瞬变电磁法在梨园矿井下富水性探测中的应用.pdf

2 0 1 0年1 2月 矿 业 安 全 与 昧 保 第3 7 卷第6 期 瞬变电磁法在梨园矿井下富水性 探测中的应用 别玉平 ， 邢 学玲 ( 1 ． 中平能化公司梨园矿， 河南 汝州 4 6 7 5 3 3 ； 2 ． 河南理工大学， 河南 焦作 4 5 4 0 0 0 ) 摘 要： 应用瞬变电磁技术， 采用非接触 式、 多匝数的正方形重叠回线装置， 查明了宁庄井2 1 0 3 1工 作面风巷和机巷及其掘进迎头的富水情况。通过工作面掘进 资料验证， 表明瞬变电磁法在井下巷道及 掘进迎头水害体发育情况探测 中不仅行之有效， 而且 明显优越于其他矿井物探方法， 并能为井下注浆等 防治水措 施提供 可靠 的依 据 。 关键词 ： 井下瞬变电磁法； 富水性探测； 超前探测 ； 扇形探测 中图分类号： T D 7 4 5 ： P 6 3 1 ． 3 文献标志码： C 文章编号 ： 1 0 0 8— 4 4 9 5 ( 2 0 1 0 ) 0 6— 0 0 7 2— 0 3 水害是影响煤矿安全生产的主要灾害之一。在 矿井开采过程 中， 如何探测井下岩层 的富水性和查 明采掘工作面前方及顶板富水异常 区位置 ， 一直是 工程水害问题研究的热点。矿井瞬变电磁法是 目前 地球物理探测领域应用前景广 阔的新型探测方法， 凭借其近距离观测 、 体积效应小 、 方向性强 、 分辨率 高、 对低阻区敏感、 施工快速 的优点， 已成 为煤矿水 害探测的最佳选择 。 为了准确把握井下工作面 、 断层等的富水情况 ， 确保安全生产 ， 结合梨园宁庄矿井底板承压水的具 体情况， 采用澳大利亚产 T e r r a T E M 型瞬变 电磁仪 ， 在 2 1 0 3 1工作面首次进行 了瞬变电磁探测 ， 查明风 巷和机巷及其掘进迎头的富水性 。 1 矿 井瞬变 电磁 法基本原理 矿井瞬变 电磁法的基本原理就是 电磁感应 定 律 ， 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 。断电 后 ， 由于该 电流 产 生 的磁 场 也立 即 消失 ， 一次磁场 的剧烈变化通过巷道 内空气和周 围 导电介质传至 回线周 围的岩层中， 并在岩体 中激发 出感应电流以维持发射 电流断开之前存在的磁场 ， 收稿 日期 ： 2 0 1 0— 0 3— 2 6 ； 2 0 1 0— 0 6—1 9修订 作者 简 介 ： 别 玉平 ( 1 9 6 5 一 ) ， 男， 河 南 内 乡人， 工程 师， 1 9 8 7年毕业于焦作矿业 学院 ， 现 任平煤集 团公 司梨 园矿 总工 程师。 72 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。 矿井瞬变电磁法为全空 间瞬变响应 ， 这种瞬变 响应是来 自回线平面上下 ( 或两侧 ) 地层。感应电流 呈环带状分布， 随着 时间推移， 该电流环 向外扩散 ， 并逐渐变形为圆电流环。等效电流环像从发射 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” ， 见图 l 。因此 ， 基于瞬变 电磁场 “ 烟圈效应” 理论 ， 推导出矿井瞬变电磁法全空间视 电阻率 p的计算公式如下 。 ： ，—一 — 、 、 ： = = ． ． =： ) 一／ 力 √ o 7 ．一 茎 ． ：： 一I ： ： ： ， ， ， ： ： ： ： 、 、一 ～一 _、 图 1 矿井瞬变 电磁全空间烟圈效应 图 p ： c ( ) 力 =6 ． 3 21 0 I 1 C ( S N) ／ 3 ( WI ) _ 2 ／ 3 t I 5 ／ 3 式中： C为全空间响应系数 ； 为磁导率 ； |s为接收回 线线圈面积 ； Ⅳ为线 圈匝数； t 为二次场 衰减时 间； V ／ I 为 归一化二次场电位值。 2 0 1 0年 1 2月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 7卷第6期 2工作面概况 宁庄井主采煤层为二叠系山西组二， 煤层 ， 底板 寒武 系 灰岩 水 水 压 高， 水 文地 质 条 件 比较 复 杂。 2 1 0 3 1 工作面机巷和风巷长度分别为 1 9 0， 5 7 0 m， 采 用 u型钢支架支护 ， 机巷 内布置了运输机 ， 风巷内布 置 了轨道 。 3 探测方案设计 为了探测 2 1 0 3 1工作面机巷 、 风巷底 板及机巷 迎头前方是否存在富水异常区域 ， 依据瞬变 电磁场 “ 烟圈效应” 理论 ， 结合井下巷道的实际条件 ， 采用边 长为 2 m 2 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。采样时窗为 t一3 4， 叠加次数 1 2 8 ， 时间采用 标准时间序列。 在 2 1 0 3 1工作面机巷内探测实际长度为 1 9 0 m， 布置 2 0个测点 ， 编号依次为 0 ， 1 ， 2 ， ⋯， 1 9； 风巷内探 测实际长度 为 5 7 0 m， 布置 5 8个测点 ， 编号依次为 0 ， 1 ， 2 ， ⋯ ， 5 7 。在机巷迎头沿顺层方 向进行超前探 测工作时 ， 布置 5个测点 ， 具体形式如图 2所示。 巷道 断面 —- ——— 发射 线框 探 测方 9 I 底板 图 2 瞬变 电磁法超前探测 测点布置及探测方 向 在风巷掘进迎头进行超前 探测工作时 ， 迎头测 点间距为 1～ 5 m， 每个测点 向 3个不同的方 向进行 探测 ( 见图 3 ) 。根据多匝小线框发射 电磁场的方 向 性 ， 线框平面法线方 向即为瞬变探测方 向。因此 ， 将 发射接收线框平面分别对准煤层底板或平行煤层方 向进行探测 ， 就可反 映煤层底板岩层或平行煤层 内 部的地质异常。为了更加精确地探测巷道迎头前方 各个方位的地质异常情况 ， 在迎头处加密测点进行 测量 ， 具体布置形式如图 3所示 。 4 探 测结果分析 4 ． 1 机巷 掘进 迎头超 前 探测 图 4为机巷掘进迎头超前探测煤层顶板赋水性 视 电阻率等值线拟断面图， 从中可看 出， 巷道迎头正 前方测点对应的视电阻率等值较高 ， 而 2 1 号和 2 5号 图 3 瞬变 电磁法测点布置示 意图 0 1 测点对应的视 电阻率值相对较低 ， 这主要是 由于两 侧工字钢支护的影响所造成 的。整个视 电阻率等值 线 图没有出现 明显的扰动异常区域 ， 表明机巷掘进 迎头前方在探测范 围内无富水地质构造存在 ， 巷道 在迎头前方 1 1 0 m以内可继续向前安全掘进 。 2 1 0 2 2 0 2 3 0 2 40 2 5 0 图4 机巷超前探测视电阻率等值线图 4 ． 2 风巷 掘进 迎 头超前 探测 以巷道中点 向两侧 的实际宽度为横坐标 ， 相对 于巷道迎头 的实际探测距离为纵坐标 ， 将 2 1 0 3 1工 作面风巷迎头每个测点的探测数据按实 际位置坐标 绘在平面图上 ， 沿底板 、 顺煤层以及顶板方 向视 电阻 率等值线与相应的探测方向如图5 —7 所示。 综合分析以上各 图， 风巷掘进迎头正前方探测范 围内视电阻率变化较为均匀 ， 视电阻率等值线无明显扰 动异 常。表 明该巷道 迎头底板 、 顺煤层以及顶板方 向在 探测范围内地层连续性较好 ， 无富水地质构造存在。巷 道可在迎头前方 1 1 0 m以内继续向前安全掘进。 根据工作面掘进 验证 ， 宁庄井 2 1 0 3 1工作 面机 巷 、 风巷在掘进过程中， 实际情况与瞬变 电磁法探测 的结果一致 ， 表明瞬变电磁探测结果准确 。 73 霉 ： 踟 枷 邢 铷 蜘 2 0 1 0年 l 2月 矿 业安 全 与环 保 第3 7卷第6期 l 2 0 — 1 0 0 — 8 0 — 6 0 — 4 0 — 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 l O 0 l 20 } ’ 一 发射线相 巷道断面 ／ - ＼ 巷道掘进方向 f ＼ ＼ ／ 6 0 。 。 探 测 方 图5 底板方向视电阻率等值线图及探测方向 煤 层 底 板 一 1 2 0． 1 O 0 ． 8 O 一 6 0 — 4 0 — 2 O o 2 0 4 O 6 0 8 O 1 0 O 1 2 O 图 6 顺煤层方向视电阻率等值线 图及探测方向 探 测方向 ， 一 ， 道掘进 方向 巷道断面， ／ 发 射鳙 I l 6 0 。 l 一 l 2 O ． 1 O O 一 8 0 — 6 O 一 4 0 — 2 0 0 2 0 4 O 6 O 8 O 1 0 O 1 2 O 图7 顶板方向视电阻率等值线图及探测方向 5结论 利用瞬变电磁法探测梨园矿宁庄井 2 1 0 3 1工作 面 的富水 地质构造 ， 结果 表 明 ， 机巷 和 风巷 掘进 迎头 前方在探测范围内无富水性地质构造存在 ， 巷道在 迎头前方 1 1 0 m以内可继续向前安全掘进。在工作 面掘进过程中发现 ， 实际结果与探测结果一致 ， 瞬变 电磁的探测结果准确 ， 可以在狭小的巷道迎头空间 中工作和数据采集 ， 不影 响煤 矿巷道 的正常掘进。 同时 ， 通过改变回线装置的平面倾角 ， 可以向巷道周 围空间任意方向( 图 1中 轴方 向)进行探测。 7 4 ． 煤 层底 板 参考文献 ： [ 1 ] 陈永新， 李永军， 李小明．瞬变电磁法在矿井水害超前探测 中的应用[ J ] ． 华北科技学院学报， 2 0 0 8 ， 5 ( 1 ) ： 1 7 — 2 o ． [ 2 ]于景邮 ， 刘志新 ， 汤金云． 用瞬变电磁法探查综放工作 面 顶板水体的研究[ J ] ． 中国矿业大学学报， 2 o 0 7 ， 3 6 ( 4 ) ： 5 42—5 46． [ 3 ]刘志新， 岳建华， 刘仰光． 扇形探测技术在超前探测中的应 用研究[ J ] ． 中国矿业大学学报， 2 0 0 7 ， 3 6 ( 6 ) ： 8 一 8 2 5 ． [ 4 ]李文峰． 瞬变电磁技术在邢台矿区防探水中的应用[ J ] ． 中国煤炭地质 ， 2 0 0 8 ， 2 0 ( 8 ) ： 6 2— 6 4 ． ( 责任编辑： 吕晋英) m ∞ 知 ∞ 如 ∞ 如 加 m 0 m ∞ ∞ ∞ 加 ∞ ∞ ∞ 加 m 0 m ∞ 舳 ∞ 如 ∞ 如 加 m 0