礦井瞬變電磁法在新驛煤礦的研究應(yīng)用_圖文

1、礦井瞬變電磁法在新驛蛛笙蝗壁魚宴旦礦井瞬變電磁法在新驛煤礦的研究應(yīng)用山東臨礦集團(tuán)新驛煤礦方志明 王傳民 李兆嶺潘廷志摘要新驛煤礦采用礦井瞬變電磁法對(duì)長(zhǎng)溝支五斷層進(jìn)行探測(cè),證明了長(zhǎng)溝支五斷層不合 水且不導(dǎo)水,安全回采了1107和1109兩個(gè)相鄰工作面,通過實(shí)踐證明該方法比較簡(jiǎn)單、可 靠、經(jīng)濟(jì)、適用,具有一定的推廣價(jià)值。主題詞 瞬變電磁法探測(cè)斷層富水性研究應(yīng)用新驛煤礦1107和1109為兩個(gè)相鄰工作面,開采的二疊系下統(tǒng)山西組3t 2煤層。所屬 地層厚度4.28.6m,主要為淺灰、灰白色中、細(xì)砂巖及黑色粉砂巖、泥巖和煤層組成.砂質(zhì)含 量高。1107和1109切眼東側(cè)為長(zhǎng)溝支五斷層(具體相對(duì)位置見測(cè)點(diǎn)

2、布置圖,根據(jù)先期地面 三維物探資料成果提供落差070m,造成深部奧灰同3上2煤層垂向上縮短至llm。為了查 清長(zhǎng)溝支五斷層的富水性、斷層到巷道的距離及可能的導(dǎo)水通道。為工作面的安全回采及礦 井防治水提供可靠的地質(zhì)資料,新驛礦工程技術(shù)人員聯(lián)合中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué) 院專家,共同對(duì)該區(qū)地質(zhì)情況進(jìn)行了認(rèn)真的研究分析,于2006年3月13日采用礦井瞬變電 磁法對(duì)長(zhǎng)溝支五斷層進(jìn)行探測(cè),為工作面安全回采工作提供相應(yīng)的技術(shù)資料。1礦井瞬變電磁法水文探測(cè)技術(shù)基本原理瞬變電磁法或稱時(shí)間域電磁法(Time domain electromagnetic methods,簡(jiǎn)稱TEM。它是 利用不接地回線或接地線

3、源向地下發(fā)射一次脈沖電磁場(chǎng),在一次脈沖電磁場(chǎng)間歇期間,利用 不接地線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法。其基本工作方法是:于地面或并下設(shè)置通以 一定波形電流的發(fā)射線罔,從而在其周圍空間產(chǎn)生一次磁場(chǎng),并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感 應(yīng)電流。斷電后,感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時(shí)間衰減。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期 的電磁場(chǎng)相當(dāng)于頻率域中的高頻成分,衰減快,趨膚深度小;而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中 的低頻成分,衰減慢。趨膚深度大。通過測(cè)量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律,可 得到不同深度的地電特征。1.1瞬變電磁法基本原理在導(dǎo)電率為Q、導(dǎo)磁率為Uo的均勻各向同性大地表面鋪設(shè)面積為S的矩形發(fā)射回線,

4、在回線中供以階躍脈沖電流I(t。其中:Im茹:主三 m在電流斷開之前,發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)(圖l所 示。在t=O時(shí)刻,將電流突然斷開,由該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也立即消失。一次磁場(chǎng)的這一劇烈 253堡!塑墨蘭主堡圭墨(!塑7j變化通過空氣和地下導(dǎo)電介質(zhì)傳至同線周韋1的大地中.并在大地中激發(fā)出感應(yīng)電流以維持 發(fā)射電流斷殲之前存在的磁場(chǎng).使空閫的磁場(chǎng)不會(huì)即刻消失。由于介質(zhì)的熱損耗,A到將磁 場(chǎng)能精消耗完畢為止f見嗣2。|萼|3瞬變電磁場(chǎng)的煙閣效應(yīng)“嫻罔”的半徑r、探度d的轟達(dá)式分別為:,;屬i礪習(xí) 2d=4西麗i ”式中a為發(fā)射線湖半徑.C282.當(dāng)發(fā)射線圈半徑相對(duì)f“jq

5、罔”半箱詛小時(shí),.-r得 W礦井瞬變電磁法在新驛煤礦的研究應(yīng)用dtanO=一1.07,9-=47。故“煙圈”將沿47。傾斜錐面擴(kuò)散,其向下傳播的速度為:l 材 2礦=一=;=a如%f (4從“煙圈效應(yīng)”的觀點(diǎn)看,早期瞬變電磁場(chǎng)是由近地表的感應(yīng)電流產(chǎn)生的,反映淺部電性 分布;晚期瞬變電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律?？梢蕴綔y(cè)大地電性的垂向變化。1.2礦井瞬變電磁法特點(diǎn)由于礦井瞬變電磁勘探在井下巷道中進(jìn)行,采用多匝小回線裝置測(cè)量,井下噪聲、資料 處理和解釋方法與地面瞬變電磁法不同.主要有以下幾方面的特點(diǎn):(1由于井下測(cè)量環(huán)境與地表不同,無法采用地表測(cè)量時(shí)的大線圈(邊長(zhǎng)大于50m裝置 。只能采用邊長(zhǎng)小于3m的

6、多匝小線框,因此與地面瞬變電磁法相比具有數(shù)據(jù)采集工作量小 ,測(cè)量設(shè)備輕便,工作效率高,成本低等優(yōu)點(diǎn);對(duì)用其他礦井物探方法無法施工的巷道(巷道 長(zhǎng)度有限或巷道掘進(jìn)迎頭超前探測(cè)等,可采用測(cè)量裝置小、輕便的礦井瞬變電磁法探測(cè)。(2由于采用小線圈測(cè)量,點(diǎn)距更密(一般為220m,可降低體積效應(yīng),提高勘探的橫向 分辨率。測(cè)量裝置靠目標(biāo)體更近,將會(huì)大大提高異常體的感應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度。(3利用礦井瞬變電磁法小線框發(fā)射電磁波的方向性,可分別用于探測(cè)巷道底板下一定 深度內(nèi)含水異常體垂向和橫向發(fā)育規(guī)律、頂板一定范圍內(nèi)含水低阻異常體的發(fā)育規(guī)律及巷 道掘進(jìn)迎頭超前探測(cè)等。(4由于瞬變電磁法關(guān)斷時(shí)間的影響,與其它物探方法相比,

7、無法探測(cè)到更淺部的異常 體。往往在淺部形成20m左右的盲區(qū)。(5礦井瞬變電磁法勘探受井下金屬儀器設(shè)備(采煤機(jī)械、變壓器、金屬支架等的影響 較大,需要在資料處理解釋中進(jìn)行校正或剔除。目前,礦井瞬變電磁法主要用于解決煤層頂板(或底板巖層內(nèi)部的富水異常區(qū)探測(cè)、巷 道掘進(jìn)迎頭前方的突水構(gòu)造預(yù)測(cè)、含水陷落柱勘查等水文地質(zhì)問題。1.3礦井瞬變電磁法工作方法礦井瞬變電磁法在煤礦井下巷道內(nèi)進(jìn)行,測(cè)點(diǎn)間距-lOre之問。根據(jù)多匝小線框發(fā)射 電磁場(chǎng)的方向性,可認(rèn)為線框平面法線方向即為瞬變探測(cè)方向。因此,將發(fā)射接收線框平面一匡碡7匿 r.、奢琵I臆板 仆1盤定鷹 f.、謄層庶t 255煤礦物探學(xué)術(shù)論文集(2007通

8、過井下實(shí)際測(cè)量分析,影響井下瞬變電磁法超前探測(cè)中主要設(shè)施有:(1巷道底板上 的鐵軌;(2m字鋼支護(hù);(3錨桿支護(hù);(4運(yùn)輸皮帶支架等各種金屬設(shè)施。這些金屬設(shè)施在 井下瞬變電磁法探測(cè)中能產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬變電磁響應(yīng),如在巷道底板下采用重疊回線組合測(cè) 量時(shí),有鐵軌地段比無鐵軌地段瞬變電磁響應(yīng)強(qiáng)幾倍。因此.系統(tǒng)研究井下瞬變電磁超前探 測(cè)中各種噪聲的瞬變電磁響應(yīng)特征,對(duì)礦井瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集、資料處理和解釋工作有著 重要的實(shí)際意義。巷道內(nèi)鐵軌、錨網(wǎng)支護(hù)、運(yùn)輸皮帶及各種電纜在瞬變電磁中是一種低阻響應(yīng)。使得實(shí)測(cè) 視電阻率減小幾個(gè)數(shù)量級(jí),但此類影響在測(cè)線方向往往是均一的,可作為一種背景異常進(jìn)行 校正。對(duì)于巷道內(nèi)的

9、其它孤立的金屬機(jī)電設(shè)備(如變壓器、電機(jī)、密集鋼粱支護(hù)等.在實(shí)測(cè)時(shí) 應(yīng)偏移測(cè)點(diǎn)位置盡量避開,同時(shí)做好記錄,以便在資料解釋時(shí)排除此類影響。2測(cè)點(diǎn)布置與勘探工作量 根據(jù)本次探測(cè)任務(wù)的要求和巷道條件的實(shí)際情況,采用2rex2m的多匝數(shù)矩形回線裝置 進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)勘探任務(wù)要求,采用多匝數(shù)線框,將線框直立于巷道,并靠近探測(cè)異常所在方 向側(cè)幫。發(fā)射線框和接收線框分別為匝數(shù)不等、且完全分離的兩個(gè)獨(dú)立線框,以便與地下(前 方異常體產(chǎn)生最佳偶合響應(yīng)。礦井瞬變電磁法在進(jìn)行探測(cè)時(shí),測(cè)點(diǎn)主要布置在1107和1109工作面切眼的外側(cè)壁、 1109皮帶順槽和1107軌道順槽內(nèi),測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距-10m。因?yàn)樵?107工作面切眼距離

10、1109皮 帶順槽約50m處有一向斷層方向的探巷,長(zhǎng)約15m,在測(cè)量過程中采用了超前探測(cè)方式在探 巷內(nèi)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置,主要是更近距離探測(cè)長(zhǎng)溝支五斷層的富水情況。具體測(cè)點(diǎn)的布置見圖5.,一 每 /、 毽 緣?。. 魄/, ,k/匿么 。? f /2/;一P歹彳 l嗣辱圖5瞬變電磁法測(cè)點(diǎn)布置及探測(cè)方向示意圖3資料解釋及地質(zhì)結(jié)論礦井TEM視電阻率等值線斷面圖橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)坐標(biāo),縱坐標(biāo)為沿探測(cè)方向上深度坐 標(biāo),結(jié)合地質(zhì)和水文地質(zhì)資料,來確定探測(cè)區(qū)域內(nèi)橫向、水平深度和垂向深度上巖層電性變 化情況。根據(jù)本次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所繪制的視電阻率等值線斷面圖中,上端標(biāo)注為巷道內(nèi)布置的測(cè) 點(diǎn)號(hào),下端坐標(biāo)為距開切眼處的水平距離(

11、單位:m,左右兩側(cè)為沿探測(cè)方向上的探測(cè)距離 (單位:1111。3.11107工作面切眼探測(cè)資料解釋256! j ! 喹 史墮魚查童壁曼礦照曼塞尊璺 用6和罔7為1107工作面切眼礦井瞬變電磁法探瀏桃電阻率斷兩圈。橫坐標(biāo)下端標(biāo)注 為巷道內(nèi)布置的測(cè)點(diǎn)號(hào).上端坐標(biāo)為單離1109皮帶顧槽的水平距離(單位:m,左右兩側(cè)為 沿探涮方舟上的探測(cè)距離(單位:m,=圖6l 1071:作面切服順煤層方向TEM稅電阻率平面圈罔71107I:柞面協(xié)眼煤層底扳方向FE,M稅J乜阻率斷面圖3.21107工作面軌道順槽攆刪責(zé)抖解釋阿8為】107T作面軌道順槽礦井瞬變電磁法探淵欄電阻率斷面圈。橫坐標(biāo)上端標(biāo)洼為 巷謹(jǐn)內(nèi)布置的測(cè)

12、點(diǎn)號(hào).下端坐標(biāo)為距離1107工作面切眼的水平距離(單位:m.左右兩側(cè)為 糟探測(cè)方向上的攆耐距離(單位:m。罔81107丁作面軌道順槽順建層方向和軌道煤屠底板方向TEM視電阻率斷面罔 257堡！塑塑主奎論圭苧（迥 工作面切眼中耀巷撂刺資料解釋 在探巷中主要采用超前探測(cè)的方式對(duì)長(zhǎng)淘支五斷層的寓水訓(xùn)越稈較近距離的探測(cè)。圈 （為探巷中超前探測(cè)稅電阻率斷面罔。圖中橫坐標(biāo)下端標(biāo)注為豐日對(duì)阿中探巷內(nèi)布髓的測(cè) 點(diǎn)號(hào)，上端坐標(biāo)為相對(duì)母測(cè)點(diǎn)的相對(duì)水平距離（單位：），左右兩側(cè)為沿探測(cè)方向：的探測(cè) 距離（單位：）、， 蘭姜 飛：百、， 州刊 躅探巷中瞬變電磁法超前探鍘測(cè)點(diǎn)布噩示意罔 圈中可知中號(hào)滑點(diǎn)正對(duì)巷遭前方位置，

13、讖測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的視電阻率值較大（大干），說明探 鍘巷道在掭測(cè)范圍內(nèi)無低阻異常構(gòu)造。 “一 。 。一，一、丌” ” ， 、 。 爛 幽 引。 一彬 、 圖 ， 翻眼探巷中超前攆測(cè)視電阻率斯晰罔 工作面切艱探剎資料解釋 圍和罔為 作面切眼礦井瞬壹電磁法探測(cè)桃電阻率斷潮橫母、端標(biāo) 注為巷道內(nèi)誰簧的測(cè)點(diǎn)號(hào)上端坐標(biāo)為距軌道順槽的水平距離（單位：，在，眄側(cè)為 沿探測(cè)方向上的攆測(cè)距離（單位：）， 相對(duì)于工作血切眼探測(cè)的視電阻率值結(jié)果 作面切眼探的攏乜率值 相對(duì)較小主要是由于巷邀內(nèi)金屬物體干擾的影響從整體視電阻奉等值線較均勻沒 斷層構(gòu)造富水的反映。在順 煤層方向測(cè)點(diǎn)之問的 池隔向外側(cè)以外視電 車值較低可解釋為局部

14、 破碎且弱含水的反映但乜 不能排除巷道內(nèi)金屬扳的影 隔 響。加號(hào)測(cè)點(diǎn)是切跟中距離 支長(zhǎng)溝盤五斷層蛙近的一個(gè) 測(cè)量點(diǎn)從其視電阻率值可 罔 粼巡 斟 作面切唯賊煤層方向視電阻率甲面罔 網(wǎng) 工作面切眼順底板方向視電阻率平面罔 工作面皮帶】咂槽撂測(cè)資料解釋 圈 二作面軌道順槽礦井瞬變電磁法探測(cè)視電阻率斷面嘲。橫坐標(biāo)上端標(biāo)注為 巷道內(nèi)布置的測(cè)點(diǎn)號(hào)下端坐標(biāo)為距離起點(diǎn)（號(hào)淵點(diǎn)】的柬平距離（單位：）左右兩側(cè)為 沿探測(cè)方向上的探測(cè)距離（單位：）。 從罔中可知視電鞋率值變化較為均勻在號(hào)測(cè)點(diǎn)視電阻率值均大于，在 號(hào)測(cè)點(diǎn)位置視電阻率較低可能是斷層構(gòu)造的影響。但由于號(hào)測(cè)點(diǎn)位于切眼內(nèi)由于 受巷道內(nèi)已安裝支架也不能排除是金

15、屬支架的影響。 圈 工作面孰道順槽視電阻卑平面圖 地質(zhì)結(jié)論 在結(jié)合已知地質(zhì)資料的基礎(chǔ)二蝗合分析以上探淵資料可知： （】）工作面切眼外側(cè)無低阻異常構(gòu)造，也無隱伏的導(dǎo)含水通道； （）軌道順槽外螂無低阻異常構(gòu)造，也無隱伏的導(dǎo)含水通道； ）工作面切眼外側(cè)整體上較為完整但在號(hào)測(cè)點(diǎn)和號(hào)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)范圍 內(nèi)有低阻異常區(qū)域具體位置見探測(cè)成果嘲但也不能排除巷道內(nèi)金屬干擾的影響； （）軌道順槽號(hào)測(cè)點(diǎn)外側(cè)無低阻異常構(gòu)造也無商伏的導(dǎo)魯術(shù)通道。 因?yàn)楣ぷ髅媲醒弁鈧?cè)和軌道顧槽外倒的探測(cè)范圍相重疊，可知該范圍內(nèi)無 異常構(gòu)造，也無隱伏的導(dǎo)含水通道。 藻礦撂幸詩(shī) 從工作面切眼探測(cè)的結(jié)果可知在探測(cè)范圍內(nèi)妊溝支血斷層富東性鞍差或者不含

16、 水；也可能是長(zhǎng)淘支五斷層距離工作面切眼的距離大干趣出礦井瞬變電磁法 的探測(cè)范圍。 工作面切眼中的探測(cè)結(jié)果也沒有對(duì)長(zhǎng)溝支五斷層有一個(gè)完楚的反映，強(qiáng)璉搛測(cè)出 兩個(gè)相對(duì)孤立的低阻異常區(qū)域（、異常區(qū)域）知：作面切眼外側(cè)妊溝直托斷層硒 部弱含水，具體見探測(cè)成果圉。 一 受 用 工作面切眼外倒長(zhǎng)溝支五新層富水性礦井瞬變電磁法探測(cè)成果罔 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效盞及推廣應(yīng)用前景 安奎 所用儀器為防爆安全型的適合井下使用現(xiàn)場(chǎng)撮作方便、靈活同時(shí)也避免探水鉆高 壓出水的危險(xiǎn)性。 高救 井下現(xiàn)場(chǎng)施工不到井上資料處理微機(jī)化便可出結(jié)果： 經(jīng)濟(jì) 對(duì)比鉆探施工節(jié)約了資金。拄制范圍鉆探至少需布置個(gè)鉆扎每扎潞度幣慨 于鉆探費(fèi)用參照外包鉆探價(jià)格元鉆探費(fèi)用為萬元而本次探測(cè)費(fèi)用為 萬元節(jié)省 萬元。 預(yù)