瞬变电磁法在煤矿超前探测中的应用.pdf

2 0 1 5 年第 l 2 期 西部探矿工程 1 4 3 瞬变电磁法在煤矿超前探测中的应用 刘广亮 中煤科工集团西安研究院有 限公 司， 陕西 西安 7 1 0 0 7 7 摘要 介绍 了瞬变电磁 法工作原理、 施 工方法、 应 用实例。瞬变电磁法是 一种煤矿常规的物探方 法， 工作效率较 高。它对煤矿顶底板含水层 、 老空区等低 电阻 目标物敏感 ， 所以主要 用于探 测煤层 富 水情况。通过 实际应用看 出， 瞬变电磁法在煤矿探水 中具有很好的应用前景。 关键词 瞬变电磁 ； 原理 ； 工作面； 应用 中图分类号 P 6 3 1文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 5 7 1 6 2 0 1 5 1 2 0 1 4 3 0 2 1 概述 在煤矿工作面开采 中， 常会遇到底板承压水 、 老空 水 、 顶板含水层等含水异常体的影响 ， 严重时甚至造成 重大 的安全事故 。煤矿水文地质条件多样复杂 ， 传统 地质学方法很难准确判断， 要想提高准确率， 结合地球 物理勘探是当务之急 。矿井瞬变电磁法是井下探水常 用物探方法 ， 其特点是方便快捷 、 效率高、 探测方向 性好 。矿井 瞬变 电磁法对含水体表现为低电阻区 ， 接 收线圈接收到的是激发涡流感应 出的二次场 ， 不论含 水异常区如何分布 ， 都能得到有用信息 ， 利用专门软件 可得到视电阻率剖面图 。本次实例是利用中心回线 发探测， 接收装置为磁探头 ， 具有抗干扰能力强、 方向 性好 的特点隅 ] 。 2 矿井瞬变 电磁法原理 矿井瞬变电磁法的发射源形式分 2 种 ， 一种是磁源 发射 ， 另一种是 电流源发射 。在均匀各向同性大地表 面设面积为 S 的矩形发射 回线 导 电率为 、 导磁率为 ， 供阶跃脉冲电流 I t 铬； 1 如图 1 所示为电流断开时 ， 电流在发射线圈周围同 地下空间中建立起 的稳定磁场。 在 0时刻 ， 在 电流突然断开时刻 ， 由回线框产生 的磁场消失。一次磁场的突然变化传到大地中， 因而 在大地 中激发出感应 电流 ， 使大地 中的磁 场不会立 即 消失。由于介质的热损耗 ， 感应电流发生迅速衰减 ， 由 它产生的磁场也迅速衰减 ， 这种迅速衰减 的磁场又在 t O 红 ＼ ； - --／ ／ ； ～ 、一． ， ， ， ．、、、 ／ ，-_一 I ‘ Z 图 1 矩形回线框磁力线 其周 围的介质中感应 出新 的强度更 弱的涡流 ] 。这一 过 程持续 下 去 ， 直 至大地 的热损耗 将磁 场 能量消耗 完 。这就是大地 中的瞬变场变化过程。 矿井瞬变 电磁 法基本原 理等 同于地 面瞬变 电磁 法 。但是矿井 瞬变电磁探测施工是在煤矿巷道 内进行 的， 瞬变 电磁场为全空间分布 ， 矿井瞬变电磁探测必须 考 虑全空 间效应 。煤层在不含水 的情况下为 高阻介 质 ， 电磁波通过消耗较少 ， 因此煤层对瞬变 的屏蔽性没 有像对直流 电场那样 明显 ， 故接收线 圈接收到 的信号 综合反映了周围全空间岩石电性参数 ， 如图2 所示 。 3 仪器及方法 本次探测使 用 Y CS 2 0 0 0 矿用 瞬变 电磁仪 ， 该仪器 收稿 日期 2 0 1 5 0 7 0 7 修 回日期 2 0 1 4 0 7 0 9 作者简介 刘广亮 1 9 8 0 一 ， 男 汉族 ， 山东泰安人， 工程师， 现从事煤矿井下地球物理探测研究工作。 1 4 4 西部探矿工程 2 0 1 5 年第 1 2 期 图2 全空间瞬变电磁场的传播 是为煤矿井下探测含水和导水地质构造而制造的电磁 法勘探仪器 。该仪器采用 当前最新 的电子技术 ， 极大 地提高了仪器的抗干扰能力和测量精度。仪器具有以 下特点 发射电流大， 能保证良好的勘探效果及远距离 探测 ； 采用 目 前唯一的井下防爆磁探头接收， 具有受旁 侧局部金属体影响小， 分辨率高的特点； 探头等效面积 较大 ， 为 4 5 0 m。 ； 仪器体 积小 ， 携带及施工方便的特点 ； 探测盲区小于 l O m， 叠加次数最大可达到 1 0 0 0 0 次 ， 连 续工作时间长 ， 不小于 8 h 。 4 应用实例 4 ． 1 地质概况 淮北某矿矿区表层为第 四系冲积覆盖层 ， 覆盖厚 度为4 5 ．0 2 8 3 ．7 6 m不等， 形成一个北部偏高， 南中部 偏低的山间盆地平原。海拔高度一般在 3 O ～ 3 2 m之 间。因地下煤层开采 ， 在矿井东南 、 西部方向形成总面 积约 l O k r n 的塌 陷区， 塌陷深度一般 1 ～5 m， 最深处可 达 6 m， 现部分已回填 ， 部分为积水 区。为保证 煤矿安 全掘进和开采 ， 尤其是在巷道掘进过程中预 防前方水 患灾害， 开展一定 的物探工作是十分必要的。 4 ． 2资料处理 巷道内布设 的锚网 、 给排水管等在本次井下 电法 探测施工环境 中近似均匀存在 ， 其对 电磁场 的影响相 对均一 ， 对资料的处理可看作背景场 。处理得到 的视 电阻率等值线断面图如图3 所示 。图中横坐标表示沿 巷道方向距离 ， 纵坐标表示向侧帮内探测深度距离。 4 ． 3 成果解释 一～ 图3 连续顺层探测电阻率分布叠图 从 1 1 月 2 4日到 1 2 月 2 0日跟踪探测可 以看 出， l 1 月 2 4日和 1 1 月 2 8日两次探测结果均显示在探测点右 帮0 o 6 0 。 范围内， 深度 2 0 7 0 m存在低阻异常 ， 图中已 用 圆圈圈出。其他几天的跟踪探测结果显示巷道 内部 并无明显含水异常 ， 建议打钻验证 。 1 1 月 2 8日探测出现异常后 ， 矿方在探测点布设一 个钻孔 ， 钻孔出水量约 l O 0 0 m。 ， 当巷道掘进约 4 5 m后再 次布设 2 个钻孑 L ， 钻孔 出水量约 5 0 0 m。 ， 两次排 出积水 1 5 5 0 m3 ， 打钻情况与探测结果吻合 。 5结论 根据验证结果可以看出瞬变电磁法在工作面富水 区域探测 中效果 明显 ， 有 良好的推广价值 。瞬变电磁 法是煤矿富水 区探测有力的物探方法。与其它 电探方 法相比， 瞬变电磁法施工方便 、 快捷 、 效率高 、 方向性 好 、 对含水体反应敏感 ， 在实际应用 中收到 了很好的效 果 。对煤系地层应该加强基础研究 ， 提高瞬变电磁法 资料解释的准确性 ， 做好煤矿突水 事故 的预防预报工 作 。 参考文献 [ 1 ] 李貅． 瞬变电磁测深的理论与应用[ MI ． 西安 陕西科学技术出 版社 ， 2 0 0 2 ． 【 2 ] 方文藻， 李予国， 李貅． 瞬变电磁测深法原理【 M】 ． 西安 西北工 业大学出版社 ， 1 9 9 3 ． 【 3 】 傅良魁． 电法勘探教程[ M】 ． 北京 地质出版社， 1 9 8 3 ． 【 4 ] 严良俊， 徐世浙． 中心回线瞬变电磁测深法快速电阻率成像 方法及应用[ J ] ．煤 田地质与勘探， 2 0 0 2 ， 3 0 6 5 8 6 0 ． [ 5 】 苏林， 刘鑫明， 刘皴． 瞬变电磁法在煤矿富水区探测中的应用 f J ] ． 工程地球物理学报， 2 0 1 1 ， 8 1 6 9 ． 【 6 ] 张开元， 韩 自豪， 周韬． 瞬变电磁法在探测煤矿采空区中的应 用l J l _ 工程地球物理学报， 2 0 0 7 ， 4 4 3 4 1 3 4 4 ． [ 7 】 张天宝， 周良慧， 陈侃福， 等． 瞬变电磁法在祝源隧道勘察中的 应用[ J 】 ． 工程地球物理学报， 2 0 0 9 ， 6 1 5 3 5 6 ． [ 8 ] 陈小红， 白运， 郑凯， 等． 基于全区视电阻率的中心回线瞬变电 磁快速成像研究【 J 】 ． 工程地球物理学报， 2 0 1 l ， 8 1 3 8 4 1 ．