用瞬变电磁法探查综放工作面顶板水体的研究.pdf

第36卷 第4期 中国矿业大学学报 Vol. 36No. 4 2007年7月 Journal of China University of Mining 国家自然科学基金项目40674074 作者简介于景邨19662 , 男,安徽省无为县人,副教授,工学博士,从事地球探测与信息技术方面的研究. E2mail yujcun Tel 0516283591012 文章编号10002196420070420542205 用瞬变电磁法探查综放工作面 顶板水体的研究 于景邨,刘志新,汤金云,王杨州 中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 221116 摘要随着机械化综采设备在煤炭开采中的普及,对煤层顶板管理要求愈来愈高,其中煤层顶板 水害体的发育将影响综采设备充分发挥效能,甚至会威胁工作面安全回采.提前查明煤层顶板水 害体发育位置,为在井下布置探放水钻孔提供依据,是目前矿井地球物理勘探亟待解决的问题. 基于地面瞬变电磁法理论及应用技术,根据井下实际应用环境,研究出采用非接触式、 多匝数的 正方形重叠回线边长2 m左右装置探测工作面顶板水害体发育位置.依据瞬变电磁场“烟圈 效应“理论和物理模拟相似准则,推导出全空间瞬变电磁法视电阻率计算数学模型,并对矿井瞬 变电磁探测综放工作面顶板水害技术进行了研究.采用矿井瞬变电磁技术查明综放工作面顶板 水害体发育位置,通过井下疏放水钻孔和工作面回采资料验证,该方法探测综放工作面顶板水害 体发育的空间位置不仅行之有效,而且明显优越于其它矿井物探方法. 关键词综放工作面;矿井瞬变电磁;顶板;水害体 中图分类号P 631文献标识码A Transient Electromagnetic Detecting Technique for Water Hazard to the Roof of Fully Mechanized Sub2Level Caving Face YU Jing2cun , LIU Zhi2xin , TANGJin2yun , WANG Yang2zhou School of Resources and Geoscience Science , China University of Mining mine transient electromagnetism ; roof ; wa2 ter hazard 综放工作面顶板突水是煤层上覆水源在采煤 过程中通过顶板冒落、 放顶垮落和断裂构造等引起 的 “通道” 涌入工作面的一种水害事故.从水源来讲 顶板突水主要包括地表水、 冲积层水、 老空水和砂 岩水等[1].在我国华北东部矿区由于采掘煤工作面 顶板突水事故经常发生,致使工作面停产,综采设 备被迫搬家,不仅影响正常生产,同时造成较大经 济损失.因此,综放工作面水害体预报和煤层顶板 砂岩含水层的合理疏放水是保证综放工作面安全 回采关键.为了减少或杜绝综放工作面顶板水害事 故发生,回采之前需要在工作面巷道内布置钻空进 行疏放水,但由于没有明确的水害体发育位置,打 钻放水效果往往不明显.以往探查煤层顶板水害体 的矿井地球物理勘探方法主要由矿井直流电测深 法和音频电透视技术.由于综放工作面煤层一般较 厚在3 m以上 , 巷道一般紧贴煤层底板布置,巷 道高度在2 m左右,因此,巷道顶板仍然是煤层, 使得需要采用在巷道顶板布置电极,从而在煤层顶 板岩层内建立物理场的矿井直流电测深法和音频 电透视技术方法施工很困难.同时由于煤层的高阻 屏蔽影响煤层电阻率一般比其顶板岩层高 , 这两 种方法在煤层顶板以上建立的地球物理场很难扩 散到冒落带范围内的水害体位置.基于时间域电磁 场易穿透高阻介质的特点,采用非接触式、 多匝数 的正方形重叠边长2 m左右回线装置的矿井瞬 变电磁法探查综放工作面顶板水害体,通过在多个 矿井实际应用,取得了明显的地质效果. 1顶板突水机理及方法选择依据 综放工作面煤层开采以后,由于在地下形成采 空空间,如果没有专门顶板控制技术,则必然造成 采空区上方岩层的变形、 移动、 破坏,甚至形成开 裂、 离层或碎块状垮塌,开采煤层愈厚,涉及范围愈 大.就一般规律而言,采空区向上方依次可划分出 垮落带、 断裂带和弯曲带.从矿床水文地质角度分 析,可以把工作面顶板简单划分为垮落断裂带和弯 曲带.顶板垮落断裂带形成的导水裂隙属典型的采 矿扰动类导水通道,当顶板裂隙沟通工作面或巷道 上覆含水层体时,矿井突水则不可避免[2].此外, 当工作面内断裂构造发育时,在煤层没有开采前, 一般不会将顶板水导入工作面.在煤层开采后,由 于垮落断裂带形成,致使工作面内一些张性断裂构 造活化,其断裂带发育高度会明显向上延伸,往往 超过理论计算的防水煤柱高度,甚至破坏顶板隔水 层,导通与煤层相邻的间接充水层,将其中的水直 接溃入矿井. 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,黏土岩类最低.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.当综采工作面煤层顶板岩层断 层和裂隙等地质构造发育时,都将打破地层电性在 纵向和横向上的变化规律,当断层和裂隙含水时, 与围岩导电性差异更大,为以岩石导电性差异为物 理基础的矿井瞬变电磁法提供了良好的地质条件. 2矿井瞬变电磁法基本理论 2. 1基本原理 矿井瞬变电磁法是利用不接地回线于井下巷 道内设置通以一定电流的发射线圈,在其周围空间 产生一次电磁场,并在巷道周围导电岩矿体中产生 感应电流.在电流断开之前,发射电流在回线周围 空间中建立起一个稳定的磁场.在时间t 0时刻, 将电流突然断开,由该电流产生的磁场也立即消 失.一次磁场的这一剧烈变化通过巷道内空气和周 围导电介质传至回线周围的岩层中,并在岩层中激 发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁 场,使空间的磁场不会即刻消失.由于介质的热损 耗,直到将磁场能量消耗完毕为止. 由于电磁场在空气中传播的速度比在导电介 质中传播的速度大得多,当一次电流断开时,一次 磁场的剧烈变化首先传播到发射回线周围巷道顶、 底板和侧帮,因此,最初激发的感应电流局限于巷 道附近岩层中.巷道附近各处感应电流的分布也是 不均匀的,在紧靠发射回线一次磁场最强的巷道 顶、 底板处感应电流最强.随着时间的推移,巷道周 345 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 中国矿业大学学报 第36卷 围的感应电流便逐渐向外扩散,其强度逐渐减弱, 分布趋于均匀.研究结果表明,任一时刻巷道顶、 底 板导电岩层中涡旋电流在巷道内产生的磁场可以 等效为一个水平环状线电流的磁场.在发射电流刚 关断时,该环状线电流紧挨发射回线,与发射回线 具有相同的形状.随着时间推移,该电流环向外扩 散,并逐渐变形为圆电流环.等效电流环象从发射 回线中 “吹” 出来的一系列 “烟圈”,因此,将巷道顶、 底板导电岩层中涡旋电流向外扩散的过程形象地 称为 “烟圈效应”如图1所示 [325] . 图1地下感应电流环带分布 Fig. 1Circle distribution of underground induction current 2. 2矿井瞬变电磁法测量装置 由于矿井瞬变电磁法测量环境与地面差别很 大,测量回线装置不能按地面条件选择.一是井下 目的物距离测点较近巷道附近150 m以内 , 二 是井下测量环境完全不同于地面,不能采用地面常 用的各种测量装置一般边长在20～1 000 m左 右应用于井下,只能采用边长在2 m左右的回线 测量装置.由于井下巷道顶、 底板和侧帮受巷道掘 进过程的破坏,巷道四面岩层表面为疏散状态,采 用接触方式建立地球物理场的矿井直流电测深法 和音频电透视技术在布置电极时较为困难,因为电 极接地处理不好,接地电阻偏大,影响电流场向巷 道周围岩层内扩散.通过物理模拟和井下试验,研 究出采用非接触式、 多杂数的正方形重叠回线测量 装置边长2 m左右应用于井下巷道内图2 ,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,可提高信噪比,有利于异常的识别;图3 为重叠回线测量装置一次电磁场在地下分布图,图 中带箭头实线为磁力线,无箭头弧形曲线为电性界 面.图中发射回线的中心位置,磁力线分布集中,且 垂直回线平面.在回线边附近,磁力线分布相对稀 疏,磁力线呈半球状分布.如果煤层顶板存在导电 介质赋水体 , 根据电磁感应定律,切割磁力线数 愈多或面积大 , 测量回线中感应信号愈强,由此 可见,在回线中心位置的水平导电体感应信号最 强,即重叠回线对与回线面平行的低阻体反映灵 敏. 图2测量装置示意 Fig. 2Diagram of the detecting device 图3重叠回线一次场强度和方向分布 Fig. 3Diagram of primary field intensity and direction distribution of superimposed loops 综上所述,矿井瞬变电磁法探测工作面顶板水 害体,采用重叠回线测量装置进行测量,既有理论 基础,又有物理模拟依据,而且具有轻便、 快速、 与 煤层顶板赋水体具有最佳偶合作用等特点. 2. 3矿井瞬变电磁视电阻率 由于矿井瞬变电磁探测是在地下几百米深度 的井下巷道内进行,其瞬变电磁测量装置接收回线 中的感应电位为巷道周围全空间有效探测范围内 所有岩层导电性的综合响应.因此,基于瞬变电磁 场“烟圈效应“理论和物理模拟相似性准则[6],推倒 出矿井瞬变电磁法全空间视电阻率计算公式[729] ρτ C μ0 4πt 2μ0SN 5tV/ I 2/3 C6.3210 -12 SN 2/3 V/ I -2/3 t -5/3 ,1 式中C为全空间响应系数; S为接收回线线圈面 积; N为线圈匝数;t二次场衰减时间;V/ I为归一 化二次场电位值. 3矿井瞬变电磁探测技术及应用实例 3. 1矿井瞬变电磁探测技术 矿井瞬变电磁探测采用的仪器为澳大利亚产 TerraTEM型瞬变电磁仪,该仪器具有抗干扰、 轻 便、 自动化程度高等特点.数据采集由微机控制,自 动记录和存储,与微机连接可实现数据回放.根据 矿井水文地质资料分析,确定工作面顶板可能赋水 岩层垂直距离煤层的位置,依据瞬变电磁场 “烟圈 445 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第4期 于景邨等用瞬变电磁法探查综放工作面顶板水体的研究 效应” 理论,结合井下巷道的实际条件,矿井瞬变电 磁法探测采用边长为2 m2 m正方形多匝重叠 回线装置,发射线框和接收线框分别为匝数不等、 且完全分离的2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.将测量装置布置在巷道 靠近工作面煤帮,设计探测方向如图4所示对应 图1中Z轴方向 , 确保工作面顶板可能赋水岩层 在一次场辐射的锥体范围内,如果岩层赋水,根据 电磁感应定律,在水体上将产生比不赋水岩层更强 的感应涡流场.如果赋水岩层不在一次场辐射的锥 体范围内,将不会产生较强的感应涡流场.因此,矿 井瞬变电磁探测方向设计的准确性直接关系到其 探测效果[10211]. 图4探查方向示意 Fig. 4Diagram of detecting direction 3. 2应用实例 图5为某矿综放工作面在机巷采用矿井瞬变 电磁探测煤层顶板赋水性视电阻率等值线拟断面 图,图中横坐标为机巷内靠近工作面侧帮布置测点 坐标,纵坐标为探测方向的距离,图中等值线数值 为视电阻率值,单位为Ωm.分析图5中视电阻率 等值线变化规律可以看出在探测方向距离纵坐 标小于50 m左右垂向距离煤顶板小于30 m左 右、 工作面顶板大部分范围视电阻率等值线沿巷 道走向整体变化平缓,无明显低阻异常反映,说明 顶板对应岩层电性横向稳定;在沿探测方向大于 50 m范围垂向距离煤顶板大于30 m左右 , 视电 阻率等值线横向变化较大,局部视电阻率等值线呈 低阻反映,说明煤层顶板对应位置岩层可能赋水. 低阻异常区发育位置横坐标分别在30～70 m之 间Ⅲ异常区、280～330 m之间Ⅱ异常区和 390～440 m之间Ⅰ 异常区视电阻率等值线最小 数值在2Ωm ,根据以往矿井瞬变电磁探测结果和 实际回采验证资料分析,3个低阻异常区赋水,其 视电阻率等值线数值愈低、 发育范围愈大,赋水性 愈强. 图5某矿综放工作面顶板赋水性矿井瞬变电磁探测视电阻率等值线拟断面 Fig. 5Apparent resistivity isoline pseudo2section map for the fully mechanized sub2level caving face of a certain coal mine 根据工作面回采过程中出水情况对比分析,在 工作面推进到 Ⅰ 号异常区过程中,顶板最大出水量 达78 m3/ h.工作面继续推进过 Ⅰ 号异常区后水量 逐渐减小至20 m3/ h左右;当工作面推进到 Ⅱ 号异 常区时,顶板瞬时出水量达46 m3/ h ,工作面继续 推进过 Ⅱ 号异常区后水量逐渐减小至28 m3/ h左 右;当工作面推进到 Ⅲ 号异常区时,顶板瞬时出水 量达58 m3/ h ,目前工作面回采结束,采空区仍有 30 m3/ h左右水量.根据工作面回采过程中出水和 出水点位置,对比图5中分析的3个赋水异常区可 以看出,采用矿井瞬变瞬变电磁法可以在工作面回 采前查明顶板赋水异常区,为矿井防治水工作提前 采取有效措施提供依据. 4结论 1 通过对综放工作面顶板出水机理分析,选 择矿井瞬变电磁法探测工作面顶板水害体位置,实 际应用证明该方法效果明显; 2 根据矿井瞬变电磁在井下巷道探测的实际 环境,研究出采用非接触式、 多匝数和正方形小回 线边长2 m左右测量装置探测工作面顶板水害 体,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,有利于异常的识别. 而且该装置与其它矿井物探方法相比具有轻便、 快 速和对低阻体反映灵敏等特点,特别适用于矿井下 545 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 中国矿业大学学报 第36卷 探测巷道周围空间赋水体; 3 基于瞬变电磁场“烟圈效应“理论和物理模 拟相似性准则,推导出全空间瞬变电磁视电阻率计 算公式,通过对实际测量数据计算,可定性确定工 作面顶板赋水异常区发育范围; 4 对矿井瞬变电磁法探测综放工作面顶板水 害体技术进行了研究.采用矿井瞬变瞬变电磁法可 以在工作面回采前查明顶板赋水异常区,为矿井防 治水工作提前采取有效措施提供依据; 5 由于瞬变电磁法关断效应影响,与其它矿 井物探方法相比,无法探测到巷道附近更浅部的异 常体,巷道附近25 m左右范围为探测盲区. 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].徐州中国矿业大学出版社,2006 325. [2]虎维岳.矿山水害防治理论与方法[M].北京煤炭 工业出版社,2005 18219. [3]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京 地质出版社,1998 729. [4]L EE T. Estimation of depth to conductors by the use of electromagnetic transients [J ].Geophysics , 1977 65 61275. [5]RAICHE A P , GALLAGHER R G. Apparent resis2 tivity and diffusion velocity [J ]. Journal of Applied Geophysics ,2000 ,44 162821633. [6]KAUFMAN A A , KELL ER G V.频率域和时间域 电磁测深[M].北京地质出版社,1987 1672199. [7]于景邨.矿井瞬变电磁法理论与应用技术研究[D]. 江苏徐州中国矿业大学资源与地球科学学院,2000. [8 ]WOLFGRAM P , KARLIK G.Conductivity2depth trans of GEOTEM data [J ].Exploration Geo2 physics ,1995 ,26 1792185. [9]FULLAGAR P K. 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