矿井瞬变电磁技术在金谷煤矿探测老空水中的应用.pdf

煤炭与化工 Co al and Chemical Industry 第43卷第5期 2020年5月 Vo l.43 No .5 May 2020 地测与水害防治 矿井瞬变电磁技术在金谷煤矿探测老空水中的应用 郭绍华 河北煤炭科学研究院有限公司，河北邢台054000 摘要为了研究矿井瞬变电磁探测技术在探测巷道迎头前方及周围岩体富水性的应用情况, 在金谷煤业11101工作面下顺槽掘进迎头位置，利用PROTEM-47型瞬变电磁仪探测矿方预 测的采空区积水位置。依据探测结果圈定采空区积水位置，并结合矿方圈定的位置，钻孔验 证结论。结果表明，钻探结论圈定的范围和瞬变电磁圈定的异常区处于相同片区位置，矿井 瞬变电磁探测在探测老空区积水情况时有良好的应用性。 关键词瞬变电磁；煤矿；老空水 中图分类号TD745 文献标识码B 文章编号2095-5979 2020 05-0051-04 Application of mine transient electromagnetic technology in detecting goaf water Guo Shao hua Hebei Coal Science Research Inst it ut e Corporat ion Lt d., Xingt ai 054000, Ch ina Abstract In o rder to study the applicatio n o f transient electro mag netic detectio n techno lo g y in detecting the w aterrichness o f the ro ck in f ro nt o f and aro und the head o f the ro adw ay, a PROTEM-47 transient electro -mag neto meter w as used to detect the predicted w ater accumulatio n in the mining area in the 11101 w o rking f ace o Jing u Co al Industry. Based o n the results o f the survey, the lo catio n o f the w aterlo g g ed areas in the mine w as circled and the co nclusio ns w ere verif ied by drilling the ho le in co njunctio n w ith the lo catio n circled by the mine side. The results sho w ed that the rang e circled by the drilling results and the ano malo us area circled by the transient electro mag netic transient w ere in the same patch lo catio n, and the mine transient electro mag netic detectio n had g o o d applicatio n in detecting w ater accumulatio n in the g o af . Key w o rds transient electro mag netism; mine; g o af w ater 在全国赋煤等多数省份地区，老空区的存在及 其内积水是煤矿开采的重要安全隐患之一。老空水 一般积存时间长，多以静贮量为主。一旦突水，来 势凶猛，涌水量大，破坏性强。对煤矿巷道安全掘 进及工作面回采有很大的危害。矿井瞬变电磁勘探 技术具有对低阻区敏感、体积效应小、探测方向性 强、分辨率高、施工快速的优点。可用来评价采空 区是否存在积水，为煤矿的水灾害防治提供依据。 1 基本原理 瞬变电磁法是利用不接地回线或接地电源向地 下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间， 利用线圈或接地电极观测二次涡流的方法。二次场 从产生到能量消耗完毕，时间非常短暂，这也是该 方法名为“瞬变”的原因。可以说瞬变电磁法的基 本原理就是电磁感应定律图1。 低电阻率地质体如导含水陷落柱、导水断层、 金属矿体等能引起较强且衰减慢的二次场，而贫水 区等高阻体引起较弱且衰减快的二次场。早期瞬变 电磁场信号是由近处的感应电流产生的，反映近处 地电特征，晚期瞬变电磁场信号由远处的感应电流 产生的，反映较远处地电特征。因此，观测和研究 责任编辑高小青 DOI 10.19286/ki.cci.2020.05.014 作者简介郭绍华1991-,男，河北唐山人，助理工程师。 引用格式郭绍华.矿井瞬变电磁技术在金谷煤矿探测老空水中的应用[J].煤炭与化工，2020, 43 5 51-54. 51 2020年第5期 煤炭与化工 第43卷 瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测岩层电性 沿探测方向的变化，达到探测之目的，进而来解析 地下良导电地质体，这便是井下瞬变电磁探测的基 本原理。 地下全空间 图1矿井瞬变电磁探测基本原理 Fig . 1 Basic principle o f mine transient electro mag netic detectio n 2实例研究 2.1煤矿地质概况 山西金谷煤矿11101工作面下丿顷槽，为11号 煤掘进巷道，11101工作面距地表深度为55 260 m,该工作面上方为10901和10902采空区，预测 雨季最大水量为70 m3/ho该工作面位于一采区北 部，寸匕部为采空破坏区，根据相邻主井大巷揭露的 煤层情况及ZK202、ZK302钻孔资料分析，该工作 面煤层厚度在1.20-2.20 m,平均煤厚1.7 m,在 断层附近煤层有压薄或增厚现象。ZK202资料显示 局部11号煤层中夹有0.3 m厚的夹秆。 根据10901和10900工作面揭露陷落柱情况分 析，11101工作面在掘进时将揭露3个陷落柱，陷 落柱X21,预测长轴46.0 m,长轴方位149。，预 计短轴16 m;陷落柱X20,预测长轴70 m,长轴 方位168。，预计短轴23 m;陷落柱X13,预测长 轴120 m,长轴方位270 ,预计短轴42 m。此 外，根据10901工作面上下巷开口至250 m范围内 最低点向斜发育推断，该小褶曲会影响至11101工 作面，掘进至该区域过程中巷道顶板可能会有淋水 现象，对掘进产生一定影响。 由上述资料显示，该工作面北部为采空破坏 区，且该地质区域陷落柱和断层等构造发育。采空 区内积水情况是影响煤矿安全生产的重要因素，因 此利用矿井瞬变电磁探测技术探明其含水情况。该 矿采空区及瞬变探测位置示意如图2所示。 图2金谷煤矿采空区及瞬变探测位置示意 Fig . 2 Go af and transient detectio n lo catio n in Jing u Mine 2.2施工及现场条件 2.2.1 仪器设备 仪器采用加拿大Geo nics公司生产的 PE0TEM-47型瞬变电磁仪。该仪器已经在全国成 功的利用于煤矿井下含水情况的探测，具有抵抗干 扰能力强，稳定性好，精度高的特点，其技术指标 是同类型仪器中最高，具有较大的探测范围。 该仪器主要由2部分组成，信号发射部分及信号 接收部分。信号发射部分由发射机和发射电缆连接而 成。信号接收部分由主机和接收线圈（框）组成。 2.2.2现场条件及工作布置 瞬变电磁探测依据煤矿防治水细则及其 他规定要求，并保证以下技术要求①现场停工停 电；②前方无金属物品堆积；③掘进机、皮带等距 离探测区域20 m以上；④探测区域有可供摆放仪 器的空间。在实际测量过程中，探测区域由于处于 掘进巷道迎头位置，故巷道中存在不可拆卸的通风 设施。 依据瞬变电磁具有良好方向性的特点，探测设 计巷道迎头正前0 右侧90。，间隔15。，水平 共7个角度探测;每个角度又进行了垂向3个方向 10、0、-10探测（图3 ）。此次探测共完成 物理测点21个。 2.3数据采集及成图结果 经煤矿井下施工采集，并利用专业的数据导出 软件，形成如图4 图6所示的数据体，分别代表 了垂向10。、0及-10。探测方向。依据图示效 果，其数据质量较好，满足处理要求。 将上述数据利用专业软件处理，进行曲线编 辑、测线反演、成图及测线角度调整后，可用 Suf er软件成图，直观的展示其富水性，图中深色 部分显示为低阻富水区域，各角度成如图7所示。 2.4成果分析 通过分析图7,可圈定2处低阻异常区。一处 52 郭绍华矿井瞬变电磁技术在金谷煤矿探测老空水中的应用2020年第5期 在巷道迎头正前方，另一处位于目标探测区域范 围。为更直观的感受探测成果，将0探测方向成果 图粘贴到CAD中展示，如图8所示。 垂向探测角度示意 图3瞬变电磁探测角度示意 Fig . 3 Transient electro mag netic detectio n ang le 图4 10。探测方向数据示意 Fig . 4 10 detectio n directio n data 1 ▼ - - T-rF 图5 0探测方向数据示意 Fig . 5 0 detectio n directio n data J七 4十％ 图6 -10。探测方向数据示意 Fig . 6 10 detectio n directio n data 10探测方向 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 -0 探测距离/m 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0探测方向 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 -0 探测距离/m -10探测方向 -100 -90 -80 -70 -60 -50 70 -30 -20 -10 -0 探测距离/m 图7瞬变电磁探测各角度Suf er成果图 Fig . 7 Suf er results f ro m vario us ang les o f transient electro mag netic detectio n 图8瞬变电磁探测0探测方向成果图 Fig . 8 Results o f 0 directio n o f transient electro mag netic detectio n 53 2020年第5期 煤炭与化工 第43卷 分析图8可知，在推测采空区位置存在一处低 阻异常区S1,且范围较推断范围较小，由此可 知该范围内存在富水异常区，进一步验证需结合矿 方打钻资料验证。另一处低阻异常区S2位于 巷道延伸正前方方向，由于瞬变电磁反应全空间感 应，判断为巷道内后退掘进机条件干扰所致。 2.5成果论证 在瞬变电磁探测工作结束后，矿方对圈定的 S1异常区进行了打钻验证。打钻结果及圈定的异 常区如图9所示。钻孔资料如下 1号垂巷左偏15。、7 , 0 16m煤一20 m灰岩一22 m煤一28 m黑灰岩一35 m灰 一41 m 煤一46m黑灰岩一56m煤，见空出水。 2号垂巷左偏15。、8 , 060m煤，见 空出水。 3 号顺巷右偏 45。、5 , 0 93 m 106 m黑灰岩，无空无水。 4号顺巷，1 , 0 50 m煤一65 m灰岩， 无空无水。 5号顺巷右偏28。、3。，080m煤，无 空无水。 据实际打钻结果验证，其采空区位置和瞬变电 磁圈定异常区的位置基本一致。且后期对采空积水 区进行了放水处理。放水过程中，水压显示为0.15 MPa,积水较多。 图9矿方设计打钻验证采空积水区示意 Fig . 9 Desig n and drill to verif y the g o af w ater zo ne o f the mine 3结论 在探测工作中，矿井瞬变电磁探测结果和实际 打钻验证结果基本一致，准确的探明了矿方存在的 采空积水区位置，为矿方防治水安全措施的制定及 安全生产提供了有效的技术支持。但瞬变电磁依旧 存在其局限性，对不可确定的富水异常区，需要进 一步结合矿方已知的地质资料和现场条件进行解 析。虽然已知存在富水异常区，但不能准确探明其 含水量及精细解释含水垂向层位。这些问题需要进 _步通过技术、施工及处理等方面改进。 参考文献 [1] 王富群，刘国栋，王绍杰.瞬变电磁法在煤矿老空水探测及 断层含水性评价方面的应用[J].科技资讯，2013 6 120 - 121. 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