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中国矿井物探网 - 物探技术 - 瞬变电磁技术在煤矿掘进中的应用分析
 
瞬变电磁技术在煤矿掘进中的应用分析
    前言:瞬变电磁法是勘查地下水体、采空积水区等目标体的有效物探方法,与其它物探勘探方法相比,具有施工效率高、应用效果好的优点。文章以查明大同某煤矿5200巷掘进超前水害预报为例,介绍了瞬变电磁法的原理、数据采集方法、数据处理与资料解释等内容,在此基础上说明了瞬变电磁法的应用效果,为工作面安全掘进提供有效的物探资料。
关键词:瞬变电磁;掘进超前水害预报;
1 前言
根据《煤矿防治水细则》(2018版)第三十九条“严格执行井下探放水‘两探’要求,采掘工作面超前探放水应当采用物探、钻探两种方法,做到互相验证,查清采掘工作面及周边老空水、含水层富水性以及地质构造等情况”等规章制度要求。
5200巷上部山4#煤层采空区积水和顶板K3砂岩含水层水害威胁。为了有效防范掘进工作面上部山4#煤层采空区积水和顶板K3砂岩含水层在掘进过程中经过断层、裂隙带等导入巷道内,故实施该巷道迎头进行瞬变电磁法探测。
2 技术原理简介

图2-1 回线中阶跃电流的磁力线

图2-2 全空间中的等效电流云图
瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。其探测原理是:在发送回线上供一个电流脉冲方波,在方波后沿下降的瞬间,产生一个向回线法线方向传播的一次磁场,在一次磁场的激励下,地质体将产生涡流,其大小取决于地质体的导电程度,在一次场消失后,该涡流不会立即消失,它将有一个过渡(衰减)过程(见图3-1、3-2)。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向掌子面传播,由接收回线接收二次磁场,该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。
3 应用实例
3.1 地质任务
探测C3#层302盘区5200巷迎头前方100m的低阻体异常及分布范围,有效探测距离为100m,对迎头前方地质异常区性质进行分析,查明探测范围内是否存在富水及积水异常区,为探放水工作提供参考依据。
3.2 地质概况
3.2.1 探测区域概况
大同某矿位于大同煤田西北边缘。位于C3#层302盘区,西部为3#层实煤区,南部为矿井边界,东部为山3#层盘区巷,北部为2200巷。如图3-1。

图3-1 5200巷平面位置示意图
3.2.2 水文地质概况
(1)地表水情况
C3#层302盘区5200巷地面无地表河流经过、无天然水系,地形主要以丘陵沟谷为主,地面无较大塌陷坑,存在地表裂缝,但已完成填堵治理,该工作面范围内无小窑井口。大气降水通过塌陷、裂缝等通道导入井下采空区的可能性较小,加强雨季地表裂缝塌陷排查并对发现的问题及时治理。该工作面基本不受地表水的影响。
(2)采空区积水情况
a、该工作面对应上覆山4#层8202采空区,山4#与C3#煤层层间距约25m,山4#层8202工作面总体呈下山开采,仅局部有个别低洼处,5200巷在掘进过程中,针对上覆山4#层8202采空区进行超前探放水工作,低洼处总共2处,预计积水量为3.9万立方米,共设计3个探放水孔,消除上覆采空区积水的水患后方可继续掘进。
b、白堂子村现已搬迁,工作面白堂子村保护煤柱区域本矿未进行采掘作业,但不排除地方小窑开采的可能性,最终在采空区低洼处形成积水,但老窑水对在掘进过程对工作面没有影响。
c、工作面在掘进期间,不会受到同层积水的影响。
(3)顶板含水层情况
山西组裂隙含水层主要赋存于5200工作面上部的K3砂岩中,其距离5200工作面约为10-15m,K3砂岩岩性以灰白色中粗粒砂岩为主,胶结较为疏松,据水文钻孔资料可知:工作面范围内单位涌水量介于0.0007-0.0304L/s•m,表明K3砂岩含水层的富水性弱且具有不均一性,因此K3砂岩对工作面的采掘有直接充水作用,但影响较小。
太原组砂岩裂隙含水层距工作面底部约为30m,岩性为中、粗粒砂岩,厚10-19m,通过对水文孔观测得出:该含水层水位标高为1117.56-1152.97m,具有一定的承压性,单位涌水量0.0031-0.0318L/s•m,受补给能力差,属高水头弱富水性含水层,对本工作面采掘影响不大。
寒武灰岩承压含水层是本工作面下伏的主要含水层,是开采下组煤的主要威胁,依据8200工作面临近的水文孔揭示:Y1402号孔岩溶溶孔发育,单位涌水量0.793651L/s•m,Y605号孔岩溶不发育,表明工作面区域内岩溶发育不均一,富水性弱-中等;灰岩顶板标高819-868m,寒灰水水位标高1100-1140m,工作面煤层底板标高913-940.09m,寒灰水水位高于煤层底板标高,对工作面采掘具有充水影响,且其充水强度大,如若发生透水事故将会威胁整个工作面甚至整个盘区。
3.3 观测系统布置
根据矿方要求的探测目的,结合工作面现场探测条件,本次瞬变电磁探测共完成5个方向,其中顶板斜上45°方向完成13个瞬变电磁探测物理点探测;其中顶板斜上30°方向完成13个瞬变电磁探测物理点探测;顺巷道掘进方向完成13个瞬变电磁探测物理点探测;底板斜下30°方向完成13个瞬变电磁探测物理点探测;纵剖面方向完成13个瞬变电磁探测物理点探测。共计完成65个瞬变电磁探测物理点探测,详见图3-2。

图3-2 瞬变电磁法超前探施工布置
4 数据处理与分析
YCS512矿用本安型探水仪采集的原始数据为电压对电流的对数值。将数据室内回放,原始数据打开后呈现两部分曲线,纵坐标表示某个测点的实测V/I值,从上到下依次为1~80道,0、E-1、……、E-6分别表示值为0、0.1、……、1000000,以对数方式显示,单位为“微伏/安培”;横坐标表示该记录的若干个测点记录,即实际采集了多少个采样点;“x=**”表示第几个测点记录,“y*=*”表示该测点的实测V/I值。下半部分的曲线为选中曲线测道显示,其中“x=**”表示上半部分x表示测点的测道显示。
从这个图上可以简单的分析出测区的电性大致分布趋势,峰值越大表示该区域地下的导电性较好,视电阻率就越趋于小,相对显示低阻异常。这是在后续的数据处理及异常区判断一个根据。软件处理主要流程为:数据上传—格式转换—数据滤波处理—计算晚期视电阻率—时深转换—结果成图。
1.从图4-1斜上45°探测结果中可以看出,在探测深度100m范围之内,发现2处低阻异常区,命名为低阻异常YC1和YC2,YC1位于横坐标0m~40m,纵坐标60m-100m范围内;YC2位于横坐标10m~100m,纵坐标0m-30m范围内。

 图4-1 C3#层302盘区5200巷掘进头视电阻率剖面扇形图45°斜向上(顶板)
2.从图4-2斜上30°探测结果中可以看出,在探测深度100m范围之内,发现2处低阻异常区,命名为低阻异常YC3和YC4,YC3位于横坐标10m~40m,纵坐标60m-100m范围内;YC4位于横坐标10m~100m,纵坐标0m-30m范围内。

图4-2 C3#层302盘区5200巷掘进头视电阻率剖面扇形图30°斜向上(顶板)
3.从图4-3顺层探测结果中可以看出,在探测深度100m范围之内,发现1处低阻异常区,命名为低阻异常YC5,YC5位于横坐标20m~100m,纵坐标0m-30m范围内。

图4-3 C3#层302盘区5200巷掘进头视电阻率剖面扇形图(顺层)
4.从图4-4斜下30°探测结果中可以看出,在探测深度100m范围之内,发现1处低阻异常区,命名为低阻异常YC6,YC6位于横坐标50m~100m,纵坐标0m-70m范围内。

图4-4 C3#层302盘区5200巷掘进头视电阻率剖面扇形图30°斜向下(底板)
5.从图4-5纵剖面探测结果中可以看出,在探测深度100m范围之内,发现1处低阻异常区,命名为低阻异常YC7,YC7位于横坐标40m~80m,纵坐标0m-30m范围内。

图4-5 C3#层302盘区5200巷掘进头视电阻率剖面图纵剖面(顶底板)
5 验证结果
本次勘探的主要目的是探测工作面顶板上覆山4#煤采空区积水情况与上部K3砂岩含水层富水情况,经过矿方钻探验证异常范围为山4#8202工作面采空区积水所致,探测异常区位置和实际采空区积水位置一致,证明瞬变电磁法在煤矿采空区积水探测实际应用效果良好。
6 结束语
通过瞬变电磁勘探成果,可以很清晰的显示掘进前方煤岩层的视电阻分布情况,从而分析掘进前方煤岩层富水性情况,为掘进工作面防治水工作提供重要依据,对矿井安全生产具有重要的指导意义。
物探具有时效性,且易受干扰,物探成果与实际情况可能会存在一定偏差,虽然在后期处理过程中采取措施进行了一定程度的校正,不排除探测区域存在其它地质异常情况的可能,在资料使用时应予以注意。建议矿方积极为物探提供良好的施工环境,以便排除影响物探结果的干扰因素(如浮煤、浮矸、积水、铁器、电力等),更有效的提升物探精度。矿井生产过程中及时反馈钻探或掘进揭露的地质信息,完善测区内物探资料的动态解释。
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添加日期:2022-9-29   浏览次数:1882
 
   
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