煤矿水害矿井物探方法与技术

矿井物探方法与技术郑广科/Tel-13657260998/QQ-68051904矿井物探的意义矿井物探的概念矿井物探技术是一门根据地下岩层物理性质的差异，借助一定的工作装置和专门的物探仪器测量其物理场的分布状况，通过分析和研究地下岩层物理场的变化规律，结合有关地质资料解决一定的地质问题，为地质工作者提供帮助一门技术。巷道掘进及回采过程中遇到的水文地质问题严重影响矿井的安全生产，传统的水文地质技术方法又具有很大的局限性，不仅影响工期，而且结果不够全面准确。矿井物探的意义因此，综合运用各种物探方法在地面或矿井下煤层附近探测地质异常，以及与采矿有关的工程地质问题，是矿井地质工作者首选手段。尽管所有物探方法其手段都是间接的，存在多解性和不完备性，但近几十年来，随着物探仪器实现了数字化和智能化，其方法和技术日臻完善，应用范围不断扩大，运用计算机快速多手段处理和解释井下采集的各种物探数据，多种物探资料结合矿井地质等资料综合解释，大大地克服了多解性，取得了明显的地质效果。矿井物探已成为矿井地质工作中不可缺少的手段。矿井物探的主要类型按照本文对矿井物探工作范围的界定，按物理场列表分类如下：矿井物化探的意义经过数年的现场应用，总结出针对煤矿和非煤矿山的现场施工方法与解释手段，特别是用于煤矿水文地质的探测技术，充分满足了国家煤矿防治水规定的“物探先行、化探跟进、钻探验证”的要求。经过众多矿山的实践证明，采用矿用瞬变电磁仪+直流电法仪+地质超前探测仪+无线电波透视仪+水源识别仪组合的方式，各种物化探方法相互补充，能准确探测出掘进迎头及回采工作面周围不良地质体（如陷落柱、采空区和溶洞等）和水害的分布及来源，为矿山安全生产保驾护航。矿井物化探的意义水文地球化学（简称水化学）探测技术是矿井防治水工作中的一种重要手段，在矿井突水水源判别方面效果显著，是一种快速、经济、实用的方法。水化学方法判断矿井突水水源，是依据地下水系统中天然(或人工示踪剂)的化学、物理及同位素成分的分布及变化规律，分析和了解地下水的补给、径流、赋存及排泄特征，了解含水介质本身的结构特征，从而达到对地下水源探查的目的。由于煤矿水害是除瓦斯外另一大危害，因此又把水化学探测称为化探，是化探的一种新概念。矿井物化探的意义在目前国内矿井物化探主要应用的技术有：1、矿井瞬变电磁技术2、矿井直流电法技术3、矿井震波技术4、无线电波透视技术5、水源识别技术瞬变电磁法技术矿井瞬变电磁技术瞬变电磁系统的组成：电源发送机发送回线接收回线接收机技术原理瞬变电磁法（TransientElectromagneticsMethod,TEM）是以地壳中岩（矿）石的导电性与导磁性差异为主要物质基础，根据电磁感应原理，利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间隙期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场，并研究该场的空间与时间分布规律,来寻找地下矿产资源或解决其它地质问题的一支时间域电磁法。下图即为瞬变电磁法原理的图解。电导率σ=0.1S/mT发射回线均匀半空间烟圈矿井瞬变电磁法简介矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法基本原理相同。所不同的是，矿井瞬变电磁法是在井下巷道内进行，瞬变电磁场呈全空间分布（见图），全空间效应成为矿井瞬变电磁法固有的问题。煤层一般情况下为高阻介质，电磁波易于通过，所以煤层对TEM来说就没有像对直流电场那样的屏蔽性，故接收线圈接收到的信号是来自发射线圈周围全空间岩石电性的综合反映。因而在判定异常体空间位置时，需根据线圈平面的法线方向并结合地质资料加以综合分析确定。t0t=t3t=t2t=t1XTxZ-Z图全空间瞬变电磁场的传播矿井瞬变电磁法简介瞬变电磁法或称时间域电磁法，是近年来发展很快的电法勘探分支方法。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。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，趋肤深度小矿井瞬变电磁法简介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。该方法除了具有穿透高阻层能力强及人工源方法随机干扰影响小等优点外，还具有：（1）断电后观测纯二次场，可以进行近区观测，减少旁侧影响，增强分辨能力;（2）可用加大发射功率的方法增强二次场，提高信噪比，从而增加勘探深度;（3）通过多次脉冲激发，场的重复测量叠加和空间域多次覆盖技术应用，提高信噪比;（4）可通过选择不同的时间窗口进行观测，有效地压制地质噪声，可获得不同勘探深度等一系列优点。因而，用瞬变电磁法进行找矿、地质构造、地下水、地热资源和环境工程勘查的研究愈来愈被人们重视。瞬变电磁仪工作原理指数衰减，高阻衰减快，低阻衰减慢瞬变电磁法技术瞬变电磁法技术瞬变电磁法技术矿井瞬变电磁法简介瞬变电磁法适合解决什么地质问题?不适合解决哪些地质问题?简述瞬变电磁法的优点。•适合解决低阻体的探测，对含水构造，陷落柱导水，采空区积水，裂隙含水等低阻异常非常灵敏。•不适合对地质构造，特别是不含水的复杂构造和断层进行探测和地质推断。对瓦斯的探测基本上没有效果。•优点：瞬变电磁仪对低阻充水破碎带反映特别灵敏、体积效应小、横向分辨率高，且施工快捷、效率高等优点。瞬变电磁仪工作原理瞬变电磁仪几个关键技术指标及应用瞬变电磁仪工作原理瞬变电磁仪几个关键技术指标及应用瞬变电磁仪工作原理晚期信号弱，且极易受外界电磁干扰，硬件需支持多次叠加和采取抗50Hz干扰措施。瞬变电磁仪工作原理瞬变电磁仪工作原理瞬变电磁仪工作原理瞬变电磁仪必须达到的性能指标a．发送机的主要性能指标1）双极性方波恒流供电；可消除直流偏置与周期性干扰信号.2）电流越大越好；可增大发射功率，提高信噪比，加大勘探深度.3）下降沿时间越短越好；使过渡过程时间缩短，减少一次场干扰，对浅部勘探是必须的.瞬变电磁仪工作原理决定仪器勘探深度的关键指标：发射功率和采样频率（采样时长）160ms160ms1.5625HZ：1/1.5625×1000÷4=160ms瞬变电磁仪工作原理4）供电脉宽；改善发射波形的频谱结构，减少前沿影响，脉宽越长，对勘探深部越有利。5）供电周期必须是50hz信号周期的整数倍；正反迭加后可基本上消除工频干扰。测点布置及施工方法于巷道内设置可通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，并在巷道周围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。测点布置及施工方法矿井瞬变电磁法在煤矿井下巷道迎头附近进行，以扇形方式进行探测。根据多匝小线框发射电磁场的方向性，可认为线框平面法线方向即为瞬变探测方向。因此，将发射接收线框平面分别对准煤层顶板、底板或平行煤层方向进行探测，就可反映煤层顶、底板岩层或平行煤层内部的地质异常（见图）。其线框所在平面与顶底板夹角视探测要求与煤层倾角而定。测点布置及施工方法测点布置及施工方法瞬变电磁法技术井下解决主要水害问题：1)掘进巷道前方水害体超前探测;2)工作面煤层顶板水害体探测;3)工作面煤层底板水害体探测;4)工作面外边界断层或老空区赋水性探测;5)废弃不良钻孔赋水性检测;6)赋水构造注浆效果检测（前后对比）。测点布置及施工方法矿井瞬变电磁超前探测测点布置在井下需要注意的问题:根据探测目标体的空间方位，合理地选择发射和接受线圈的位置，对于提高地质应用效果至关重要。目前瞬变电磁在井下预报时，受现场金属干扰的影响颇大。前期经常出现左右侧帮低阻显示的预报结果。后期经过现场论证，很多低阻异常是由于左右侧帮的金属锚网影响所致。后期施工的时候，特意调整线圈和侧帮的距离，即左右侧帮距离1米开外，正前方距离掘进头0.5米左右，通过后期软件的校正，最大程度的消除左右帮金属影响。对于巷道内侧帮的施工，也是要充分考虑侧帮的不同地带有不同金属影响的干扰，施工的过程中尽可能避开大型金属体的背景影响，最大程度的保证预报的正确性。瞬变电磁法技术超前探时对现场施工条件的要求:•巷道迎头向后6-8m左右范围无大型金属机械（综掘机械、扒矸机械、钻机、水泵和堆积其它金属体等，有金属支护没有关系），巷道迎头范围有2m以上高度，通风正常。•探测期间迎头位置严禁放炮和炮孔内有雷管、炸药。•探测期间尽可能希望矿方配合对巷道附近进行停电处理，探测时间一小时左右结束。•巷道内尽量停电（风机除外，如果风机供电开关在井下巷道内也要停电）；•迎头处积水尽量排尽，如无法排尽，施工过程中不能让重叠回置线圈侵泡在水中，必须离积水面10-20cm；线圈在施工过程中也不能贴在任何铁器上，比如顶板锚网锚杆等；矿井瞬变电磁仪工程案例——超前探工程实例工程案例1:●勘查单位及时间：中煤集团唐山沟煤矿，2012年4月27日●勘查内容：查明巷道前方可能存在的采空区富水性情况●使用仪器：TEMHZ75+TEMJF50矿用瞬变电磁仪●装置布置：沿巷道掘进头，布置测线3条（顶板斜向上30度、顺层、底板斜向下30度方向），通过在掘进头移动发射接收线圈，形成3条超前探测的实测剖面●实测图示：-150-130-110-90-70-50-30-101030507090110130150顺层方向0102030405060708090100110120130140150010203040506070809010011012013014015005151820253035405090100150200250270矿井瞬变电磁仪工程案例——超前探工程实例工程案例2:●勘查单位及时间：汾西集团瑞泰公司正行矿，2011年9月29日●勘查内容：查明行人斜井下段前方左侧的采空区富水性情况●使用仪器：TEMHZ75+TEMJF50矿用瞬变电磁仪●装置布置：沿巷道掘进头，布置测线3条（顶板斜向上30度、顺层、底板斜向下30度方向），通过在掘进头移动发射接收线圈，形成3条超前探测的实测剖面●实测图示：矿井瞬变电磁仪工程案例——超前探工程实例-120-100-80-60-40-20020406080100120行人斜井下段掘进头超前探测斜向上45°方向（顶板）0102030405060708090100110120010203040506070809010011012004.5610152535405090100180280350-120-100-80-60-40-20020406080100120行人斜井下段顺层方向（水平）0102030405060708090100110120010203040506070809010011012004.5610152535405090100180280350矿井瞬变电磁仪工程案例——超前探工程实例探测结论：正前方偏左0-30度范围内，顶板和顺层方向前方60-120m范围内有明显低阻异常区，地质推断前方偏左位置采空区有积水，要求矿方重点进行钻探验证和提前做好探放水措施。后期在探放水实际验证时，前方偏左向上20度布置钻孔，钻探到68米处开始出水，后继续钻探到72米掉钻，实测结果和实际采空区位置完全吻合。矿井瞬变电磁仪工程案例——超前探工程实例工程案例3:●勘查单位及时间：汾西集团某矿，2012年2月12日●勘查内容：查明轨道上山掘进头前方的富水性情况●使用仪器：TEMHZ75+TEMJF50矿用瞬变电磁仪●装置布置：沿巷道掘进头，布置测线3条（顶板斜向上30度、顺层、底板斜向下30度方向），通过在掘进头移动发射接收线圈，形成3条超前探测的实测剖面●实测图示：-160-140-120-100-80-60