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瞬变电磁法在煤矿采空区积水探测中的应用 |
摘 要:随着煤矿逐年开采,新布置的待采工作面面临着老空水的威胁,查明采空区积水情况,确保新的工作面安全回采越来越重要;在煤矿采空区探测中,应用瞬变电磁法能够大大的提高工作效率;瞬变电磁法具有分辨率高、对低阻地质体反应灵敏,施工简单等优点;能够降低施工成本、提高工作效率、准确探测出采空区积水位置;本文对瞬变电磁法基本原理、采空区积水探测施工方法进行介绍。 关键词:瞬变电磁法;TEM;采空区;积水区;视电阻率值; 0 引言 近年来,煤矿透水事故时有发生,严重威胁井下工作人员的人身安全;许多小煤矿乱采乱掘,严重破坏了资源赋存情况,在采掘过程中没有保留采掘资料,形成许多不明采空积水区,对煤矿井下采煤带来了极大的安全隐患;查明新布置的待采工作面周边采空区积水情况显得尤其重要。为确保安全生产,采用先进的探测手段查明采空区分布及积水情况是所需要解决的首要问题;目前常用的探测采空区的方法主要包括钻探法、物探法等。物探法主要包括电法[1-3]、地震法[4-5]、电磁法[6-9]。本文主要对电磁法探测采空区积水方法进行介绍; 1 瞬变电磁法探测地球物理条件 由于煤系地层的沉积序列比较清晰,在原生地层状态下,导电性特征在纵向上有其固定的变化规律,而在横向上相对比较均一;在同一个岩层内,电性分布相对均一(层内均一性);不同岩层组合,其垂向电性分布和变化是有序的且与岩性组合顺序相对应(垂向规律有序性)。不同岩性的导电性一般存在明显差异,一般而言泥岩、页岩、粉砂岩、中粗砂岩、灰岩的电阻率是依次增高的,烟煤的电阻率通常很大,常以明显的高阻异常区别于顶底板岩层(如泥岩、砂岩等);该测区内岩层电性变化的一般规律为:煤层电阻率值相对较高(250-300Ω•m)、砂岩次之(50-100Ω•m)、粘土岩类最低(20-30Ω·m)。即泥岩、细砂岩、粗砂岩等与煤层的导电性差异明显。 当存在煤层采空区(积水或不积水)及岩层岩溶、裂隙、断层破碎带等构造(即地质异常体)时,地质异常体及其附近导电性分布将发生明显变化(物性异常);如果构造内不含水,则其导电性较差,使局部电阻率值增高;如果构造含水,由于矿井水的矿化度较高(实测地下水矿化度8.13~20.13g/L),因其导电良好,相当于存在局部低电阻率值地质体。岩层或煤层的富水情况将决定其电阻率的高低情况。 据此,通过瞬变电磁测深法探测煤层上方岩层电阻率及其变化,可以判定岩层的结构状态和富水性,可以判断采空区、断层等构造分布及富水情况,这是本次瞬变电磁法探测岩层富水性的物理前提。 2 瞬变电磁法原理 瞬变电磁法或称时间域电磁法(Timedomain electro magnetic methods),简称TEM,它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场,在一次脉冲电磁场间歇期间,利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是:于地面或井下设置通以一定波形电流的发射线圈,从而在其周围空间产生一次磁场,并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后,感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分,衰减快,趋肤深度小;而晚期成分则相当于频率域中的低频成分,衰减慢,趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律,可得到不同深度的地电特征。 由于电磁场在空气中传播的速度比在导电介质中传播的速度大得多,当一次电流断开时,一次磁场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地表各点,因此,最初激发的感应电流局限于地表。地表各处感应电流的分布也是不均匀的,在紧靠发射回线一次磁场最强的地表处感应电流最强。随着时间的推移,地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散,其强度也渐减弱,分布也趋于均匀。研究结果表明,任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场。在发射电流刚关断时,该环状线电流紧挨发射回线,与发射回线具有相同的形状。随着时间推移,该电流环向下、向外扩散,并逐渐变形为圆形电流环。等效电流环像是从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”,因此,人们将涡旋电流向上、下和向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”[10]。 3 应用实例分析 安徽某矿主采二叠系下统山西组的7-10煤;为探明新布置的10煤工作面周边采空区积水情况,采用了瞬变电磁法进行探测施工。 3.1 参数选择 本次瞬变电磁施工选用福州华虹智能科技股份有限公司生产的YCS512瞬变电磁仪;根据以往在安徽地区瞬变电磁施工经验及地面瞬变电磁实验,最终综合分析确定收发线圈采用1.5*0.8m、发射频率6.25Hz、叠加次数32、发射电流3A。 3.2 现场施工布置 现场探测前,我们对该工作面瞬变电磁探测条件进行了前期踏勘,最终确定在工作面机巷与风巷布置两条测线,每条测线的长度为500m;瞬变电磁点距10m,单条测线施工51个测点;每个测点布置7个探测方向;分别是面外顺层方向、面外仰角30°方向、面外仰角60°方向、顶板方向、面内仰角60°方向、面内仰角30°方向、面内顺层方向。 3.3 数据处理 本次瞬变电磁探测数据处理主要流程为:数据上传—格式转换—测线编辑—参数校正—计算视电阻率—正反演计算—三维联合反演—结果成图。经上述数据处理过程,获得瞬变电磁视电阻率剖面结果,图中不同的颜色代表不同的视电阻率值,颜色由冷色调到暖色调说明阻值从小变大的趋势,结合这个原则对探测结果进行分析。 3.4 探测成果 遵循上述数据处理原则,经过对该工作面机巷与风巷瞬变电磁数据进行联合反演,得到不同探测方向视电阻率等值线剖面图及工作面顶板不同高度视电阻率等值线切片图;现对工作面风巷面外顺层方向探测成果图(见图1)及工作面顶板80m高度探测成果图(见图2)进行解释;
 图1 工作面风巷面外顺层方向瞬变电磁探测成果图 图1中X轴坐标由小到大为本次瞬变电磁探测起点至切眼方向;由图3可见:X轴120-500m、Y轴0-100m范围内发现一处相对低阻区域,命名为YC1;结合矿方提供的水文地质资料综合分析;YC1受工作面同一煤层上个采空区局部积水所致。
 图2 工作面上方80m高度探测成果图 图2中坐标解释与图3相同;由图4可见:X轴0-110m、Y轴0-150m范围内发现一处相对低阻区域,命名为YC2;结合矿方提供的水文地质资料综合分析;YC2受工作面上覆7煤采空区积水所致; 3.5 验证情况 探测成果提交后,矿方根据瞬变电磁探测成果对YC1与YC2设计钻孔进行钻探验证;其中YC1钻孔总出水量40m³/h,YC2钻孔总出水量35m³/h。与物探结果相符; 4 结语 从应用实例可以看出,瞬变电磁法在探测煤矿采空区积水方面取得了令人满意的探测结果;由此可见,瞬变电磁法与其他物探方法相比具有分辨率高、勘探深度大、施工方便、效率高等优点;将在煤矿采空区积水探测方面发挥重要作用,应用前景十分广泛。 [1] 王加永,孟贵祥,吕庆田,等.高密度电法的进展与展望[J].物探与化探,2012. [2] 杨镜明,魏周政,高晓伟.高密度电阻率法与瞬变电磁法在煤田采空区勘查及注浆检测中的应用[J].地球物理学进展.2014. [3] 梁哲.高密度电法技术在煤矿井下应用的探索性研究[J].煤炭与化工.2016. [4] 申有义,刘海平.地震属性方法在煤矿采空区解释上的应用[J].物探与化探,2012. [5] 叶红星.基于地震属性分析的红柳林煤矿采空区解释[J].煤田地质与勘探,2014. [6] 王善勋,杨文锋,张卫敏,王备战.瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用研究[J].工程地球物理学报,2012. [7] 赵文曙,王俊奇,牟义.矿井瞬变电磁法在探测顶板老空区中的应用[J].山西焦煤科技,2012. [8] 程建远,孙洪星赵庆彪,等.老窑采空区的探测技术与实例研究[J].煤炭学报,2008. [9] 占文锋,王强,牛学超.采空区矿井瞬变电磁法探测技术[J].煤炭科学技术,2010. [10]牛之琏.脉冲瞬变电磁法及其应用[J].湖南长沙,中南工业大学出版社,2008.
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