多种物探方法在煤矿回采工作面防治中的应用.pdf
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1、第3 2 卷增刊12023年6 月文章编号:10 0 4-4 0 5 1(2 0 2 3)S1-0355-06中国矿业CHINA MINING MAGAZINED0I:10.12075/j.issn.1004-4051.20230166Vol.32,Suppl 1June2023多种物探方法在煤矿回采工作面防治中的应用杨增林,杜平(国能神东煤炭地测公司,内蒙古鄂尔多斯0 17 0 0 0)摘要:煤矿回采工作面在回采过程中,顶底板的水害、回采煤层及回采煤层顶底板岩层的地质构造等容易造成瓦斯突出、水害等严重事故。为了煤矿的安全高效生产,必须探测回采工作面顶板的含水性和顶板以及回采工作面内部的地质构
2、造情况。以神东某矿12 4 0 7 工作面为例,利用音频电穿透法、坑道无线电波透视法和瞬变电磁法三种工作面物探方法对顶板和工作面内部进行探测。通过音频电穿透法和瞬变电磁法相结合探查回采工作面顶板富水性以及地质构造情况;通过坑道无线电波透视法和瞬变电磁法相结合探查回采工作面内部富水性以及地质构造情况。三种物探方法探测成果进行相互对比分析、验证和总结,有效地探查了12 4 0 7 工作面顶板和工作面内部的富水性以及地质构造情况。三种物探方法施工简单、施工效率高,探测成果相互补充,有效地圈定了地质异常体的位置和范围,为煤矿安全高效生产、灾害防治提供可靠的依据。关键词:音频电穿透法;瞬变电磁法;坑道无
3、线电波透视法;富水性;地质构造;灾害防治中图分类号:TD166Application of various geophysical methods in the prevention and(Geological Survey Company,Shendong Coal,CHN Energy,Ordos 017000,China)Abstract:During the mining process of coal mining working face,the water damage of roof and floor,thegeological structure of the coal
4、seam and the rock formation of the roof and floor of the mining coal seam arelikely to cause serious accidents such as gas outburst and water damage.For the safe and efficient productionof coal mines,it is necessary to detect the water content of the roof of the working face and the geologicalstruct
5、ure of the roof and the interior of the working face.Taking the 12407 working face of a mine inShendong as an example,the roof and the interior of the working face are detected by three working facegeophysical exploration methods:audio frequency electric penetration method,tunnel radio wave perspect
6、ivemethod and transient electromagnetic method.The water-rich roof and geological structure of the miningface are explored by the combination of audio frequency electric penetration method and transientelectromagnetic method;geological structure.The detection results of the three geophysical methods
7、 arecompared,analyzed,verified and summarized,and the water richness and geological structure of the roof andinterior of the 12407 working face are effectively probed.The three geophysical exploration methods havesimple construction,high construction efficiency,and complementary detection results,ef
8、fectively delineatingthe location and scope of geological anomalies,providing a reliable basis for safe and efficient production anddisaster prevention in coal mines.Keywords:audio frequency electric penetration method;transient electromagnetic method;tunnel radiowave perspective method;water-rich;g
9、eological structure;disaster prevention and control文献标识码:Acontrol of coal mining faceYANG Zenglin,DU Ping收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 0引用格式:杨增林,杜平.多种物探方法在煤矿回采工作面防治中的应用 J.中国矿业,2 0 2 3,3 2(S1):3 5 5-3 6 0.YANG Zenglin,DU Ping.Application of various geophysical methods in the prevention and control of coal minin
10、g faceJJ.China MiningMagazine,2023,32(S1):355-360.责任编辑:刘硕3560 引 言在煤矿回采过程中,矿井水害和复杂的地质构造都会影响煤矿安全高效生产,因此,煤矿的防治水工作和探查复杂的地质构造情况的工作相当重要 1-3 。煤矿防治水细则规定:严格执行井下探放水“两探”要求,采掘工作面超前探放水应当同时采用钻探、物探两种方法,做到相互验证,查清采掘工作面及采空区区域、周边含水层富水性、以及积水等情况4。目前,井下回采工作面常用的物探方法有音频电穿透法和坑道无线电波透视法 5 。音频电穿透法在探查工作面顶底板富水性有一定的效果,但是由于井下的干扰因素
11、较多,探测效果会有所下降 6-7 ;坑道无线电波透视法在探查工作面内部的地质构造情况有一定的效果,但是由于回采工作面宽度逐渐增大,无线电波要穿透工作面必须降低频率,但是降低频率以后其分辨率会下降,探测效果随之减弱 8 10 1。瞬变电磁法在矿井物探中的应用越来越广泛,理论研究也飞速发展。牛之琏等 11-14 对瞬变电磁的理论、数值模拟计算等进行了大量研究,并且在煤田地质勘探、采空区探查中进行针对性应用,取得了很好的效果;李松峰等 15 利用瞬变电磁法和无线电波透视法探查了煤矿水害情况;刘平喜等 16 1运用瞬变电磁法在井下富水采空区进行了探查应用,达到了很好的效果。根据常用的两种工作面物探方法
12、音频电穿透和坑道无线电波透视法进行探测,再利用瞬变电磁法进行探测,以音频电穿透和坑道无线电波透视法为主,瞬变电磁法为辅,三种物探方法探测成果彼此相互对比、分析、借鉴,得出更精确的探测结果。以神东某矿12 4 0 7 工作面为例,运用三种物探方法探测工作顶板上方基岩含水层的富水性及工作面内部地质构造分布情况,为下一步防治水与工作面回采工作提供参考依据。1方法原理1.1音频电穿透法由于井下各种岩(矿)石导电性不同,进而影响人工电场的分布形态。煤系地层在正常组合条件下,在纵向与横向上的物理特性都有固定的变化规律 17 。当构造发育时,一般会出现层位错动和裂隙充水。裂隙充水类似于局部出现有明显的含水构
13、造,井下裂隙水的导电性良好,会造成含水构造与围岩在电性上表现出较大差异,从而在横向与纵向上都打破了原有地层电性的变化规律。电法探测技术是研究以导电性差异变化特征为基础的,矿井音频中国矿业电穿透法就是利用专门的仪器在井下观测井下人工场源的分布规律和变化特征来达到解决地质问题的目的,矿井音频电穿透法仍属矿井直流电法 18-19 ,但因其施工方法、资料处理技术的差别及主要针对性(探测回采工作面内部含水性异常)等和直流电法的不同,从而形成矿井音频电穿透法分支。1.2坑道无线电波透视法坑道无线电波透视法又称坑透法,电磁波在地下岩层中传播时,由于各岩矿石的介电常数和电阻率不同,使得其对电磁波的能量吸收不同
14、,低阻岩层对电磁波吸收较强,高阻岩层对电磁波吸收较弱2 0 1。当电磁波在地下岩层传播时遇见构造(如断层、陷落柱等)会在其断面产生反射和折射作用,造成电磁波能量的损耗,故通过探测电磁波的能量损耗可以推断对应的高、低阻岩层以及复杂的地质构造情况。1.3瞬变电磁法瞬变电磁法以岩石的导电性差异为基础,利用接地或不接地回线向探测目标体发送脉冲电流作为场源,激励探测目的物感生二次电流,在脉冲间隙测量二次场随时间的响应,从而了解探测目标体介质的电性变化情况 2 1。在电流断开之前,发射电流在回线周围的空间中建立起一个稳定的磁场。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激发出感应
15、二次场。由于感应二次场的衰减规律与地下地质体的导电性有关,导电性越好,二次场的衰减越慢;导电性越差,二次场衰减越快。因此,通过分析研究二次场的衰减规律即可达到探测地下地质异常体的目的 2 2 。2工程量2.1音频电穿透法工程量12407工作面,工作面长2 5 5 4.2 m,工作面宽300.2m(图1)。音频电穿透法物探工程起点为工作面切眼,终点为工作面回撤通道,总施工长度2554.2m。运输顺槽、回风顺槽均进行施工,运输顺槽布置测量点2 5 6 个,回风顺槽布置测量点2 5 6 个。采用f=120Hz和f=15Hz双频点施工,探查工作面顶板0 6 0 m、6 0 12 0 m 深度层段含水层
16、的富水异常区的平面位置、形态及含水性的相对强弱。2.2坑道无线电波透视法工程量坑道无线电波透视法施工是从切眼到回撤通道方向进行,探测长度为2 5 5 4.2 m。发射点距5 0 m,接收点距10 m,采集供电点对应前后10 0 m范围内的数据,对应巷道的一定区段进行扇形扫描接收,探查工作面内断层、陷落柱及煤层变薄带的延展范围。第3 2 卷增刊12.3眼瞬变电磁法工程量瞬变电磁法施工共有四条测线:第一条测线是在回风顺槽施工,从切眼到回撤通道,一共有2 5 6 个测点,探测方向为正邦顶板(发射线圈平面和顶板平面夹角3 0);第二条测线是在回风顺槽施工,从切眼到回撤通道,一共有2 5 6 个测点,探
17、测方向为正邦顶板(发射线圈平面和顶板平面夹角6 0);第三条测线是在回风顺槽施工,从切眼到回撤通道,一共有256个测点,探测方向为正邦(发射线圈平面和顶板平面夹角9 0);第四条测线是在主运顺槽施工,从切眼到回撤通道,一共有2 5 6 个测点,探测方向为正邦(发射线圈平面和顶板平面夹角9 0)。3物探成果分析3.1音频电穿透资料解释根据层析成像原理,利用供电点到测量点的电压降,重建回采面的电性变化,通过多次迭代求出电导率近似解。通过计算成图得出12 4 0 7 工作面顶板300-号异常200-10000Fig.2 Results of 0-60 m audio frequency electr
18、ic penetration of the roof of 12407 working face in a coal mine300-200常10000Fig.3 Results of 60-120 m audio frequency electric penetration of the roof of 12407 working face in a coal mine电磁波场强衰减系数300-PDC5200DC1100QS600杨增林,等:多种物探方法在煤矿回采工作面防治中的应用某煤矿12 4 0 7 工作面图1某煤矿12 4 0 7 工作面示意图Fig.1 Schematic diagr
19、am of 12407 working face of a coal mine12408回风顺槽?号异常?号味常5001000图2 某煤矿12 4 0 7 工作面顶板0 6 0 m音频电穿透成果图号异常号常号异常5001000图3 某煤矿12 4 0 7 工作面顶板6 0 12 0 m音频电穿透成果图DC25001000图4 某煤矿12 4 0 7 工作面无线电波透视成果图Fig.41Radio wave perspective results of 12407 working face in a coal mine35706 0 m 音频电穿透成果图(图2),12 4 0 7 工作面顶板6
20、0 12 0 m音频电穿透成果图(图3)。通过图2可以圈定6 个异常区,位置相对集中,其中,号异常区、号异常区异常幅值中等,号异常区、号异常区、号异常区、号异常区异常范围较大且幅值相对较强。通过图3 可以圈定10 个异常,位置较为分散,其中,号异常区号异常区异常幅值中等,号异常区异常幅值相对较强。3.2坑道无线电波透视资料解释无线电波透视相对衰减层析成像技术对数据进行处理,相对衰减层析成像是用相对衰减算法进行层析处理,以电磁波场强衰减系数在工作面中的相对分布进行异常图像的重建,得出12 4 0 7 工作面无线电波透视成果图(图4)。通过图4 可以看出7 处明显的相对衰减较强异常区,分别编号为D
21、C1号异常、DC2号异常、DC3号异常、DC4号异常、DC5号异常、QS6号异常、QS7号异常。12407主运顺槽12407回风顺槽5号异常?号常150012406运输顺槽12408回风顺槽?号异常号昇常号常150012406运输顺槽2 0 0 012408回风顺槽DC3DC4150012406运输顺槽2 0 0 05.2号常3.73.22.72.0002.500岩石电导率色标5.20号异常2.725000.0.008.800.004QS7.0038.0020.001250000.0013583.3瞬变电磁资料解释对采集的数据进行去噪处理,根据晚期场公式将电流归一化值转换成不同的时间窗口所对应
22、的视电阻率值,然后进行时深转换处理,得到各个测线视电阻率断面图。第一条测线的瞬变成果图为12 4 0 7100十500100+500300-292001000Fig.7 Transient electromagnetic results of 12407 return air and main transport trough roof at 90 in a coal mine通过图5 可以看出有5 个低阻异常区,分别为I异常区、异常区、异常区、IV异常区、V异常区,其中,I异常区、异常区、V异常区、V异常范围大,幅值强;号异常范围相对较小,幅值中等。通过图6 可以看出有5 个低阻异常,分别为
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