11701工作面瞬变电磁报告

1 永贵能源糯东煤矿永贵能源糯东煤矿 1170111701 工作面迎头处瞬变电磁探测工作面迎头处瞬变电磁探测 成果报告成果报告 编 制 审 核 部 长 总工程师 编制日期 年 月 日 报告编号 13 05 22 2 1 工程地质概况及探测任务工程地质概况及探测任务 1 1 工程概况工程概况 1 工作面位置 11701 工作面正下方为 11901 回风顺槽平均间距 12m 下伏采空区为 12001 采空区 平均间距 20m 东邻 11703 采空区 南侧为一号回风大巷 北距一采 区边界约 540m 2 工作面范围 面积 11701 采面在一采区北翼 17 号煤层中 上顺槽开口位置在 BGh 导线点处 开口坐标为 x 2813199 523 y 35487634 039 下顺槽开口位置为北翼轨道 BG4 号导线点前 10 619m 处 开口坐标为 x 2799391 965 y 35496746 321 下顺槽为沿空掘巷 沿 11703 回风顺槽留 5m 煤柱 采面顺槽方位角为 19 10 采面设计走向长 445m 切眼长 110m 可采储量 15 3 万吨 3 四邻及地表情况 工作面均不受四邻采掘活动影响 工作面对应地面位置位于糯东村以东约 660m 平距 柏家大地西北方约 830m 平距 骆马山下方 工作面对应地 面无建筑物 多为农田 沟谷 地面标高 1682 1833m 工作面埋深约 420m 1 2 地球物理勘探前提地球物理勘探前提 从电性上分析不同地层的电性分布规律为 煤层电阻率值相对较高 砂岩 次之 粘土岩类最低 由于煤系地层的沉积序列比较清晰 在原生地层状态下 其导电性特征在纵向上有固定的变化规律 而在横向上相对比较均一 当存在 构造破碎带时 如果构造不含水 则其导电性较差 局部电阻率值增高 如果 构造含水 由于其导电性好 相当于存在局部低电阻率值地质体 综上所述 当断层 裂隙和陷落柱等地质构造发育时 无论其含水与否 都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律 这种变化规律的存在 为以岩 石导电性差异为物理基础的矿井瞬变电磁法探测提供了良好的地质条件 2 瞬变电磁基本原理概述 瞬变电磁基本原理概述 2 1 瞬变电磁法概述瞬变电磁法概述 瞬变电磁法 Transient Electromagnetic Methods 又称时间域电磁法 Time 3 Domain Electromagnetic Methods 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 该方法是近年来国内外 发展得较快 地质效果较好的一种电法勘探分支方法 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 自上世纪五十年代以来 该 方法得到迅速发展 特别是对探测高阻覆盖层下的良导电地质体取得了显著的 地质效果 它主要应用于金属矿勘查 构造填图 油气田 煤田 地下水 地 热以及冻土带和海洋地质等方面的研究 在国内外已取得了令人瞩目的效果 总结起来 影响矿井回采及巷道掘进安全的地质因素主要是构造破碎带 裂隙发育区 岩溶 陷落柱等赋水区 体 对巷道的安全掘进与生产构成严重威 胁 也是煤矿发生重大突水事故的主要原因 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 主要包括三种手段 地质分析法 水平钻探法 物探测试方法三大类 1 地质分析法 地质类方法包括利用地质工作的全部资料以及巷道掘进过程中的地质测绘 地质素描资料的分析 掌握巷道穿过段岩体的地质格局 概略地预测地质界线 大型断层 主要涌水段 破碎岩体 围岩类别等 主要方法有地质投射法 地 层层序法 巷道地质编录法 断层参数预报法 TV 成像技术 不良地质作用综 合分析法 地下水观测法等 2 水平钻探法 水平钻探法是超前地质预报最直接的一种方法 通过钻探对掌子面前方获 取的地层岩性进行鉴别 来确定其埋藏距离与厚度 或宽度 溶洞及充填的性 质 能查明钻探深度内的地下水的赋存条件 可进行水量 水压的测定 当为 煤系与地层时 可确定煤层厚度和进行瓦斯含量测定 对超前地质预报成果进 行验证 同时利用所取岩芯可进行室内试验 测试岩石的物理力学性质 因此 在地质构造复杂地段 经地质 物探综合手段超前地质预报确认的重点的地段 应施以水平钻探法确认 3 物探测试方法 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 4 图 2 1 TEM 探测原理 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 应用电磁场的偏振性质 有利于确定缺陷的方向性 且对与水有关的缺陷 比较敏感 同时记录的是时间系列 一般情况下 时间域电磁法 TDEM 简 称 TEM 和频率域电磁法 FDEM 相比 在相同的频率范围情况下 主要指 音频 TDEM 的分辨率比 FDEM 要高 这符合掌子面前方地质缺陷及含水性 精细超前预测的要求 2 2 瞬变电磁法探测原理瞬变电磁法探测原理 地面瞬变电磁的基本工作方法是 于地面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 见 图 2 1 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 如图 2 1 所示 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 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 5 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 2 3 矿井瞬变电磁的特点及优点矿井瞬变电磁的特点及优点 矿井瞬变电磁法和地面瞬变电磁法的基本原理的一样的 理论上也完全可 以使用地面电磁法的一切装置和采集参数 但受井下环境的影响 矿井瞬变电 磁法与地面的 TEM 的数据采集与处理相比又有很大的区别 由于矿井轨道 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 另外地面瞬变法为半空间瞬变响应 这种瞬变响应来自于地表 以下半空间层 而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 必须结合具体地质和水文地质情况综合分析 具体来说矿井瞬变电磁法具 有以下特点 1 受矿井巷道的影响矿井瞬变电磁法只能采用边长小于 3m 的多匝回线装 置 这与地面瞬变电磁法相比数据采集劳动强度小 测量设备轻便 工作效率 高 成本低 2 采用小规模回线装置系统 因此为了保证数据的质量 降低体积效应的 影响 提高勘探分辨率 特别是横向分辨率 在布设测点时一定要控制点距 在考虑工作强度的情况尽可能的使测点密集 3 井下测量装置距离异常体更近 大大的提高测量信号的信噪比 经验表 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 4 地面瞬变电磁法勘探一般只能将线框平置于地面测量 而井下瞬变电磁 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 进 行超前探测 当线圈平行于巷道侧面煤层 探测工作面内和顶底板一定范围内 6 图 3 1 本安型矿用瞬变电磁仪 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 工作中根据实际情况采取不同的回线装置 图 2 3 为几种中心装置类型图 一类为重叠中心装置 一类为分离中心装置 在本次探测过程中根据不同的探 测地质体共选取了 8 字形线框 使接收线框垂直于发射线框 使发射电流在 发射线框中形成 8 字形回路 故称为 8 线框 这种装置在铁道部上常用 主要是屏除铁轨对瞬变响应的影响 及重叠回线装置 3 技术工作方法 技术工作方法 3 1 仪器设备仪器设备 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 YCS256 型 瞬变电磁测深仪 YCS256 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 在软件设计上 集成了经典的和专家的时间域瞬变电磁法勘探理论 技术 与方法 其一次场波形发射和二次磁场接 收技术和方法 可以进行复杂的地质构造 勘探 1 现场探测 集成了多样式一次磁 场发射 高精度 高分辨率的二次磁场接 收技术与方法 2 文件管理 文件管理工具 可创建 图 2 3 几种不同的野外工作装置 图 4 几种不同的装置 7 文件和删除文件 创建和删除当前二次磁场记录文件 3 数据显示 一次磁场波形发射显示工具 接收二次磁场显示 4 检测处理 一次磁场发射时相对应电流检测 对模数转换器校零 及对 二次涡流场增益检测 手动设置增益 5 便于操作 自动管理测点号和测线号及波形文件管理工具 3 2 探测布置探测布置 3 2 1 装置参数设计装置参数设计 回线边长响应的关系比较复杂 一般依据被测对象的规模 埋深及电性来 选定 选择的原则是长与异 回线边长与探测对象的埋深大致相同 因为回线 边长的增大对于局部导体的分辨能力变差 且受旁侧地质体的干扰增大 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 只能采用边长小于3m的多匝小线框 本次探测采用的是边长1m的多匝方形 重叠回线装置 而探测的深度和装置的发射磁距有直接的关系 要提高探测深 度必然要使装置的磁距达到相应的数值 而磁距又正比于线圈的匝数 发射电 流 边长 或有效面积 因此要提高发射功率 增加探测的有效深度 可通过 增加线圈的匝数 加大发射电流以提高信噪比 达到提高探测深度的目的 由 于采用的是小线框 点距更密 本次测量一般控制在10m左右 现场观测淋水点 或区时点距可再适当缩小 3 2 2 工作装置的现场布设工作装置的现场布设 本次瞬变电磁 TEM 探测施工主要是针对11701工作面前方顶板45 进行探 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 接收线框平面对准工作面顶板45 方向进行 探测 便可反映巷道前方和顶板岩层的水文地质异常 根据这个原理结合本次 的探测目的 对顶板探测时可将重叠回线装置平行于工作面顶板 使线框平面 的法线与顶板垂直 3 2 3 探测区域探测区域及完成工作量及完成工作量 本次探测工作开展于 2017 年 9 月 17 日 现场探测时 于 11701 工作面运 输顺槽煤巷段开口 10m 开始 每隔 20m 向工作面顶板 45 方向布置一个点 共布置 21 个测点 8 4 4 数据解析 数据解析及结果及结果 如图 4 1 所示 是 11701 工作面100m 范围内视电阻率的拟断面图 揭示了 100m 范围内岩层电性的大致变化情况 图中不同的视电阻率由不同的颜色标注 色标 不同的颜色代表不同的视电阻率 且色标呈冷色调到暖色调代表阻值 不断升高的规律 因此图中不同的色彩组合实为迎头前方岩层不同层位的视电 阻率等值线的分布 数据结果如下