邢 楷

(晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院物探工程分公司,山西 晉城 048000)

礦井掘進(jìn)巷道瞬變電磁法跟蹤探測(cè)應(yīng)用研究

邢 楷

(晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院物探工程分公司,山西 晉城 048000)

礦井瞬變電磁法是向巖體發(fā)射脈沖電磁場(chǎng),利用不同巖體的導(dǎo)電性差異,通過(guò)觀(guān)測(cè)巖體因?yàn)榇磐康淖兓a(chǎn)生的感應(yīng)電流了解周?chē)鷰r體的電信息。掘進(jìn)巷道在掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行連續(xù)跟蹤的瞬變電磁法探測(cè),總結(jié)探測(cè)區(qū)域內(nèi)煤層及其圍巖導(dǎo)電性的規(guī)律,有助于把握整個(gè)采區(qū)范圍內(nèi)煤層及其圍巖的導(dǎo)電性等物理特征,提高物探資料解釋的準(zhǔn)確性。

礦井瞬變電磁法;回采工作面;跟蹤探測(cè);視電阻率

resistivity

礦井水害是煤礦生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的地質(zhì)災(zāi)害之一,也是制約煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一,因此在巷道掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行巷道超前富水性探測(cè)具有重要的意義。瞬變電磁法因其具有勘探深度大,穿透高阻層能力強(qiáng),隨機(jī)干擾小,可以在遠(yuǎn)區(qū)觀(guān)測(cè),也可在近區(qū)進(jìn)行觀(guān)測(cè),選擇不同時(shí)間進(jìn)行觀(guān)測(cè)可以獲得不同深度的地質(zhì)信息等優(yōu)點(diǎn)，在礦井地質(zhì)工作中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 礦井瞬變電磁法探測(cè)原理

瞬變電磁法是利用不接地回線(xiàn)或接地線(xiàn)源向巖體發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng),在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間,利用不同巖體的導(dǎo)電性差異,通過(guò)觀(guān)測(cè)巖體因?yàn)榇磐康淖兓a(chǎn)生的感應(yīng)電流了解周?chē)鷰r體電信息的方法。通過(guò)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。低電阻率地質(zhì)體如導(dǎo)水?dāng)鄬印⒏凰畢^(qū)、金屬礦區(qū)等等引起較強(qiáng)且衰減慢的二次渦流場(chǎng),而貧水區(qū)等高阻體等引起較弱且衰減快的二次場(chǎng)。煤系地層常見(jiàn)的巖石視電阻率值如表1所示。

表1 煤系地層巖石視電阻率范圍

本文介紹在掘進(jìn)巷道進(jìn)行連續(xù)跟蹤的瞬變電磁法探測(cè),掌握探測(cè)區(qū)域內(nèi)煤層及其圍巖的電信息,總結(jié)其導(dǎo)電性的規(guī)律,試圖從宏觀(guān)上把握整個(gè)采區(qū)范圍內(nèi)煤層及其圍巖的物理性質(zhì),提高物探資料解釋的準(zhǔn)確性,為礦井防治水工作提供科學(xué)依據(jù)。

2 掘進(jìn)巷道瞬變電磁法跟蹤探測(cè)應(yīng)用實(shí)例

晉城某礦1302回采工作面所采煤層為3號(hào)煤,位于山西組中下部,上距下石盒子組底砂巖(K8)29.39 m,下距太原組K6灰?guī)r15.10 m,煤層厚度3.14 m～5.32 m,平均3.95 m。煤層直接頂為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。底板一般為砂質(zhì)泥巖和泥巖。工作面內(nèi)主要沖水因素為二疊系上、下石盒子組及山西組砂巖裂隙含水層,目前主要以潛水形式賦存,富水性弱。工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造類(lèi)型簡(jiǎn)單,為單一背斜構(gòu)造。工作面超前探測(cè)使用儀器為長(zhǎng)沙飛翼公司YCS160型礦用瞬變電磁儀,施工設(shè)計(jì)為超前探測(cè)3個(gè)橫向探測(cè)方向,分別是與巷道頂板呈45°夾角向前方頂板探測(cè)、順巖層方向向前方探測(cè)、與巷道底板

呈45°夾角向前方底板探測(cè)。每個(gè)橫向探測(cè)方向布置橫向探測(cè)角度14個(gè)(見(jiàn)圖1),分別是左側(cè)幫(180°、165°、150°、135°、120°、105°)、正前方(90°、90°)、右側(cè)幫(0°、15°、30°、45°、60°、75°)。

圖1 瞬變電磁法探測(cè)角度示意圖Fig. 1 Detection angle with TEM

1302工作面進(jìn)風(fēng)順槽為900 m,回風(fēng)順槽為940 m,工作面走向長(zhǎng)度為209 m。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì),兩順槽及切眼共完成瞬變電磁超前跟蹤探測(cè)27次,探測(cè)結(jié)果視電阻率值統(tǒng)計(jì)如下表所示。

表2 瞬變電磁超前探測(cè)探測(cè)結(jié)果視電阻率值統(tǒng)計(jì)表

綜合分析表2,在總計(jì)27次瞬變電磁探測(cè)結(jié)果中:有3次探測(cè)結(jié)果的視電阻率值集中在40 Ω·m以下;8次集中在20 Ω·m～90 Ω·m之間;16次集中在25 Ω·m～160 Ω·m之間。后期經(jīng)過(guò)搜集相關(guān)資料,進(jìn)風(fēng)順槽揭露沖刷帶共4處,分別位于96 m～117 m處、238 m～244 m處、627 m～633 m處以及651 m～693 m處;在回風(fēng)巷943 m處探明斷層,接近斷層附近時(shí),頂板淋水逐漸增大。

1)視電阻率值集中在40 Ω·m以下的3次物探分別為回風(fēng)巷開(kāi)口、進(jìn)風(fēng)巷開(kāi)口17 m及起眼開(kāi)口處,這些位置在施工時(shí)或者距離大巷內(nèi)軌道較近,或者距離巷道內(nèi)機(jī)組及皮帶架等鐵器較近,受到鐵器干擾影響較重導(dǎo)致視電阻率整體阻值偏低,參考意義不大。

2)視電阻率值集中在20 Ω·m～90 Ω·m之間的8次探測(cè)結(jié)果中有4次探測(cè)范圍位于沖刷帶位置附近,分別為進(jìn)風(fēng)順槽85 m處、進(jìn)風(fēng)順槽210 m處、進(jìn)風(fēng)順槽560 m處及進(jìn)風(fēng)順槽630 m處,分析沖刷帶內(nèi)部煤層破壞,填充物巖性含水分比例增高導(dǎo)致探測(cè)結(jié)果中視電阻率值降低。探測(cè)結(jié)果中有2次位于斷層附近,分別為回風(fēng)順槽870 m處和940 m處,探測(cè)結(jié)果如圖2、3所示。圖中視電阻率值畸變趨勢(shì)明顯,最低均為12 Ω·m,最高為230 Ω·m和100 Ω·m,都存在較為明顯的低阻區(qū)域。分析這2處低阻區(qū)域由于距離斷層較近,斷層周邊次生構(gòu)造及裂隙較為發(fā)育,富水性強(qiáng)造成。這兩次連續(xù)跟蹤探測(cè)結(jié)果相互驗(yàn)證對(duì)比,能夠更好的把握探測(cè)區(qū)域內(nèi)強(qiáng)富水區(qū)的范圍及其形態(tài),給礦方探放水工作提供有力依據(jù)。

圖2 回風(fēng)順槽870 m處順層0°超前探測(cè)視電阻率擬面圖Fig. 2 Apparent resistivity pseudo-section map of Bedding 0° advanced detection at 870 m air return trough

圖3 回風(fēng)順槽940 m處順層0°超前探測(cè)視電阻率擬面圖Fig.3 Apparent resistivity pseudo-section map of Bedding 0° advanced detection at 940 m air return trough

3)剩余16次物探結(jié)果的視電阻率值集中在25 Ω·m～160 Ω·m之間。因此得出1302工作面及其鄰近工作面區(qū)域內(nèi)在正常情況下,即錨網(wǎng)支護(hù)、現(xiàn)場(chǎng)鐵器影響較低且煤層連續(xù)穩(wěn)定情況下,探測(cè)結(jié)果的視電阻率值應(yīng)該集中在25 Ω·m～160 Ω·m之間。

3 結(jié)束語(yǔ)

瞬變電磁法作為一種新的地球物理勘察手段,具有方便快捷、定向性好、測(cè)距大、對(duì)礦井水等低阻體反應(yīng)靈敏。通過(guò)對(duì)掘進(jìn)巷道連續(xù)跟蹤探測(cè),能夠更好的把握區(qū)域煤層地質(zhì)信息,很好的了解區(qū)域煤層及其圍巖導(dǎo)電性等物理特征,在礦井含水地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中具有很重要的意義,為礦井防治水工作提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)瞬變電磁法容易受到現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)環(huán)境的影響,使瞬變電磁法在解釋上存在多解性,通過(guò)降低現(xiàn)場(chǎng)干擾因素,能夠提高瞬變電磁法解釋的準(zhǔn)確度。

[1] 于景邨.礦井瞬變電磁法勘探[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1999.

[2] 高士銀.瞬變電磁技術(shù)在礦井超前地質(zhì)探測(cè)中的應(yīng)用[D].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),2010.

[3] 成劍文.瞬變電磁法在煤礦應(yīng)用中的研究[D].太原:太原理工大學(xué),2007.

[4] 張軍,趙瑩,李萍.礦井瞬變電磁法在超前探測(cè)中的應(yīng)用研究[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2012(1):49-53.

ZHANG Jun,ZHAO Ying,LI Ping.Application Researchof Mine Transient Electromagnetic Methodin Advanced Detection[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics,2012(1):49-53.

[5] 李文峰.礦井物探在煤礦防治水中的應(yīng)用[J].河北煤炭,1999(SI):38-39.

[6] 孫吉益.煤礦井下瞬變電磁探測(cè)影響因素探討[J].河北煤炭,2007(6):4-5.

SUN Jiyi. Study on the Effect Factor of the Coal Well Transient Electromagnetic Prospecting[J]. Hebei Coal,2007(6):4-5.

ApplicationofTrackingDetectionwithTransientElectromagneticMethodinDrivingRoadways

XINGKai

(GeophysicalEngineeringBranchofTechnologyResearchInstitute,JinchengCoalGroup,Jincheng048000,China)

Transient Electromagnetic Method (TEM) is a geophysical exploration technique in which,based on rock conductivity difference,induced current by the changes in magnetic flux is measured to determine the electrical properties of surrounding rock by emitting pulse electromagnetic field to rock. We continuously track the TEM in the driving. Conductivity rules of coal seams and surrounding rock are summarized,which could help the understanding the physical properties of the whole mining area,such as conductivity,and improve the interpretation accuracy of geophysical exploration data.

Transient Electromagnetic Method; caving face; tracking detection; apparent

1672-5050(2017)01-0031-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.009

2016-09-18

邢楷(1986-),男,山西晉城人,本科,工程師,從事地球物理方法技術(shù)研究與應(yīng)用工作。

P631.3

A

(編輯：樊 敏)