摘要:煤礦安全生產(chǎn),關(guān)乎每名煤礦職工安全健康、家庭幸福以及社會(huì)和諧穩(wěn)定,做好煤礦生產(chǎn)中每項(xiàng)工作、每一道工序、每一個(gè)細(xì)節(jié)的安全是每一名煤礦工作者義不容辭的職責(zé)和使命。水害防治則是煤礦安全生產(chǎn)管理中重要工作之一,隨著采掘作業(yè)深度的不斷加大,地層中不明水體、導(dǎo)水裂隙以及老空水對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成極大危脅,如何準(zhǔn)確探測(cè)和檢定采掘作業(yè)范圍水害風(fēng)險(xiǎn),成為礦井水害防治的重中之重。論文以瞬變電磁法超前探測(cè)法工作原理及應(yīng)用實(shí)例為基點(diǎn),詳細(xì)闡述瞬變電磁法超前探測(cè)在礦井水害防治中取得的重要成果和意義。
關(guān)鍵詞:瞬變電磁法;探測(cè)原理;應(yīng)用實(shí)例
一、瞬變電磁法超前探測(cè)
瞬變電磁法屬時(shí)間域電磁感應(yīng)方法,是一種新型高科技物探技術(shù)手段。超前探測(cè)是通過(guò)對(duì)地層電性分布規(guī)律及電阻率進(jìn)行超前探測(cè)和分析,判定探測(cè)范圍水體存在及分布情況的一種探測(cè)方法。該法快速,高效,方便,可以準(zhǔn)確反映出采掘作業(yè)周邊范圍地質(zhì)體的空間特征,為礦井防治水害提供了依據(jù),更好的滿足礦井采掘超前預(yù)測(cè),預(yù)報(bào)的要求。
二、瞬變電磁法超前探測(cè)原理及井下瞬變電磁法特點(diǎn):
一)、瞬變電磁法探測(cè)原理:
在發(fā)送回線上供一個(gè)電流脈沖方波,在方波后沿下降的瞬間,產(chǎn)生一個(gè)向發(fā)射回線法線方向傳播的一次磁場(chǎng),在一次磁場(chǎng)的激勵(lì)下,地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流(見(jiàn)圖2-1),其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度,在一次場(chǎng)消失后,該渦流不會(huì)立即消失,它將有一個(gè)過(guò)渡(衰減)過(guò)程。該過(guò)渡過(guò)程又產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次磁場(chǎng)向地質(zhì)體內(nèi)傳播,由接收回線接收二次磁場(chǎng),該二次磁場(chǎng)的變化將反映地質(zhì)體的電性分布情況(見(jiàn)圖2-2)。
瞬變電磁場(chǎng)在大地中主要以擴(kuò)散形式傳播,在這一過(guò)程中,電磁能量直接在導(dǎo)電介質(zhì)由于傳播而消耗,由于趨膚效應(yīng),高頻部分主要集中在地表附近,且其分布范圍是源下面的局部,較低頻部分傳播到深處,且分布范圍逐漸擴(kuò)大。
二)、礦井瞬變電磁法具有以下特點(diǎn):
1) 受礦井巷道的影響礦井瞬變電磁法只能采用邊長(zhǎng)小于3m的多匝回線裝置,這與地面瞬變電磁法相比數(shù)據(jù)采集勞動(dòng)強(qiáng)度小,測(cè)量設(shè)備輕便,工作效率高,成本低。
2) 采用小規(guī)?;鼐€裝置系統(tǒng),因此為了保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量、降低體積效應(yīng)的影響、提高勘探分辨率,特別是橫向分辨率,在布設(shè)測(cè)點(diǎn)時(shí)一定要控制點(diǎn)距,在考慮工作強(qiáng)度的情況盡可能使測(cè)點(diǎn)密集。
3) 井下測(cè)量裝置距離異常體更近,大大的提高測(cè)量信號(hào)的信噪比,經(jīng)驗(yàn)表明,井下測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度比地面同樣裝置及參數(shù)設(shè)置的信號(hào)強(qiáng)10~100倍。
三、瞬變電磁法超前探測(cè)礦井水害防治應(yīng)用實(shí)例
萬(wàn)利一礦始建于1994年,地處神府東勝煤田北邊緣,核定生產(chǎn)能力1000萬(wàn)噸/年,井田區(qū)域地形較為復(fù)雜,整體為西北東南單斜構(gòu)造,無(wú)大型地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,煤層賦存至上而下共19層,其中可采煤層12層。
為確保礦井安全、有序、可持續(xù)生產(chǎn),按照煤礦安全生產(chǎn)規(guī)章、規(guī)程及井下防治水管理有關(guān)要求,井下采掘作業(yè)必須進(jìn)行超前探測(cè),消除化解水患風(fēng)險(xiǎn),萬(wàn)利一礦自2020年引進(jìn)應(yīng)用瞬變電磁法超前探測(cè),取得了良好效果,為礦井水害防治發(fā)揮了重要作用。下面就兩典型實(shí)例加以介紹:
一)、瞬變電磁法探放水物探驗(yàn)證
1、目的任務(wù)
根據(jù)生產(chǎn)接續(xù)安排,萬(wàn)利一礦計(jì)劃2021年1月開(kāi)始回采42204工作面,該工作面上覆有原萬(wàn)利一礦一井22煤采空區(qū),面積約16.2萬(wàn)㎡,區(qū)域內(nèi)積水約6.6萬(wàn)m3。前期經(jīng)鉆探疏放后,為準(zhǔn)確驗(yàn)證探放效果,確保工作面回采時(shí)不受水患影響和防止發(fā)生水災(zāi)事故。
2、瞬變電磁驗(yàn)證探測(cè)原理
YCS360A礦用瞬變電磁儀主要由主機(jī)和發(fā)射/接收線圈組成。主要是為了解決礦井中水害問(wèn)題,工作原理如下所示:主機(jī)通過(guò)引線與發(fā)射/接收線圈連接,實(shí)現(xiàn)交互。測(cè)量時(shí),先通過(guò)對(duì)主機(jī)進(jìn)行測(cè)量參數(shù)的設(shè)定,并布置好發(fā)射/接收線圈進(jìn)行工作,通過(guò)發(fā)射線圈向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng),在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間利用接收線圈測(cè)量地下介質(zhì)引起的二次感應(yīng)渦流磁場(chǎng),從而達(dá)到探測(cè)介質(zhì)的電阻率的目的,數(shù)據(jù)經(jīng)底層處理后上傳回主機(jī)。主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、即時(shí)存儲(chǔ),然后通過(guò)USB連接線將主機(jī)連接到計(jì)算機(jī)上,將探測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出,利用配套成圖軟件做出進(jìn)一步處理與反演計(jì)算,從而根據(jù)成圖的有關(guān)參數(shù)具體分析得出探測(cè)結(jié)果,確定鉆探鉆孔布置方式。
3、方案設(shè)計(jì)與實(shí)施
經(jīng)過(guò)探測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析,在視電阻率圖上,若地層不受富水區(qū)或含導(dǎo)水構(gòu)造影響,煤系的電阻率等值線變化穩(wěn)定、有序,呈似層狀分布。圖1-1為探測(cè)位置垂直向上100m深度范圍內(nèi)電阻率成果切片兩次探測(cè)結(jié)果對(duì)比圖,圖中用藍(lán)色表示相對(duì)低的電阻率值,橙紅色表示相對(duì)高的電阻率值。經(jīng)分層對(duì)比分析,切片中部為31上回風(fēng)大巷正上方,42204工作面正上方為探測(cè)區(qū)域北部,基本無(wú)低電阻值區(qū),南部電阻值增加亦較明顯,可證明疏放水工作已達(dá)到預(yù)期目的。
4、實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證
現(xiàn)42204工作面已于2021年4月回采完畢,期間未出現(xiàn)異常涌水增加,
探放水達(dá)到預(yù)期效果和目標(biāo),瞬變電磁法探放水物探驗(yàn)證的準(zhǔn)確性得到充分驗(yàn)證,也為礦井安全回采提供有力保障。
二)、瞬變電磁法掘進(jìn)作業(yè)超前探測(cè)
1、工程概況及探測(cè)任務(wù)
根據(jù)煤礦防治水相關(guān)要求,為了確保31310輔運(yùn)、主運(yùn)順槽安全掘進(jìn),巷道掘進(jìn)需對(duì)迎頭前方水文地質(zhì)條件及富水性情況進(jìn)行超前探測(cè),為防治水和探放水方案制定提供技術(shù)依據(jù)。根據(jù)巷道現(xiàn)有條件,擬采用礦井瞬變電磁法在31310輔運(yùn)順槽進(jìn)行探測(cè)。
2、探測(cè)設(shè)計(jì)與實(shí)施
由于31310輔運(yùn)、主運(yùn)順槽兩巷間距為20米,采用雙巷并行掘
進(jìn),現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作于31310輔運(yùn)順槽掘進(jìn)迎頭作業(yè)面進(jìn)行。探測(cè)采用YCS360A礦用多通道瞬變電磁儀,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,在31310輔運(yùn)順槽F8點(diǎn)前15m迎頭位置處布置4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)實(shí)施Mtem數(shù)據(jù)采集,每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)采集7個(gè)方向數(shù)據(jù),分別為頂板45°方向、頂板30°方向、頂板15°方向、迎頭掘進(jìn)方向、底板15°方向、底板30°方向和底板45°方向,因此本次探測(cè)共采集4*7=28個(gè)數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)布置如圖3-1,表3-1為儀器采集參數(shù)。
3、瞬變電磁探測(cè)數(shù)據(jù)分析與解釋
瞬變電磁在礦井探水,探測(cè)構(gòu)造中的解釋原則:主要從電性上分析不同地層的電性分布規(guī)律。煤層電阻率值相對(duì)較高,砂巖次之,粘土巖類(lèi)最低。由于煤系地層的沉積序列比較清晰,在原生地層狀態(tài)下,其導(dǎo)電性特征在縱向上固定的變化規(guī)律,而在橫向上相對(duì)比較均一。當(dāng)斷層、裂隙和陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育時(shí),無(wú)論其含水與否,都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規(guī)律。這種變化規(guī)律的存在,表現(xiàn)出巖石導(dǎo)電性的變化。當(dāng)存在構(gòu)造破碎帶時(shí),如果構(gòu)造不含水,則其導(dǎo)電性較差,局部電阻率值增高;如果構(gòu)造含水,由于其導(dǎo)電性好,相當(dāng)于存在局部低電阻率值地質(zhì)體,解釋為相對(duì)富水。同樣如果有采空區(qū),若采空區(qū)不積水,則其導(dǎo)電性較差,局部電阻率值增高;如果采空區(qū)含水,由于其導(dǎo)電性好,相當(dāng)于存在局部低電阻率值地質(zhì)體。
4、探測(cè)結(jié)論
根據(jù)本次礦井瞬變電磁法超前探測(cè)MTEM視電阻率擬斷面圖,綜合地質(zhì)和水文地質(zhì)資料,可確定橫向、水平深度和垂向深度電性變化情況,得出如附圖1萬(wàn)利一礦31310輔運(yùn)順槽瞬變電磁超前探測(cè)成果圖,解釋具體見(jiàn)附圖1所示。
5、圖中橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)(考慮到圖件的直觀展示,將橫坐標(biāo)按實(shí)際的10倍放大顯示),縱坐標(biāo)為沿探測(cè)方向距離,坐標(biāo)系以巷道左幫與迎頭交點(diǎn)處為坐標(biāo)原點(diǎn),指向巷道右?guī)蜑閄軸正方向,指向巷道正前方為Y軸正方向。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)條件,本次探測(cè)共得出7個(gè)視電阻率橫向剖面。根據(jù)瞬變電磁探測(cè)結(jié)果,結(jié)合相關(guān)的地質(zhì)和水文資料,可確定橫向、水平深度及垂向深度電性變化情況,綜合分析探測(cè)前方120m范圍內(nèi)視電阻率值整體較高,均大于10,富水性較弱。
6、生產(chǎn)實(shí)際驗(yàn)證
現(xiàn)31310輔運(yùn)順槽已掘進(jìn)1000余米,先后采用瞬變電磁超前探測(cè)3次,探測(cè)結(jié)果相近,均為弱富水性,在實(shí)際施工作業(yè)中涌水正常,與驗(yàn)證結(jié)果相吻合,為安全掘進(jìn)和水害防治提供有力技術(shù)保障。
瞬變電磁超前探測(cè)經(jīng)萬(wàn)利一礦多次應(yīng)用驗(yàn)證,其探測(cè)成果準(zhǔn)確可靠,操作方便快捷,可為礦井水害探測(cè)防治提供重要理論和技術(shù)保障,在煤礦安全生產(chǎn)中值得推廣和應(yīng)用。
作者簡(jiǎn)介:王永志(1976.3-):男,內(nèi)蒙古托克托縣人,漢族,畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué),本科學(xué)歷,工程師,從事礦井瓦斯抽放、探水技術(shù)管理工作多年。