物探法(矿井瞬变电磁仪)测水在矿井的应用

矿井瞬变电磁仪赋水性探测在振兴矿的应用振兴煤矿地测科2011年1月15日矿井瞬变电磁仪赋水性探测在振兴矿的应用龙煤股份有限公司鹤岗分公司振兴煤矿地测科殷木群摘要：瞬变电磁仪赋水性探测是科学的、准确的。但任何方法都不是绝对的，都有它的相对性。我们基层技术人员只有将地质分析、钻探、物探等方法有机的统一结合起来，才能及时有效地发现问题。关键词：安全生产赋水性探测统一结合1、振兴矿水文概况振兴煤矿位于鹤岗市向阳区东部，各含水岩系主要靠大气降水补给，以断层、裂隙、孔隙、老空及小煤矿为补给通道，导入井下工作面或采空区，威胁矿井安全生产。由于一、二水平煤层已采完，三水平正在开采，生产区的地表都有不同程度的缓慢下降，造成很多塌陷坑，岩石垮落造成裂隙与地表沟通，井下涌水量随降水量大小而增减。每年六、七、八、九月雨季时，井下涌水量较大，加上井田内的很多地方小煤矿和邻区新岭矿南露天，都在本矿二水平以上开采，井田周围环山地势较高，而井田内地势较低，使汇水面积增大，侧向补给增多，造成矿井水文地质条件较为复杂。在开采的过程中受老空水及周边小窑威胁，水害十分严重。其中主要影响因素是构造破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等富水区(体)等。随着开采深度的增加，受外营力减弱等原因，岩石裂隙显著减少，涌水量亦显著减少，影响因素主要是上部采空区积水。由于采用由上往下逐步开采的方式，采空区在现采工作面上部形成多层截水空区，经过多年开采，上部采空区范围较广，蓄水量较高。以上因素对巷道的安全掘进与生产构成严重威胁。因此，急需查明赋水情况，以便于准确疏放，确保我矿的安全生产。如何做到提前预报和及时防治，关键在于有效的超前预测。多年来这一问题一直困扰着煤矿的基层技术人员和施工人员。随着当今计算机水平与科学技术不断提高和发展，对这一问题的解决也陆续涌出了不少科学手段，其中主要包括三种手段：地质分析法、钻探法、物探测试法三大类。其中物探类方法近几年来发展很是迅速，与地下水有关的探测主要包括矿井直流电法勘探技术、无线电波透视技术、音频电透视技术、矿井瞬变电磁技术、红外探水等，其种类繁多。而在这些方法中，时间域瞬变电磁法以其本身固有的优点异军突出，在国内外备受青睐并得到很快的发展，特别是在对煤矿生产至关重要的煤田水文地质勘查方面，时间域瞬变电磁法已经成为了首选的物探手段。2、瞬变电磁基本原理概述瞬变电磁法又称时间域电磁法，简称TEM或TDEM，它是利用不接地回线或接地线源（电极）向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地线源（电极）观测二次涡流场的方法。它与其它测深方法相比，具有探测深度大、信息丰富、工作效率高等优点。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、矿井瞬变电磁仪的特点矿井瞬变电磁仪在井下探测时，由于受矿井轨道、高压环境及小规模线框装置的影响，在井下的探测深度很受限制，一般可以有效解释100m左右。另外，矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应，这种响应来自回线平面上下（或两侧）地层，这对确定异常体的位置带来很大的困难。实际资料解释中，必须结合具体地质资料和水文地质情况综合分析。实践表明，井下测量的信号强度比地面同样装置及参数设置的信号强10-100倍。井下的干扰信号相对于有用信号近似等于零，而地面测量信号在衰减到一定时间段接被干扰信号覆盖，无法识别有用的异常信号。由于井下测量环境与地表不同，无法采用地表测量时的大线圈（边长大于50m）装置，只能采用边长2m的多匝方形重叠回线装置。4、矿井瞬变电磁仪赋水性探测在振兴矿的实际应用工程1振兴煤矿-137流水巷右帮15#层采空区是否存在积水对下一步安全生产威胁严重，为查明该采空区赋水情况进行了赋水性探测。2010年10月4日对振兴矿北部区-137流水上山右帮15#层采空区进行了探查。由于巷道断面较小线圈展不开，所以只能在断面较大的迎头位置对15#层采空区进行扇形探测。根据多匝小回线发射电磁场的方向性，可认为线框平面的法线方向即为瞬变电磁探测方向。因此，将发射、接收线框平面对准采空区方向进行探测，便可反映采空区内部的地质异常。根据这个原理结合本次的探测目的，对采空区进行探测时可将线框与底板倾斜一定的角度确保线框平面的法线指向采空区。从这个剖面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。经过相关计算可以得出每个测点的视电阻率值，然后用作图工具成图可以结合地质及水文地质情况直观地判断测区岩层的电性分布特点。振兴煤矿北部区-137流水巷右帮15#层采空区TEM探测解析结果上图是振兴煤矿-137流水巷侧帮探测视电阻率拟断面图，图中不同的颜色表示不同的视电阻值，电阻率由低到高按照从冷色调到暖色调升高的规律分布。因此填充了不同颜色的该断面图可以更直观的判断探测区域顶板电阻率的分布情况。一般情况下，在同一条件下岩石的电阻率不会发生大的变化。但如果岩石（煤）出现空区或者充水那么岩石的电阻率就会发生大的变化。上图中可以发现，视电阻率存在的较大的差异，在-137流水巷测帮深部25米开外视电阻率分布较低，而且视电阻率等值线也较为稀疏，结合地质资料分析，应为我们的目标采空区，而且赋水性反应比较大，表明有采空区积水的存在。根据探测结果给出的具体位置，布置了放水钻孔，钻孔打到位置后，有水涌出，流量30立方米/小时左右。随着采空区内水位的降低流量越来越小，现流量为3立方米/小时左右。截止到2010年12月31日已累计放水8791立方米，充分证实了探测结果的准确性。工程2振兴煤矿三水平北部区18号层左三段回风巷左上部是上段18号层采空区，前期已对该采空区进行了打钻放水，为进一步查明该采空区赋水情况和疏水效果2010年12月17日进行了赋水性探测。振兴煤矿三水平北部区18号层左三段回风巷TEM探测解析结果回风左帮TEM探测解析结果上图是振兴煤矿三水平北部区18号层左三段回风巷探测视电阻率拟断面图。上图中可以发现，视电阻率存在的较大的差异，在18号层回风巷左上方18米—50米开外视电阻率分布较低，而且视电阻率等值线也较为稀疏，结合地质资料分析，应为我们的目标空区，而且赋水性反应比较大，表明采空区仍有积水的存在。截止到12月31日该采空区已累计放水6.5万立方米。振兴矿二水平南部边界下山在施工过程中，经对照上方有旧巷，有赋水的可能，2010年9月6日用瞬变电磁仪进行了探测，结果表明旧巷内无积水，之后又用钻探进行了证实，为该掘进队的正常施工解决了后顾之忧。三水平中部区水仓在施工过程中，巷道有淋水现象，经对照附近无旧巷。2010年11月19日用瞬变电磁仪进行了探测，结果表明，淋水处顶板岩体内含水，无积水的存在，为水仓的安全施工排除了隐忧。5、结论经过几次的探测，表明瞬变电磁仪赋水性探测是科学的、准确的。但任何方法都不是绝对的，都有它的相对性。我们基层技术人员只有将地质分析、钻探、物探等方法有机的统一结合起来，才能及时有效地发现问题、解决问题，为煤矿事业的安全发展保驾护航。作者简介：殷木群，男，1969年5月21日出生，2007年毕业于鹤矿职工大学，采矿专业，现振兴矿地测科技术员，从事防治水工作。