西部探矿工程seriesNo.103
2004年第12期WEST-CHINAEXPLORATIONENGINEERINGDec.2004
文章编号:1004—5716(2004)12—0077—02中图分类号:P63113 文献标识码:B
矿井瞬变电磁法在探测工作面顶板富水区中的应用
易德礼1,徐胜平2,金国祥2
(1.皖北煤电集团有限公司祁东煤矿地测科,安徽宿州234000;2.安徽煤田地质局三队,安徽宿州234000)
摘 要:介绍了矿井瞬变电磁法的基本原理,探测布置及方法,以及在探测采煤工作面顶板富水区中的应用效果及探采对比情况,说明矿井瞬变电磁法探测结合钻探成果可有效评价工作面顶板富水性。关键词:瞬变电磁法;矿井;富水性;煤层顶板
祁东煤矿于1997年10月开工兴建,设计能力年产原煤150×104t,采用主、副井、大巷、石门开拓方式。水平标高-600m,中央泵房最大综合排水能力980m3/h。井田为第四系松散含水层覆盖下的隐伏煤田,煤系地层属石炭二叠系,含可采煤层14层,可采煤层总厚15.5m,矿井深部技术边界-800m,工业储量3.35×10t。矿井的直接充水含水层为煤层顶、底板砂岩裂隙含水层,主要的水源含水层为第四系底部的四含和奥陶石灰岩。该矿
3222采面于2001年11月5日开始试采,由于顶板周期来压,机
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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,这一过程场继续下去,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程场,伴随这一过程场存在的电磁场就是大地的瞬变电磁场。
头处底板由渗水发展到11月25日1520m3/h的涌水量。由于矿井排水能力不足,最终导致了突水淹井事故,造成了巨大的经济损失。可以说明该矿工作面回采过程中受矿井水威胁和影响较大,特别是工作面煤层底板标高>-480m以上位置,当煤层顶板砂岩富水裂隙发育时,是工作面回采时最容易出水的区域。因此为了确保3241工作面安全回采,特采用矿井瞬变电磁法对该工作面煤层顶板标高>-480m范围,分别在风巷和切眼内向工作面顶板进行探测,查明煤层顶板以上60m左右范围内富水区域,为工作面安全生产提供地质资料。
1 瞬变电磁法基本理论
图1 地下感应电流环带分布图
瞬变电磁法又称为时间域电磁法(TEM),它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场,在一次脉冲磁场间歇期间,利用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:于地面或空中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电磁场,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。
1.1 基本原理
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,其强度逐渐减弱,分布趋于均匀。
1.2 矿井瞬变电磁法
矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法一样,采用仪器和测量数据的各种装置形式和时间窗口也相同。由于矿井瞬变电磁法勘探环境的限制,测量线圈大小有限,其勘探深度不如地面深,一般深度在100m左右。地面瞬变电磁法为半空间瞬变响应,这种瞬变响应来自于地表以下半空间地层;而矿井瞬变电磁法为全
空间瞬变响应,这种瞬变响应是来自于回线平面上下(或两侧)地层,对确定异常体的位置带来困难。实际资料解释中,必须结合具体地质和水文地质情况综合分析,但是,矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法相比具有以下几个方面的特点:
在电导率为σ,磁导率为μ0的均匀各相同性大地表面附设面积为S的矩形发射线圈(图1)。在回线中供以I(t)=
I t<00 t≥0
的阶跃脉冲电流。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
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西 部 探 矿 工 程
No.12
(1)由于井下测量环境不同与地表,不可能采用地表测量时工作面回采不会产生大的影响。
从视电阻率等值线变化规律可以看出:沿探测方向距离<60m(垂向距离煤层顶板<40m左右)范围,视电阻率等值线整体呈近于平行分布,说明该范围内煤层顶板岩层完整性较好,含水裂隙不发育;沿探测方向距离>70m(垂向距离煤层顶板
>50m左右)范围,视电阻率等值线明显变稀疏,横坐标在80～
的大线圈(边长>50m)装置,只能采用边长<3m的多匝小线框,因此数据采集工作量小,测量设备轻便,工作效率高,成本低;
(2)由于采用小线圈测量,点距更密(一般为2～20m),降低体积效应的影响,提高勘探分辨率,特别是横向分辨率。
(3)井下测量装置距离异常体更近,大大提高测量信号的信噪比,实际测量结果说明,井下测量信号的强度比地面同样有效面积的相同装置测量的信号强10～100倍。井下干扰信号相对有用信号近似等于零(>30ms时间段),而地面测量信号在衰减到一定时间段(一般<15ms)就被干扰信号覆盖,无法识别有用异常信号;
(4)地面瞬变电磁法勘探一般只能将线圈平置于地面测量,而井下瞬变电磁法可以将线圈置于巷道底板测量,探测巷道底板下一定深度内含水异常体垂向和横向发育规律,也可以将线圈直立于巷道内,当线圈面平行巷道掘进前方,可进行超前探测;当线圈面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。
1.3 探测布置
Ωm的低阻异常区,150m之间位置,视电阻率等值线出现数值<2
同样划为B异常区。横坐标在220～270m之间位置,虽然局部含水裂隙发育,由于含水裂隙分布范围小,垂向距离煤层顶板较
远(>60m),一般对工作面回采不会产生大的影响,其它位置无明显含水裂隙发育。另对切眼探测断面进行分析,在沿探测方向距离>60m范围,视电阻率等值线变稀疏,从0～120m间视电阻率出现<2Ωm的“白化”区,说明煤层顶板含水裂隙发育,且富水性较强,划分为A异常区。
2.2
探测成果及建议
根据瞬变电磁法探测结果,结合以往各工作面探测结果和
工作面回采验证情况综合分析,得出如下结论:3241工作面在切眼巷道内自距离机巷5m开始向风巷方向120m范围、垂向距离工作面煤层顶板40m左右以上岩层内含水裂隙发育(A异常区域),且富水性较强。根据祁东矿其它几个工作面矿井瞬变电磁法探测成果和回采过程中顶板出水情况对比分析,随着3241工作面回采推进,采空区范围增大,当工作面推过A异常区一定距离,很可能由于受采动影响,致使A异常区域裂隙水进入老塘内,影响工作面的正常、安全回采。因此在工作面回采之前,建议对A异常区域布置几个钻孔进行验证,终孔位置要求垂向距离
图2 现场探测方向示意图
煤层顶板>50m。
同时3241工作面顶板靠近风巷一侧,在距离切眼350～390m之间位置发育一范围较小的含水裂隙带(B异常区域),该含水裂隙带对工作面回采影响不大。在风巷距离切眼80～150m之间位置,在工作面外侧煤层顶板发育一垂向距离煤层顶板>50m左右的含水异常区(B异常),受采动影响,致使B异常区域裂隙水进入老塘内,对工作面回采可能产生影响。因此建议对
B异常区域布置一个钻孔进行验证,终孔位置要求垂向距离煤层
本次探测采用仪器为SIROTEM3型瞬变电磁仪,该仪器具有抗干扰、轻便、自动化程度高等特点。数据采集由微机控制,自动记录和存储,与微机连接可实现数据回放。探测测点间距为
10m,实际测量时,为了在巷道内探测到工作面顶板岩层内富水
区域,采用多匝线框,探测方向与煤层呈45°夹角斜向上(图2),发射线框和接收线框分别为匝数不等、且完全分离的两个独立线框,以便与地下(前方)异常体产生最佳偶合响应。测线分别布置在切眼和风巷内,切眼在距离机巷5m位置开始,向风巷方向
170m长,风巷内自切眼开始向外400m长度巷道内对3241工作
顶板>50m。
3 技术措施及探采对比
针对瞬变电磁法探测成果,对所确定的A、B异常区分别进行了施工钻孔探查,设计钻孔为2个,参数分别为:1号335°倾角
17°,孔深厚133m;2号2°倾角28°,孔深厚60m。钻探结果表明,1
面顶板进行探测,共完成570m长度测线和四个物理点探测。
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探测资料解释及成果
通过对数据进行系列处理,最终得出视电阻率拟断面图,结
2.1 探测解释
号孔至128m处出水,水量为2m3/h,2号孔75m处出水,水量1.
6m3/h,这与探测成果基本一致。
合顶板岩层岩性及视电阻率分布特征进行含水岩层与位置判定。从测空的视电阻率等值线变化规律可以看出:沿探测方向距
离<65m(垂向距离煤层顶板<45m左右)范围,视电阻率等值线整体呈近于平行分布,说明该范围内煤层顶板岩层完整性较好,含水裂隙不发育;沿探测方向距离>75m(垂向距离煤层顶板
>60m左右)范围,视电阻率等值线明显变稀疏,横坐标在350～390m之间位置,视电阻率等值线出现数值<2Ωm的低阻异常
目前该工作面已安全回采过半,除个别地方煤层顶板发生少量淋水外,未有大的矿井涌水现象,可以说,瞬变电磁法探测成果对工作面回采技术措施制定起到了较好的指导作用。
参考文献:
[1] 刘天放,李志聃.矿井地球物理勘探[M].北京:煤炭工业出版社,
1993.
[2] 蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京:地质出版社,
1998.
区,说明工作面煤层顶板对应范围含水裂隙发育,划为B异常区。其它位置局部含水裂隙发育或无明显垂向含水裂隙,一般对
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