瞬变电磁技术在掘进巷道水害防治中的应用.pdf

S e r i a l No ． 5 4 1 M a y ． 201 4 现代矿业 M0D ERN MI NI N G 总 第5 4 1 期 2 0 1 4 年 5月第 5期 瞬变 电磁技术在掘进巷道水 害防治 中的应用 徐 文星 王玉和 王圣 龙 许 斌 程广坦 1 ． 山东科技大学资源与环境工程学院； 2 ． 中煤科工集团重庆研 究院 摘 要 简要介绍了矿 井瞬变电磁超前探测技术的基本原理与方法 ， 结合某矿超前探测 实例 ， 探讨 了瞬变电磁超前探测的工作 方法、 资料处理与解释和应用效果等。工程应用结果表明， 瞬变电 磁技术对掘进巷道迎头前方的突水构造具有较好的探查效果， 为巷道安全掘进与避免严重水害事 故的发生提供参考依据 。 关键词 瞬变电磁超前探测 掘进巷道水害防治 Ap p l i c a t i o n o f t h e T r a n s i e n t El e c t r o ma g n e t i c Te c h n i q u e i n Co nt r o l l i ng t he W a t e r Di s a s t e r i n Ex c a v at i o n Ro a dwa y Xu W e n x i ng W a n g Yu he W a n g S he n g l o ng 。Xu Bi n Ch e n g Gu a n g t a n。 1 ． S c h o o l o f R e s o u r c e s a n d E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g ， S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ； 2 ． C h o n g q i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g G r o u p Ab s t r a c t T h e b a s i c p rin c i p l e a n d me t h o s o f 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 d e t e c t i o n t e c h n i q u e a r e b ri e fl y i n t r o d u c e d ． C o mb i n g t h e a d v a n c e d e t e c t i o n o f a mi n e a s a n e x a mp l e ， t h e w o r k i n g me t h o d， d a t a p r o c e s s i ng me t h o d， i n t e r pr e t a t i o n a n d a p p l i c a t i o n e f f e c t s o f t r a n s i e nt e l e c t r o ma g n e t i c t e c hn i q u e a r e a n a l y z e d i n d e t a i l ．T h e e n g i n e e ri n g a p p l i c a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t ， t h e t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c t e c h n i q u e c a n d e t e c t t h e wa t e r i n r us h s t r u c t ur e o f t he e x c a v a t i n g r o a d wa y f r o n t a l e f f e c t i v e l y S O a s t o p r o v i d e t he r e f e r e n c e t o dfiv a g e r o a d wa y a n d p r e v e n t i o n a n d c o nt r o l o f s e rio u s wa t e r d a ma g e a c c i de n t s ． Ke y wo r ds Tr a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c，Ad v a n c e d d e t e c t i o n，Ex c a v a t i n g r o a d wa y， p r e v e n t i o n a nd c o n t r o 】o f Wa t e r d i s a s t e r 矿井水害是影响煤矿安 全的主要 因素之一 ， 所 以应该在水害的预测和防治上予以足够 的重视 ， 特 别是矿井巷道掘进中对水害位置的预测和防治更为 重要 。在以前矿井 巷道掘进 中多采用 电法超前探 测 ， 由于其探测范围有限， 矿井瞬变电磁技术是近些 年来一种新的井下物理探测技术 ， 越来越 多地应用 在掘进巷道的水害防治中， 具有对低阻含水体敏感 、 定向性强和分辨率高等优点 ， 可 以对掘进巷道迎头 前方及周围的水害异常区域进行探测 ， 为掘进 中巷 道水害防治工作提供技术依据 ， 实现高产高效矿井 掘进 ， 1 矿 井瞬变 电磁 法基本原理 矿井瞬变 电磁法是一种在井下巷道 中利用不接 徐 文星 1 9 8 6 一 ， 男 ， 硕士研究生 ， 2 6 6 5 9 0山东省青岛市经济 开 发 区前湾港路 5 7 9号 。 地 回线向巷道周 围空间发送脉 冲式一次电磁场 ， 激 励起的感应涡流在巷道周 围地质体 中产生随时间变 化的感应电磁场 。由于二次场 中有巷道周围地质体 丰富的地电信息， 通过在一次场间歇期间观测二次 场， 并对观测信息进行提取和分析， 可以达到探测巷 道周围导电介质 电性特征 的目的 。 矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法不 同的是 由于巷道是在很深的井下 ， 空间小 ， 可以认为发射线 圈被周围地质空间所包 围， 瞬变电磁场呈全空间分 布 如图 1 ， 瞬变响应为全空间响应。 从“ 烟圈” 理论研究， 离发射线框较近的巷道围 岩介质的感应电流产生早期瞬变电磁场， 进而得到 近距离的电性分布 ； 离发射线框较远的围岩介质的 感应 电流产生晚期 瞬变电磁场 ， 得到远距离的电性 分布 j 。磁偶 源晚期 计算视 电阻率在巷道全 空间 条件下为 1 01 总第 5 4 1 期 现代矿业 2 0 1 4年 5月第 5期 图 1 巷道条件下 T E M 信号扩散示意 c ㈩ 式 中， C为全空间响应系数 ； S 、 s分别为发射线圈和 接收线圈面积； t 为瞬变延迟时间； N、 n分别为发射 线圈和接收线圈 的匝数 ； V ／ I为观测 到的归一化二 次场电位场值 。 求得视 电阻率 后便 可利 用式 2 进行 时深转 换 ， 得 出不同时刻对应深度 r f D t J v p ， t d t， 2 式 中， D t 为 t 时刻 电磁场传播深度 ； v p ， t 为任 意导电介质分布情况下电磁场垂直扩散速度。 2井下探测技术 2 ． 1 超前探测技术 掘进巷道迎头空间较小 ， 在超前探测施工时， 在 地面上的大线圈装置施展不开 ， 故应选用符合施工 条件的装置。通过实验知道 ， 发射线圈匝数越多 ， 发 射功率反而越小 ， 而发射磁矩与线圈匝数成正相关 ， 但是 当增加幅度较小时 ， 关断时间与线圈匝数却近 似呈线性正 比关系 J 。由此可知 ， 必须依据不同的 施工环境和探测 目的选用适 当的仪器参数 ， 才能得 到更精确地探测结果 。 首先确定好发射点和接收点位置 ， 探测过程从 迎头左帮开始 ， 操作 时发射和接 收线圈轴线要与巷 道的中轴线偏离一定角度 ， 然后按方案设计 的探测 角进行旋转探测。需要 注意的是 施工 中两线圈轴 线要平行 ， 两线圈平 面要垂直水平面 ， 此外 ， 依据矿 方实际要求 ， 设计适当的仰俯角进行测量 ， 只有这样 才能采集到更多更全面的数据。通过对采集到的数 据进行分析处理 ， 就可 以对迎头前方的含水体等低 阻异常带进行 预判 ， 为巷道 掘进 提供超前 地质 预 报 。 2 ． 2 井下干扰及应对措施 因为瞬变电磁技术 的优点之一是分辨率高 ， 所 以容易受到干扰。井下都有 电缆 、 铁轨 、 皮带支架和 工字钢等众多金属干扰物 ， 有金属物体就一定会对 探测结果造成影 响。在探测施工前 ， 应当对金属干 扰物体进行清除， 比如 电缆应当保持断 电； 发射与 1 0 2 接收线圈离金属干扰物越远越好 ； 在有铁轨 、 皮带架 等不能移动的金属物 时， 两线 圈轴线不能正对金属 于扰物 ； 当干扰无可避免 时， 要尽 可能的采取抗 干扰措施 ， 比如调高 电流强度 ， 改变相关 观测 参数 等。总之 ， 要尽量减少井下环境对探测的干扰 ， 保障 探测效果准确有效。 3 工程应 用 以某煤矿 1 1 1 3 0 4工作 面胶带顺槽 J 64 2 m 为例 ， 采用矿井瞬变电磁法 ， 在巷道掘进迎头进行超 前探测含水区域。 3 ． 1 探 测方 法 采用加拿大 G e o n i e s公 司 P R O T E M- 4 7瞬变 电 磁仪 ， 发射线圈为边长 2 m X2 m的多 匝矩形 回线 。 为了使探测范围能够比较全面的反映掘进巷道迎头 前方附近顶底板砂岩含水层及含水区在空间上的分 布， 根据矿方实际采掘条件 ， 在掘进巷道迎头布置超 前探测 5个方向 ， 即仰角 4 0 。 、 仰角 2 0 。 、 水平方 向、 俯角 2 0 。 和俯角 4 0 。 ， 探测迎头前方附近含水层位置 及含水情况。 3 ． 2 资料处理与解释 根据不 同岩层具有不同含水性 的电性特征 ， 通 过对二维 电阻率剖面图进行分析 ， 对巷道迎头前方 岩层是否具有含水性进行解释 。 图 2为该 矿 1 1 1 3 0 4工作面胶带顺槽 J 64 2 m 位置瞬变电磁法超前探测成果 图， 横坐标 0坐标 点为掘进头位置 ， 纵坐标为超前距离。水平方 向、 仰 角断面和俯角断面的探测范围为左侧帮 5 0 。 到右侧 帮 5 0 。 ， 竖直方向的探测范围为仰角 4 0 。 到俯角 4 0 。 。 图 2 a 为仰角 4 0 。 超前探测视 电阻率断面 图， 从图中可以看 出， 在掘进头前方 0 4 0 I T I 顶板 岩层 视电阻率相对较 高， 为正常岩层反映 ； 4 0～ 9 0 m 范 围岩层视 电阻率略有降低 ， 在巷道正前上方视电阻 率降低较明显 ， 两侧不明显， 表明岩层仅局部略表现 弱含水性 。 图2 b 为仰角 2 0 。 超前探测视 电阻率断面图， 从图中可以看 出， 在掘进头前方 03 5 m顶板岩层 视电阻率相对 较高 ， 为正常岩层反映； 3 5～6 5 m范 围岩层视电阻率明显降低 ， 判断为此范 围岩层 为弱 含水 ； 6 5～1 0 0 m范围岩层视电阻率略有降低 ， 表明 岩层仅局部略表现极弱含水性 。 图2 c 为俯角 2 0 。 超前探测视 电阻率 断面图， 从图中可 以看 出， 在掘进头前方 0 4 0 1 i “1 顶板岩层 视电阻率相对较高 ， 为正常岩层反映； 4 0～ 7 0 m范 围岩层视电阻率略有降低， 在巷道正前上方视电阻