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      鹤岗分公司在矿井旧区旧巷积水探测手段的实践
      信息来源:《应用快讯》   添加日期:2013-11-13   浏览次数:3754

      李纯杰,沈跃加,丁宝国

      (龙煤鹤岗分公司地测部,黑龙江鹤岗154100

        要:鹤岗矿区是一个百年历史的老矿区,地质构造极为复杂。由于多年来的高产高效,矿区资源量已接近枯竭,随之而来的就是产生了大量的旧区旧巷,而这些旧区旧巷的积水问题日渐突出,严重地威胁矿井的安全生产。瞬变电磁技术应用为矿井防治水提供技术支持和保障,它具有快速定性水源的距离和位置并能及时准确地预测预报,取得了令人满意的效果,在煤矿有着良好的应用前景。

      关键词:瞬变电磁;全方位;采空区;水害体

      1、 引言

      鹤岗矿区是一走向近南北的窄长地带,原始的南北经向构造受后期新华夏系NE向改造,形成相互切割,关系复合的层次,构造复杂,破坏了地层的连续性,给开采带来很大困难。随着开采深度的加深,上覆地层中产生了大量的旧区旧巷,而这些旧区旧巷随着时间的推移产生冒落、沉降直接影响到地表,这就为地表水和地下水的向采空区导通提供了便利条件,给矿区防治水带来巨大的挑战。

      由于原始的探放水方法较为落后,与人为的工作经验也有一定的关联,具有一定的盲目性,既费时费利,又难于满足安全生产的需要。通过利用瞬变电磁技术后,较好较快地解决了防治水害中的一些技术难题。他具有定性、定位准确、可操作性强等优点,填补了鹤岗分公司在矿井防治水应用科学技术上的一项空白。

      2、瞬变电磁法探测原理

      瞬变电磁的基本工作方法是:通以装置线圈一定波形的发射电流,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。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。通过测量断电后不同时间的二次场随时间变化规律,可得到不同深度的地电特征。在线圈中通以阶跃电流,在电流断开之前,发射电流在回线周围的大地和空间建立起一稳定的磁场,在t=0时刻,将电流突然断开,由该电流产生的磁场也立即消失。一次场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中,并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场,使空间磁场不会立即消失。

      由于介质的欧姆损耗,这一感应电流将会迅速衰减,这种迅速衰减的磁场又在其周围的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流,这一过渡场继续下去,直至大地的欧姆损耗将能量消耗完为止。这便是大地中的瞬变电磁过渡场,伴随这一过渡场存在的电磁场就是大地的瞬变电磁场。

      应该指出,由于电磁场在空气中传播的速度比导电介质中传播的速度大得多,当一次电流断开时,一次场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地层各点,因此,最初激发的感应电流局限于表层,表层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表层处感应电流最强。随着时间的推移,地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散,其强度逐渐减弱,分布趋于均匀,感应电流呈环带分布。

      瞬变电磁法测量装置由发射回线和接收回线两部分组成,工作过程分为发射、电磁感应和接收三部分。当发射回线中通以阶跃电流I,发射电流突然由 I 下降到零,根据电磁感应理论,发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场,该磁场称为一次磁场,一次磁场在周围传播过程中,如遇到地下良导电的地质体,将在其内部激发产生感应电流,又称涡流或二次电流,由于二次电流随时间变化,因而在其周围又产生新的磁场,称为二次磁场。由于良导电地质体内感应电流的热损耗,二次磁场大致按指数规律随时间衰减,形成瞬变磁场,二次磁场主要来源于良导电地质体的感应电流,因此它包含着与地质体有关的地质信息,二次磁场通过接收回线观测,并对观测的数据进行分析和处理,对地下地质体的相关物理参数进行解释。

      3、技术工作方法

      3.1 仪器设备

      本次探测使用仪器为福州华虹智能科技开发有限责任公司研制的YCS40A)矿用瞬变电磁仪,YCS40A)矿用瞬变电磁仪对低阻充水破碎带反映特别灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高,且施工方便、快捷、效率高等优点,既可以用于煤矿掘进头前方,也可以用于巷道侧帮、煤层顶、底板等探测, 为煤矿企业在生产过程中水患和导水构造的超前预测预报提供技术手段。

      3.2 施工布置

      将发射线框置于掌子面,其发射源激励下的涡流场在不同岩层中传播,形成的二次场又会被置于掌子面的接收装置以感应电位的形式所接收,通过观测感应电位的变化,从而推测掌子面前方电性的变化。现场勘探见图1

      掌子面的现场勘探原理图

      1 掌子面的现场勘探原理图

      井下瞬变电磁法可以将线圈放置于巷道底板测量,探测底板一定深度内含水性异常体垂向和横向发育规律,也可以将线圈直立于巷道内,当线框面平行巷道掘进前方,可进行超前探测;当线圈平行于巷道侧面煤层,可探测工作面内和顶底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律;另外矿井瞬变电磁法对高阻层的穿透能力强,对低阻层有较高的分辨能力。在高阻地区由于高阻屏蔽作用,如果用直流电法勘探要达到较大的探测深度,须有较大的极距,故其体积效应就大,而在高阻地区用较小的回线可达到较大的探测深度,故在同样的条件下TEM较直流电法的体积效应小得多。

      3.3数据采集及相关参数

      数据采集采用YCS40-1本安型矿用瞬变电磁仪,重叠的工作装置。仪器及装置相关采集参数如下:

      仪器参数设置:                   装置参数设置:

      发射电压:12V                    发射线框的边长:2m

      发射频率8.3Hz                    匝数:9

      叠加次数:512                    电阻要求:<=10Ω

      抑制系数:3            接收回线边长:2m

      测道数:37                       匝数:18

      记录时窗:0.008ms-864ms

      3.4数据处理与资料解释

      矿井瞬变电磁处理系统V1.0Mine Transient Electromagnetic Methods System V1.0,c 以下简称:MTEM)可处理、管理矿井和地面所采集的瞬变电磁数据;可对数据进行平滑、重组、晚期电阻率计算等操作;最后形成二维等值线结果图,能对地质体的含水性和构造进行较为准确的预测预报。

      矿井瞬变电磁法勘探成果的资料解释应以理论和地质条件为基础,以测区的物性差异为前提,结合地质与其它物化探方法进行综合分析,形成合理的勘探成果。

      4、应用实例

      4.1实例一

      a.探测地点:2010410,振兴煤矿301回采工作面回风巷


      b.工程概况:振兴煤矿301回采工作面回风巷,侧帮上段空区水将对工作面回采产生严重安全威胁,为查明测帮上部采空区赋水情况和疏水效果进行本次探测。

      c.探测目的:301回风工作面上段采空区的赋水情况

      d.探测模式:侧帮探测

      e.探测结果:上图中可以发现,视电阻率存在的差异不太大,在301回采工作面回风巷侧帮深部18-25开外电阻率分布较低,而且视电阻率等值线较为稀疏,结合地质资料分析,应为我们的目标空区,但赋水性反应不太大,只有部分地方存在水量小范围积聚。


      f.验证结果:探测前已经开始打钻放水,水量在每小时20吨,10天后量在减少为5吨。表明前期的疏放水效果不错,还需进一步的做好安全性评价和疏放水处理,确保工作面安全。

      4.2实例二

      a.探测地点:2010731新岭煤矿+80轨道石门顶


      b.工程概况:本次勘查的区域为本矿的复采区,上部多为采空区 ,水患严重威胁生产,而且周边又有露天开采,水位标高在+100以上,水文条件极为复杂。

      c.探测目的:+80轨道石门顶上部采空区的赋水情况

      d.探测模式:顶板

      e.探测结果:一般情况下,在同一条件下岩石的电阻率不会发生变化。但如果岩石出现裂隙或者充水那么岩石的电阻率就会发生大的变化。从上图中可以发现,纵向深度在30、横向30内的区段,显示为蓝色区域,代表了视电阻率的低阻异常,结合矿方地质资料综合分析,应为采空积水。结果图如下:


      f.验证结果:已经打钻疏水,且水量较大200t/h

      4.3实例三

      a.探测地点:201091,兴山煤矿二水平三石门30层总回风上山


      b.工程概况;掘进前方地质水文情况不详,进行本次探测

      c.探测目的:为查明兴山煤矿二水平三石门30层总回风上山迎头前方的赋水情况。

      d.探测模式:迎头

      e.探测结果:从上图中可以看出,断面图中并没有低阻异常异常区,结合矿方地质资料综合分析,兴山煤矿二水平三石门30层总回风上山迎头前方100,左右40范围内并没有赋水异常区。


      f.验证结果:与实际相符。

      5、结束语

      通过一年多在全矿区九个生产矿井的实验,井下瞬变电磁仪较好地完成了在井巷中对上覆、上段及迎头等关键区域的探测,形成了自己的一些经验与看法。

      a.该仪器设备具有轻便、快速和对低阻反映灵敏等特点,特别适用于矿井下探测巷道周围空间赋水体,可定性地圈定赋水异常体的发育范围和距离。

      b.探测前要确定好探测体与探测测线的空间关系,从而确定探测角度,以免探测不到水害体,产生误预报。

      C.探测目标与围岩之间电性差异较小,或探测目标物的相对规模不大,则不能肯定是否测出目标物的异常响应区。

      d.基于瞬变电磁法基本理论的涡旋电流之“烟圈效应”,他对于不同区域不同介质的扩散速度就不同,介电常数也不一样,因此,速度也不一样,那么,我们都采用一样的深度系数值(50)有时误差就很大。所以,要准确解释探测数据,需对已知点采集数据做正演,或通过对已知点来调整深度系数值,达到解释准确性。

      e.由于瞬变电磁法的关断效应影响,他无法探测到巷道附近更浅部的异常体,巷道周围25M左右范围内为探测盲区。

      总之,在煤矿防治水工作过程中,瞬变电磁技术能有效地探测出矿井水害异常体,并能圈出其影响范围和深度,提高了预报预测的准确性,是目前解决矿井防治水问题的一种行之有效的方法。

      6、参考文献

      1)、刘树才,岳建华,刘志新.煤矿水文物探技术与应用.中国矿业大学出版社,2006.

      2)、于景邨.矿井瞬变电磁法理论与应用技术研究.国中矿业大学资源与地球科学学院,2000.

      3)、福州华虹智能科技开发有限公司,瞬变电磁仪用户使用手册

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