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深部巷道瞬变电磁观测系统优化及其应用
新闻作者:谷伟  发布时间:2012-10-29  查看次数:  放大 缩小 默认
华北大区主任工程师 谷伟
  摘要:目前瞬变电磁法在矿井开拓和生产掘进中广泛应用,已成为最主要的一种矿井物探方法。但是在使用中存在施工过于简单,施工方法单一,探测精度不高等问题。笔者通过大量实践,总结出了一些提高矿井瞬变电磁法探测质量的经验方法,并结合实例说明了,通过合理的施工布置可以大幅提高瞬变电磁法的探测精度。
  关键词:深部巷道;瞬变电磁;观测系统;探测密度;工作面探测;探测扇面;导水通道
  一、瞬变电磁观测系统分析及优化
  1、瞬变电磁法的主要特点
  瞬变电磁法非常适合在空间狭小,条件复杂的矿井环境下应用,是目前在矿井探水中应用最广泛的物探方法[1-3],该方法主要有以下特点:
  1)测量设备轻便,工作效率高;
  2)采用小线圈测量,点距更密(一般为2~10m),体积效应降低,横向分辨率提高;
  3)测量装置靠近目标体,异常体感应信号强,具有较高的探测灵敏度;
  4)小线框发射电磁波的方向性明显,探测目标区域更具针对性
  5)非接触式方法,不受接触条件影响等。
  2、瞬变电磁法的使用局限
  与此同时,瞬变电磁法在实际应用中也受各种条件制约[4-7],主要表现在:
  1)施工环境需要清理,探测中受到的干扰因素多,而且近;
  2)纵向分辨率低,对低阻区域到探测位置的直线距离把握不准;
  3)低阻屏蔽,其主要影响是屏蔽了低阻区域后方的信息,不能判断低阻区域的纵向范围,限定了当次探测的有效深度,只能达到最近低阻范围的近边界,在此低阻之后的情况一般无法探测到。如图1低阻区距离限制探测深度示意图所示:  

图1 低阻区距离限制探测深度示意图
  4)近距离内有效信号受到一次场压制,存在盲区。
  3、提瞬变电磁法探测精度的方法
  针对以上的这几点问题,作者进行了大量的试验,总结出了几点提高瞬变电磁法探测精度的方法,主要包括以下几点:
  1)提高探测密度,提高探测的横向分辨率。以工作面探测为例,施工方案如图2 帮内等间距测点观测系统示意图所示,探测点的密度应控制在3-5m之间,太大会造成探测精度降低,无法控制异常区域的横向间的联系。
  2)在统一背景条件下进行探测。例如在工作面探测时一般采用图二所示的等间距观测系统。但在巷道中经常存在大量的金属,在受到金属设备干扰的情况下,其解析难度较大,此时可以选择一段没有金属设备的位置,布置扇形观测系统,即可有效的统一背景场,提高探测的准确性,降低解析难度,如图3, 帮内扇形测点观测系统示意图所示。  

图2 帮内等间距测点观测系统示意图                   图3 帮内扇形测点观测系统示意图  
  3)不同方向对同一位置进行多次探测覆盖,如图4对低阻区域多次探测覆盖示意图所示。在图5所示实例中,黑色线表示巷道1000m位置侧帮,从巷道1036m和981m两个位置布置扇形观测系统对1000m侧帮内70m位置的低阻区域进行探测并对结果进行对比分析。两次探测在异常区形成叠加覆盖,以此消除低阻屏蔽的影响,有助于正确分析出低阻范围的大小,准确判断该低阻区域的边界位置。  

图4 对低阻区域多次探测覆盖示意图  

a 主斜井1036m侧帮视电阻率分布图                            b主斜井981m侧帮视电阻率分布图       
图5 不同方向对同一低阻区域进行探测效果对比图
  4)将纵向探测改变为横向探测。充分利用瞬变电磁法横向分辨率高,纵向分辨率低的特点。如图6面内构造与巷道空间关系示意中所示情况下,对于探测导水构造的宽度,在左侧巷道等间距布置测线比在下侧布置测线更具优势。而在下侧巷道中布置测线对跟踪导水构造展布更有利。  

图6 面内构造与巷道空间关系示意图
     二、工程实例
  山西大同某煤矿回风巷掘进工作面向前钻探5米时钻孔出水,涌水量30-40立方米/小时,涌水持续十数天,为了查明涌水来源和导水通道,特进行了一次瞬变电磁探测。
  根据本次探测任务的要求和巷道条件的实际情况,采用2m×2m的多匝数矩形回线重叠装置进行测量。根据勘探任务,将线框直立于巷道底板,并靠近探测异常所在方向侧帮。发射线框和接收线框为匝数不等、且完全分离的两个独立线框,以便于与地下(前方)异常体产生最佳耦合响应。
  探测的巷道宽5m,高2.8m,地面积水,多个位置放置了水泵,变压器等金属设备,掌子面上有两个钻孔涌水,涌水量为30-40m³/小时。
  在此次施工设计中,特别注意了以下几个重要影响因素:
  1)排除地面积水和电磁干扰的影响。采用间歇排水法,排水和探测交替进行,探测时将水泵的电源关闭,避免地面积水低阻干扰和用电器电磁干扰。
  2)避开巷道内用电金属设备的影响。由于排水需要,不方便把水泵和开关等设备移到较远的位置。解决的方法是,在探测中充分利用这些设备之间的空间,选择合适的回线重叠装置的角度,避开这些设备进行探测。
  3)增大探测精度。充分利用横向探测精度高于纵向探测精度的特点,在探测结果未知时,保证对每个方向进行较高密度的横向探测和一定量的纵向探测,保证探测精度。
  4)避免低阻屏蔽。对每一个方位实现不同方向的多次覆盖,最大程度避免低阻屏蔽的影响,真实反映低阻范围的大小。选择不同探测点,在每一个探测点形成较大范围的探测扇面,使每一个区域均有多次探测扇面覆盖。
  考虑到以上几个影响因素,最终设计了如下的观测系统,包括9个观测剖面,其中剖面1—剖面5为横剖面(如图7),剖面6—剖面9为纵剖面(如图8),分别为:
  1)剖面1探测点位于距掌子面10m的位置,向右帮水平探测形成探测扇面;
  2)剖面2探测点位于距掌子面4m的位置,向右帮水平探测形成探测扇面;
  3)剖面3探测点位于掌子面位置,向迎头前方水平探测形成探测扇面;
  4)剖面4探测点位于距掌子面4m的位置,向左帮水平探测形成探测扇面;
  5)剖面5探测点位于距掌子面10m的位置,向左帮水平探测形成探测扇面;
  6)剖面6探测点位于距掌子面10m的位置,向右帮垂直面探测形成探测扇面;
  7)剖面7探测点位于掌子面位置,向右前方垂直面探测形成探测扇面;
  8)剖面8探测点位于掌子面位置,向左前方垂直面探测形成探测扇面;
  9)剖面9探测点位于距掌子面10m的位置,向左帮垂直面探测形成探测扇面。  

图7 五个横剖面空间分布示意图图  

图8 四个纵剖面空间分布示意图
  按照以上观测系统进行施工,获得探测成果。在图9中所有视电阻率剖面图中:用平面图表示相应的探测曲面;各个位置到探测点的直线距离均为实际距离;用颜色表示相应位置的视电阻率值,依次用蓝色、绿色、黄色、红色表示低阻到高阻的变化趋势,蓝色表示低阻,富水性较强,红色表示高阻,岩层富水性较弱;受电位自然衰减的影响,距离探测点较远的位置会出现不同程度的低阻反应。
  
图9 各探测剖面视电阻率成果图
  剖面1到剖面5为同层视电阻率分布图,剖面6到剖面9为对应方向顶板到底板之间的视电阻率纵剖面图。剖面6及剖面9显示顶板岩层视电阻率值较高,含水性较弱,而顺层偏底板方向阻值较低,说明主要含水层位位于目前掘进层位的下方,为目前巷道内涌水的主要水源或导水通道,导水通道推断为断层破碎带。
  由于瞬变电磁法探测会将大范围低阻之后的区域显示为低阻,而剖面3显示迎头正前方通过导水通道后的区域阻值仍然较高,说明前方导水通道宽度不大,综合考虑剖面1、剖面2、剖面3、剖面4、剖面5探测结果显示的低阻区域空间关系,预计导水通道的宽度在3m到8m之间。
  迎头前方5m出现导水通道,结合剖面1、剖面2、剖面3、剖面4、剖面5探测结果,可以判断目前掘进迎头前方的导水通道为陷落柱的可能性较小,而应该是面状构造如断层、破碎带的可能性较大,且其走向大角度与巷道方向相交,交角介于70°-80°之间;剖面6及剖面9显示顶板岩层高阻,含水性较弱。而剖面7和剖面8显示掌子面两侧侧前方顶板方向均出现比较大的低阻范围。说明导水通道向前方顶板方向延伸。剖面6及剖面9底板方向显示为低阻,说明导水通道在底板方向是向后延伸。导水通道倾向巷道这一方,根据探测的低阻区域空间位置,计算得其倾角介于60°-70°之间。  

a 平面图                      b 侧面图   
  图10 导水构造和巷道空间关系示意图
  通过此次探测,可以判断此导水构造为一宽度不超过8m的断层裂隙带,其走向与巷道交角介于70°-80°之间,倾角介于60°-70°之间。通过物探手段基本上控制了该导水构造的形态,后经矿方钻探资料验证,与实际情况相符。
  三、结论
  此次瞬变电磁法探测导水构造过程中,没有采用惯常的顶板顺层底板三断面法,而是根据现场条件和实际地质情况设计了特殊的施工方案,取得了非常好的探测效果,由此可见,在现场施工中充分利用已知地质资料、合理安排施工设计、增大采样密度可以大幅提高瞬变电磁法的探测精度。
  参考文献
  [1] 张平松,郭立全,吴荣新,刘盛东, 李培根. 矿井瞬变电磁探测技术系统与应用[J].地球物理学进展,2011.
  [2] 刘树才,刘志新,姜志海.瞬变电磁法在煤矿采取水文勘探中的应用[J].中国矿业大学学报,2005,34(4),414-417.
  [3] 牛之琏.时间域瞬变电磁法原理[M].长沙:中南大学出版社,2007.
  [4] 李貅.瞬变电磁测深的理论[M].西安:陕西科学技术出版社,2002.
  [5]姜志海,岳建华,刘志新.矿井瞬变电磁法在老窑水超前探测中的应用[J]工程地球物理学报,2007,12(4):28-30.
  [6] 岳建华,姜志海.矿井瞬变电磁探测技术与应用[J],能源技术与管理,2006(5):72-75.
 
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