瞬变电磁超前探测技术在葛泉矿掘进中的应用.pdf

第3 7 卷第7 期 2 0 0 9年 7月 煤 炭科 学 技 术 Co a l S c i e n c e a n d T e c hn o l o g y V0 L 3 7 NO ． 7 J u l y 2 0 0 9 瞬变电磁超前探测技术在葛泉矿掘进 中的应用 徐 玉 增 河北金牛能源股份有限公 司 葛泉煤矿 ，河北 邢台0 5 4 0 0 0 摘要为了查明掘进巷道前方是否存在采空积水区，排除积水给煤矿生产带来的潜在安全隐患， 提出矿井瞬变电磁超前探测掘进面锥体 空间的概念，采用矿井瞬变电磁法和三点三极 2种超前探测 方法，探查巷道掘进前方的地质情况。结果表明2种探测方法对巷道掘进正前方的采空积水 区均 存在明显的反应，三点三极超前探测方法能分辩 出两个不同的采空积水 区，而瞬变电磁法则显示出 范围较大的一个低阻区域。对比2种超前探测方法的工作过程及探测结果 ，得 出矿井瞬变电磁法更 加适合现代煤矿生产环境下的超前探测工作。 关键词 矿井瞬变电磁法；矿井直流 电法 ；超前探测 中图分类号 T D 6 3 1 ． 3 2 5 文献标志码 A 文章编号0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 0 9 0 7 0 1 0 8 0 4 Ap pl i c a t i o n o f Tr a n s i e n t El e c t r o ma g n e t i c Pi l O t Ex pl o r a t i o n Te c h no l o g y t o M i n e He a d i n g i n Ge q ua n M i ne XU Yu - z e n g 锄 mn Mi n e I t e b e i J i n n i u E n e r g y C o m p a n y L t d ． ， X i n g t a i 0 5 4 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o a s c e r t a i n a n y w a t e r a c c u mu l a t e d z o n e i n t h e g o a f wh i c h Was i n t h e f r o n t o f t h e g a t e w a y h e a d i n g f a c e ，t o r e mo v e t h e a c c u mu l a t e d w a t e r wo u l d b r i n g t h e p o t e n t i a l s a f e t y d a n g e m t o t h e mi n e p r o d u c t i o n a n d the p a p e r p r o v i d e d t h e c o n c e p t i o n o f mi n e t r ans i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d t o p i l o t e x p l o r e t h e t a p e r s p a c e o f t h e g a t e wa y h e a d i n g f a c e ．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 a n d t h e t h r e e p o i n t s a n d t h r e e p o l e s p i l o t e x p l o r a t i o n m e t h o d s w e r e印p l i e d t o s u r v e y t h e g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s i n f r o n t o f t h e g a t e w a y h e a d i n g f a c e ． Th e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e t w o e x p l o r a t i o n me t h od s c o uld h a v e an o b v i o u s r e a c t i o n i n e x i s t i n g o f t h e g o a l w a t e r a c c u mu l a t e d a r e a i n f r o n t o f t h e g a t e w a y h e a d i n g and t h e t h r e e poi n t s a n d t h r e e pol e s p i l o t e x p l o r a t i o n me thod c o u l d r e s o l v e t w o d i ff e r e n t g o a f w a t e r a c c u mula t e d a r e a s ．T h e mi n e t r an s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d c o u l d d i s p l a y a l o w r e s i s t an c e a r e a wi t h a l a r g e are a ．I n c o mp a r i s o n w i t h t h e w o r k i n g p r o e e d u r e s a n d e x p l o r a t i o n r e s u l t s o f t h e t w o p i l o t e x p l o r a t i o n me t h o d s ，t h e mi n e t r an s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h od c o u l d b e mo r e s u i t a b l e f o r t h e p i l o t e x p l o r a t i o n wo r k o f t h e mo d e m c o al mi n e p r o d u c t i o n ． 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 thod ；mi n e D C me t h o d；p i l o t e x p l o r a t i o n 煤巷超前探测是在巷道掘进面利用直接或间接 的方法向前方进行探测 ，主要任务是查明巷道面前 方是否存在富含水构造异常或导水通道 ，为巷道的 安全掘进提供地质资料 。目前用于煤矿超前探测的 直接方法为钻探方法 ，钻探结果 比较可靠 ，但施工 周期较长，费用较高，对巷道的正常掘进生产影响 较大 ，另外，钻孔探测不能对前方采动影响范围内 的情况给予评价。超前探测的间接方法即采用地球 物理勘探方法进行探测 ，主要方法有 三点三极超 前探测方法、矿井瞬变电磁法、瑞雷波法和矿井地 质雷达探测法。其中瑞雷波法主要解决地质构造界 面的问题 ，对构造的富水性无法进行解释 ；矿井地 质雷达探测现还处于研试阶段 ，主要是由于其探测 】 08 深度较小，不能满足实际生产的需要 。现在常 用于超前探测的物探方法为 三点三极超前探测方 法和矿井瞬变 电磁法。该研究主要讨论这 2种超前 探测方法技术，并对其应用效果进行评价。 1 矿井瞬变电磁法超前探测技术 1 ． 1 矿井瞬变电磁法特点 矿井瞬变电磁法勘探基本原理与地面瞬变电磁 法基本一样 _ 4 J ，测量的各种工作装置形式和时间 序列与地面也相同。由于矿井瞬变电磁勘探在井下 巷道 中进行 ，采用非接触式 、多匝数 、小 回线工作 装置进行探查 ，井下噪声 、资料处理和解释方法与 地面瞬变电磁法和矿井直流 电法勘探不 同，因此 ， 徐玉增等瞬变电磁超前探测技术在葛泉矿掘进中的应用 2 0 0 9年第 7期 矿井瞬变电磁法勘探主要有 以下 6个特点 1 由于井下工作环境不 同于地面，不可能采 用地面大回线 边长大于 5 0 m工作装置 ，只能 采用边长小于3 n l 的多匝数、小 回线工作装置。因 此，与地面瞬变电磁法勘探比较具有数据采集速度 快、工作装备轻便、工作效率高，成本低等优点。 2 由于采用小回线装置测量 ，点距更密 一 般为2～ 1 0 m ，体积效应小， 勘探分辨率高。 3 井下工作装置距离异常体更近 ，且为全空 间响应，实际测量结果表明，井下测量信号的强度 比地面同样有效 面积的相同工作装置信号强 1 0～ 1 0 0倍 ，具有很高的信噪 比，同时 ，有效信号延时 增长 3 0 m s 以上 ，探查距离可达 1 5 0 m。而地面 测量信号在衰减到一定时间段 一般小于 1 5 ms 就被干扰信号覆盖 ，无法识别深部有用异常信号。 4 地面瞬变电磁法勘探一般只能将 回线铺设 地面测量 ，而井下瞬变电磁法可以根据探查 目标体 相对巷道位置不同来布置工作装置 ，如探查巷道底 板下含水异常体垂向和横向发育规律，可将回线布 置在巷道底板上进行探查 ； 也可将工作装置直立于 巷道内，当回线面平行巷道掘进前方 ，可进行掘进 巷道前方含水构造的超前探查 ；当回线面平行于巷 道侧帮 ，可探查工作面顶 、底板含水低阻异常体的 发育规律。 5 对于其他 矿井物探方法 无法施 工的巷道 巷道长度有限或巷道掘进面超前探查等 ，可采 用工作装置小、轻便的矿井瞬变电磁法探查。 6 矿井瞬变电磁法勘探从数据采集、资料处 理 、成图和定量解释工作均可在微机上实现 ，无须 手工作业 ，因此，矿井瞬变电磁法勘探是一高 自动 化程度的勘探系统。 1 ． 2 超前探测施工方法技术 矿井瞬变电磁法进行超前探时 ，要求掘进巷道 顶板 顶板 巷 道 ／ 向 } 发 射 线 择 ＼ 7 底 板 的掘进面断面整齐，巷道空间高度大于2 m，距离 掘进面 5 m范 围内没有较大的金属体 如掘进机 械等 ，以减少其对瞬变电磁场 的影 响。利用矿井 瞬变电磁法超前探测，每次超前探测的施工时间约 4 0 ra i n ，可利用工人换班时间进行工作 ，不影响巷 道掘进工作的正常进行。 由于受巷道掘进面空间的限制 ，矿井瞬变电磁 法的发射和接收线圈只能采用多匝小回线的发射和 接收装置形式 ，即边长为 2～ 3 m。测点布置在巷 道掘进面空间位置 图 1 ，即从巷道掘进面左侧 开始，首先使发射 、接收天线的法线垂直巷道左侧 面进行测量 图 1中的 1号测点 ，然后旋转天 线 ，使天线 的法线方向与巷道 的左侧分别成 6 0 。 ， 4 5 。 和 3 0 。 的夹 角进 行探测 图 1中的 2 _ _ 4号测 点 ；当天线 的法线方 向与巷 道掘进面界 面垂直 时，根据其 掘进面断 面的宽度 布置 23个测点 图 1中的 5 _7号测点 ；到巷道掘进面右侧时再 旋转天线 ，使 法线 方 向与巷 道右 侧分 别成 3 0 。 ， 4 5 。 ，6 0 。 和9 0 。 的夹角进行探测 图 1中的 8 一l 1 号测点 。即在多个角度采集数据 ，从而获得尽可 能完整的前方空间信息。 图 1 超前探测测点布置示意 在实际工作过程中对于每个发射点也可按图 2 所示的探测方向，调整天线的法线与巷道底板的夹 角大小 ，以探测巷道顶板 、顺层和底板方向的介质 变化情况。即通过超前探测工作可获得巷道掘进面 前方一个锥体范围内地层介质的岩性变化情况。 项板 巷道 ⋯向 发射线框 面 | 向 巷 道 ＼ ／ ／ 发 射 线 框 ＼ | ． b c 图 2 超 前探 测不 同方 向示意 1 0 9 徐玉增等瞬变电磁超前探测技术在葛泉矿掘进中的应用 2 0 0 9年第 7期 水区匀有明显的反应，直流电法能分辩出两个不同 的采空积水区，而瞬变电磁法则显示出范 围较大的 一 个低阻区域。另外 ，瞬变电磁法探测的视电阻率 值比三点三极超前探测方法探测的视电阻率值低， 虽然数值不同，但不影响探测结果的解释。 4 结 论 1 三点三极超前探测方法和矿井 瞬变电磁法 主要是依据介质的导电性差异 ，理论上均可用于巷 道掘进面一定范围内富水体的超前探测工作。 2 三点三极超前探测方法是采用属于接触式 探测 ，即将供电和测量电极布置在巷道侧帮或巷道 底板是进行测量 。其测量结果受巷道内电极接地条 件影响较大。另外 ，仪器施工中需要的辅助设备较 多 ，同时需要一根相对无穷远的接地 电极 一般 大于 5 0 0 m ，工作效率低 ，工作 时间较长 ，对巷 道的正常掘进生产有一定的影响。 3 由于瞬变电磁法关断时间及发射、接收多 匝小线圈的影响，与其他物探方法相 比，无法探测 到近距离的构造异常体。在超前探测工作 当中，其 有效探测距离一般为 2 5～1 1 0 m。 4 在具体探测 的过程中，矿井瞬变 电磁法可 根据需要调整探测方向，可完成巷道掘进正前方煤 层底板 、顺煤层和煤层顶板方向的探测工作。而三 点三极超前探测方法超前探测结果只是巷道正前方 顶、底板和煤层综合反映的结果。 5 对 比三点三极超前探测方法和矿井瞬变电 磁法的工作过程及其探测结果可知 ，矿井瞬变电磁 法更加适合现代煤矿生产环境下的超前探测工作。 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 中国矿业大学学出版社 ，2 0 0 5 ． [ 2 ] 刘志新 ，岳建华 ，刘仰光 ．扇形探测技 术在超前探测 中的 应用研究 [ J ] ．中国矿业大学学报 ，2 0 0 7 6 ． [ 3 ] 刘志新 ，于景村 ．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 1 ． [ 4 ] 李貅．瞬变电磁测深的理论与应用 [ M] ．西安陕西科 学技术出版社 ，2 0 0 2 ． [ 5 ] 刘树才，刘志新 ，姜志海 ．瞬变电磁法在煤 矿采 区水 文勘 探中的应用 [ J ] ．中国矿业大学学报 ，2 0 0 5 4 ． [ 6 ] 刘青雯．井下 电法超 前探 测方法及其应用 [ J ] ．煤 田地质 与勘探，2 0 0 1 5 ． [ 7 ] 闰述，陈明生，傅君眉 ．瞬变电磁场的直接进域数据分 析 [ J ] ．地球物理学报 ，2 0 0 2 2 ． [ 8 ] 程久龙，王玉和．巷道掘进 中电阻率法超前 探测原理 与应 用 [ J ] ．煤 田地质与勘探 ，2 0 0 0 1 ． 作者简 介 徐 玉增 1 9 6 3一 ，男 ，河 北平 乡人 ，高 级工 程 师，河北金牛能源股份公司葛泉矿副总工程师，主要从事煤矿建设 及开采工程管理工作。 收稿 日期2 0 0 9 0 31 8 ；责任编辑曾康生 上接第 1 0 7页 处倾角 l 0 。 ，钻进 1 3 m见岩，验证吻合 ；， 处倾 角 l 0 。 ，钻进 3 0 m见岩 ，验证吻合 。根据钻探资 料对比物探结果 ，相对误差较小 ，尤其在煤壁较完 整地方探测结果相吻合 ，说明该方法有效而准确。 4 结 语 平顶 山十三矿使用便携式矿井地质探测仪的探 测解析结果与工作面掘进现场实际揭露地质情况 ， 结果比较吻合。利用震波技术对施工巷道进行超前 探测， 能够查清施工巷道前方的煤层赋存变化和构 造变化情况，为防突部门及施工单位提供可靠的技 术依据，提前采取有针对性的措施，避免因情况不 明造成的重大损失。震波技术的应用解决了矿井生 产中大量的井巷地质问题，为矿井高产高效建设及 安全生产提供了保障。 参考文献 [ 1 ] 赵永贵，刘浩 ，孙宇 ，等 ．隧道地质超 前预报研究进 展 [ J ] ．地球物理学进展， 2 0 0 3 3 ． [ 2 ] 何振起，李海 ，梁彦忠 ．利用 地震反射法 进行遂道施工 地质超前预报 [ J ] ．铁道工程学报 ，2 0 0 0 4 ． [ 3 ] 刘天放，李志聃 ．矿井地球物理勘探 [ M] ．北京 煤 炭工 业出版社 ，1 9 9 3 ． [ 4 ] 刘盛东 ，吴军，张平松 ．地下工程震 波技术与应 用 [ J ] ． 中国煤 田地质 ，2 0 0 1 3 ． [ 5 ] 杨双安，张胤彬，许鸿雁，等 ． 矿井煤田三维地震勘探技 术的应用及发展前景 [ J ] ．物探与化探， 2 0 0 4 6 ． 作者简介 王胜利 1 9 7 1一 ，男 ，河南 商水人 ，工程 师，长 期从事矿井地质及水文地质技术管理工作。联系人 王志涛，T e l 1 3 9 3 7 5 6 8 1 8 2，E ma i l wz t 一1 9 8 2 1 6 3 ． c o m 收稿 日期2 0 0 9 0 31 8 ；责任编辑曾康生 l l 1