收线 圈 2 0 直径 0 ． 6 m。隅极观测系统 ， 接收线与发射线 圈 的间距 2 0 m， 探测段为 6 1 0 3 N进风巷 1 9 2 0 m 和 切眼工作面 1 6 0 m以及 回风巷 1 9 8 0 m共三段， 测 线总长为 4 0 6 0 m， 进风巷和切 眼工作面及 回风巷 瞬变电磁探测总体布置方案路线如下图 1 所示。 图 1 6 1 0 3 N巷道瞬变 电磁探测方案布置 图 发射线框和接收线框分别 为匝数不等、 且完 全分离的两个独立线框 ， 以便与煤层顶板含水异 常体产生最佳耦合响应。为探测含水构造的发育 情况， 实际测量时将测量装置布置在巷道靠近煤 帮， 测点分别布置在巷道侧帮， 沿巷道逐点进行探 测 ， 测线布置长度为 4 0 5 0 m， 完成探测 4 0 5个物理 点 ， 采集数据约4 0 5 31 2 1 5组。线圈法线垂直 指 向底板和斜 向下 3 0 。 方向以及斜向下 4 5 。 向对 底板进行含水性探测 ， 如下图 2所示。 图2 6 1 0 3 N巷道底板探测方向示意图 2 ． 2 探测成果分析 探测数据经过干扰信号 的剔除、 近场源的校 正及反演处理， 对视 电阻率剖面进行深度标 定L 5 J ， 通过对巷道底板岩层含水性进行解释 ， 圈 定主要含水层 的富水区。图 3是在探测给出的 6 1 0 3进风巷、 回风巷、 切眼视电阻率分布图的基 础上 ， 所获得的 6 1 0 3工作面垂直巷道底板 3 0 m、 4 0 m、 5 0 m、 6 0 m不同深度含水区分布图。 第 1 期 李松峰等 瞬变电磁法在矿井底板富水性探测中的应用 nJ 期 辄 1 椰n | t 1 ‘ i l 1 m i l l I 1 m l l{I 1 l 邸 1 l I ” l “ 1 m 图 3 单候 矿 6 1 0 3工作面底板下含水区分布图 A、 B、 C、 D， 分别代表 3 0 i n 、 4 0 m、 5 0 m、 6 0 m深度 通过以上探测成果， 我们可 以看 出 1 进风巷 1 0 0～ 3 0 0 m段 ， 深度 2 0～ 6 0 m 出 现相对低阻异常区， 可能为泥岩或相对富水部位 ； 在 1 8 0 01 9 0 0 m段 ， 深度 2 0～3 0 m， 显示低阻异 常区， 底板可能富水 ； 9 0 0 m附近的低阻异常区可 能为小范围富水 ， 也可能是 因为铁器堆放影响所 致； 在 3 0 07 0 0 m 段底板相 对不 富水 ， 1 3 0 0 m、 1 5 0 0 m、 1 7 0 0 m附近， 可能发育有裂隙 ， 其分布 区 的富水性相对较弱。 2 回风巷在 1 0 0～ 4 0 0 m、 6 0 01 0 0 0 m、 1 6 0 0 ～ 1 8 0 0 1 1 1 段底板 0～8 0 m的深度为相对含水区， 有大规模的富水区域， 而在 0 m 、 5 0 0 m、 1 4 0 0 1 5 0 0 m区域为相对弱富水区域。 3 切眼区域在较大范 围内均 出现相对低导 异常现象 ， 可能为富水区。 为验证物探结果并指导生产 ， 在采取相应措 施下打钻探验 ， 结果与探测成果基本相符。 3 结论 1 瞬变 电磁法在单侯矿 6 3 0 1工作面的示范 性应用 ， 证实该方法在探测工作 面底板富水性方 面是非常有效 的物探方法。能为布置探放水钻孔 位置提供依据， 并通过探放水钻孔提前疏放异常 区内底板水 ， 为水 害预报和防治措施 的提前制定 提供可靠依据 ， 从而确保工作面安全回采。 A B C D 2 该方法仪器具有抗 干扰 、 轻便 、 自动化程 度高等特点 ； 数据采集 由微机控制 ， 可实现数据回 放 ； 探测装置轻便 ， 工作效率高 ； 采用发射线框和 接收线框分别为 匝数不等、 完全分离 的两个独立 回线， 与煤层顶板含水异常体产生最佳耦合响应， 提高信噪比， 有利于异常区的识别。 3 瞬变 电磁技术分辨 率高但易受干扰。实 施探测时， 应采取一定的抗干扰措施 ， 如调高电流 强度， 选用多重复频率。同时， 井下巷道内应清理 干净 ， 电缆尽可能断电。发射线 圈和接收线圈尽 量远离金属体， 且附近最好无积水。总之， 要尽可 能创造有利的探测环境， 保障探测效果。 参考 文献 [ 1 ] 丁希阳， 马冲， 王均双 ．瞬变电磁法在断层防 治水中的应用[ J ] ．山东煤炭科技 ． 2 0 0 8 2 1 3 11 3 3 [ 2 ] 倪良高， 罗子付 ． 矿井瞬变电磁法在煤矿防治 水工作中的应用[ J ] ．能源技术与管理 ． 2 0 0 7 1 5 4 5 5 [ 3 ] 王春耀， 尹尚先， 凌标灿 ， 等 ．时间域瞬变电磁 法井下全方位赋水性探查研究[ J ] ．华北科技 学院学报 2 0 0 7 ， 4 4 61 3 [ 4 ] 王剑峻 ． 单侯矿井滞后 突水原因分析[ J ] ．中 国矿 山工程 ． 2 0 0 7 ， 3 6 2 2 8 3 1 [ 5 ] 张敬宝．浅谈瞬变电磁法在煤矿探测底板含 水性中的应用[ J ] ．科技信息 2 0 0 7 2 8 2 7 5 21 第 7卷第 1 期 华北科技学院学报 2 0 1 0年 1月 App l i c a t i o n o f Tr a n s i e n t El e c t r o n ma g n e t i c M e t ho d i n Fo r e c a s t i ng M i n e t e r o f s e a t e a r t h S o n g f e n g ， C H E N Y u d a o ， L I y o n g j u n 1 ． G u i l i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， G u i l i n G u a n g x i 5 4 1 0 0 4 ； 2 ．N o r t h C h i n a I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， Y a n j i a o B e i j i n g E a s t 1 0 1 6 0 1 Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， t h e p ri n c i p l e o f m i 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 m e tho d M T E Mi s i n t r o d u c e d ．A n d t h r o u g h the a p p l i c a - t i o n e x a mp l e s o f the T r a n s i e n t E l e c t ron ma g n e t i c Me thod d e t e c t i o n o f D a n h o u Mi n e ， the a u tho r analy d t h e印p li c a t i o n i n d e t e c t i n g f u l l o f w a t e r a r e a o f s e a t e a r t h ．P r a c ti c e s d e mo n s tr a t e tha t t h e me t h od i s a n e ff e c t i v e me a n s t o d e t e c t t h e p o s i t i o n a n d e x t e n t o f mi n e w a t e r o f s e a t e a r t h ． I t a l s o p r o v i d e s r e l i a b l e b a s i s f o r p r e d i c t i o n an d p r e v e n ti o n o f mi n e w a t e r d i s ast e r s ． Ke y wo r d s T r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i s m；Da n h o u Mi n e ；F o r e c a s t i n g ；F u l l o f w a t e r a r e a ；e l e c t r i c al r e s i s t i v i t y 予} - { } _ { } _ { ‘ } ‘ } } } _ { ‘ } ‘ } ‘ } } } ‘ } ‘ } 亍 } } ‘ } _ { } } _ { } _ { } _ { } } } _ { } _ { } _ { } _ { } } } { ． } - { } } } _ { } _ { } - { } 一 亏 } } _ { } } _ _ i }{ ．} _ { } 上接第 1 1页 The ka r s t d e v e l o p me nt c ha r a c t e r i s tic a nd t he wa t e r a bu nd a n c e r e g u l a r i n Hu a i na n mi n e a r e a L ／ X i a o m i n g ， Z H U L i ， L I Y o n u n ， Y A NG X i p e i 1 ． N o r t h C h i n a I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Y a n j i a o B e i j i n g E a s t 1 0 1 6 0 1 ； 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o a l R e s o u r c e s a n d S a f e E x p l o i t a t i o n C U MT ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， t h e d e p e n d e n c e r e l a t i o n ， b e t w e e n t h e w a t e r abu n d anc e r e g u l a r o f Or d o v i c i a n l i me s t o n e and li t h o l o g y， the k a r s t d e v e l o p m e n t c h a r a c t e ri s ti c ， d i s t r i b u ti n g ， t h e fi l l i n g s i t u a ti o n ， the fi s s u r e d e v e l o p m e n t c h ara c t e r i s ti c ， th e t e c t o n i c the f a u l t i s p ri m a r y ， i s d i s c u s s e d ， b ase d o n anal y s i s t o th e d e v e l o p m e n t a n d d i s t ri b u ti n g o f O r d o vic i a n s y s t e m i n H u m n an m i n e a r e a ．T h e w a - t e r a b u n d anc e r e g u l a r o f Or d o v i e i an l i me s t o n e i s d i s c l o s e d p ri ma r i l y ， a n d i t p rov i d e s t h e the o r y b a s i s for s t u d y i n g s y s t e ma ti c a l l y the k a r s t d e v e l o p me n t reg u l ar i n O r d o v i e i an and t h e p r e v e n t i o n o f O r d o v i c i a n k a r s t w a t e r o f mi n e i n Hu a i n an mi n e are a Ke y wo r d sHu mn an mi n e a r e a；Or d o v i c i an l i me s t o n e ；the w a t e r ab u n d a n c e r e gul ar；t h e p r e v e n t i o n o f Or d o v i c i an k a r s t w a t e r 2 2