瞬变电磁法在探测煤矿采空积水区的应用.pdf

2 0 0 9 年第9 期中州煤炭总第1 6 5 期睦园瞬变电磁法在探测煤矿采空积水区的应用周韬1 2，张开元1 2(1 中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院，湖北武汉4 3 0 0 7 4；2 河南省煤田地质局物探测量队，河南郑州4 5 0 0 0 9)摘要：探测煤矿采空积水区通常较难，但可以充分利用瞬变电磁法对低阻地质体反应灵敏和分辨率高的特点，通过精细处理和分析研究从而有效地探测采空积水区。以吉林某煤矿和山西某煤矿采空积水区探测为例，介绍了瞬变电磁法在探测煤矿采空积水区中的应用及效果。关键词：瞬变电磁法；采空区；煤矿采空积水区；电阻率中图分类号：P 6 3 1文献标识码：A文章编号：1 0 0 3 0 5 0 6(2 0 0 9)0 9 0 0 5 l 一0 2A p p l i c a t i o no fT r a n s i e n tE l e c t r o m a g n e t i cM e t h o di nP r o s p e c t i n gW a t e r a c c u m u l a t e dA r e ai nC o a lM i n eG o bZ H O UT a 0 1 一Z H A N GK a i y u a n l，2(1 I n s t i t u t eo fG e o p h y s i c s&却o c eI n f o r m a t i o n，C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s(W u h a n)，W u h a n4 3 0 0 7 4，C h i n a；2 G e o p h y s i c a lP r o s p e c t i n ga n dS u r v e y i n gT e a m，H e n a nC o a lG e o l o g i c a lE x p l o r a t i o nB u r e a u，Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 9，C h i n a)A b s t r a c t：E x p l o r a t i o no fw a t e r a c c u m u l a t e da r e a si nm i n eg o b si sm o r ed i f f i c u l tg e n e r a l l y，b u tw ec a nf u l l yu t i l i z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e n s i t i v er e s p o n s i v i t ya n dh i g hr e s o l u t i o nt ol o wr e s i s t i v i t yg e o l o g i c a lb o d yt h a tt h et r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cm e t h o dh a s，t om a k ea ne l -f e c t i v ed e t e c t i o no nw a t e r a c c u m u l a t e da r e a si nm i n eg o b sb a s e do nf i n ep r o c e s s i n ga n da n a l y s i s T h i sa r t i c l et o o kt h ep r o s p e c t i n go fw a-t e r-a c c u m u l a t e da r e a si nm i n eg o b si nc o a lm i n e si n J i l i nP r o v i n c ea n dS h a n x iP r o v i n c ea se x a m p l e s，i n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o na n de f f e c t so ft r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cm e t h o di nt h ee x p l o r a t i o no fw a t e r-a c c u m u l a t e da r e a si nm i n eg o b s K e y w o r d s：t r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d；c o a lm i n eg o b；w a t e r a c c u m u l a t e da r e a si nm i n eg o b s；r e s i s t i v i t y煤矿采空区富含水会对煤矿安全生产造成极大威胁，有效地探测地下采空积水区，可以有针对性地做好探放水工作，从而有效地防止水害发生，保证煤矿安全生产。瞬变电磁法是一种极具发展前景的探测方法，其不受接地条件影响，不受地形、地物的限制，施工效率高，可查明地下含水地质体，如岩溶洞穴与通道、煤矿采空区等。1 瞬变电磁法及煤矿采空区地球物理特征瞬变电磁法是利用不接地回线或接地电偶源向地下发送一次场，在一次场的间歇期间利用回线或电偶极观测二次涡流场随时间变化的响应。通过测量和研究二次场随时间的变化规律，可得到不同深度的地电特征。由于该方法是在一次场断电的瞬间观测纯二次场，消除了由一次场所产生的装置耦合收稿日期：2 0 0 9 0 6 一O l作者简介：周韬(1 9 7 2 一)，男，河南渑池人，工程师，1 9 9 5 年毕业于中国矿业大学，现从事地球物理勘探工作。噪声，具有体积效应小、横向分辨率高、对低阻反应灵敏等优点。采空区地层有其独特的地电特征，可以利用物探方法进行探测。煤层被开采以后，采空区上方的岩层在重力作用下发生塌陷，造成煤层上覆岩体失衡而发生一定程度岩移，致使岩层破碎和大量裂隙的出现，破坏了岩石的完整性和连续性。采空区上部空间电阻率会呈现出相对的高阻特性，不明显时则会出现视电阻率等值线的波动；而采空区域的空隙被水或泥质所充填后，该处的电阻率一般会表现出一定的低阻特征，可依据这种特有电性异常反映划分采空区；对于已知采空区则可研究积水区地层的电阻率变化情况，从而划分出采空积水区范围。2典型实例2 1吉林舒兰某煤矿采空积水区探测吉林舒兰某煤矿含煤地层属第三系中新统舒兰段含煤地层，勘探区内赋存的主要可采煤层由深到浅有1 6。、1 5。和9。煤层，1 6。和1 5。煤层间距在2 0m5 l 万方数据2 0 0 9 年第9 期中州煤炭总第1 6 5 期左右，1 5。和9。煤层间距在4 0m 左右。其中9 4 煤层已开采完毕，底板起伏变化大，低凹区有水积存，1 5 和1 6。煤层浅部属小矿井开采，对深部煤田的开采构成较大威胁。出于安全生产的需要，矿方委托河南省煤田地质局物探测量队进行地面瞬变电磁勘探工作，以查明煤层采空积水区的范围。该次物探丁作采用加拿大P R O T E M6 7 D 瞬变电磁勘探系统，工作装置采用大定源装置，回线内接收，发射线框采用6 0 0m 6 0 0m 单匝矩形回线，测量道数3 0 门，接收线圈有效面积2 0 0m 2，频率2 5H z，发射电流1 8 0A，增益25，积分时间3 0s。工程共布置瞬变电磁测线2 9 条，线距4 0m，点距2 0m。图1 为1 5 6 0 线视电阻率断面示意，该线基本是沿地层走向的测线，图中用黑色粗实线表示煤层。在9。煤层位可以看到，在1 1 0 0。一1 1 4 0 点之间视电阻率呈相对低值反映，视电阻率小于1 7Q m，参考该处周围地层电阻率值，分析可能是该层位中采空积水区的反映；在1 5。煤层位附近低阻异常主要出现在5 2 0。一7 0 0”点之间，视电阻率小于1 6Q m，可能为1 5。煤层的采空积水区的反映；在1 6。煤层位附近低阻异常主要出现在5 2 0。一6 4 0 点之间和9 2 0。一1 0 0 0 点之间，视电阻率小于1 6n m，可能为1 6。煤层的采空积水区的反映(图l 中虚线所示)。图11 5 6 0 线视电阻率断面示意图2 为H 6 2 0 线视电阻率断面示意，该线是沿地层倾向的测线横切断面，图中在9。煤层位可以看到分别在1 5 2 0-1 5 6 0 线之间和1 6 4 0 线处视电阻率呈相对低值反映，视电阻率小于1 7Q m，可能是该层位中采空积水区的反映，其中在1 5 2 0 n 1 5 6 0 线之间的低阻异常与图1 中的异常相对应；在1 5。煤层位和1 6。煤层位上低阻异常主要在1 5 2 0 线附近，视电阻率小于1 6Q m。综合分析纵横断面图，推测在5 2 1 5 2 0 线的6 2 0。点附近可能有1 5。煤和1 6 煤的采空积水区。1 5 煤层和1 6 煤层相距较近，采空积水区产生的影响大多难以分辨，此类问题有待于技术的进一步发展才能得以解决。但本次勘探基本查明了小矿采空积水区位置，与矿方实际调查分析相吻合，达到了勘探目的。图2H 6 2 0 线视电阻率断面示意2 2山西晋城某煤矿采喹积水区探测山西晋城某矿含煤地层属石炭二叠系含煤地层，勘探区内赋存的主要可采煤层由深到浅有9。和3。煤层，其间距4 0m 左右。其中，3。煤层已开采完毕，底板起伏变化大，低凹区有水积存，对9。煤层的开采构成较大威胁。矿方曾多次探放水，但3。煤采空区内仍有部分区域存水。为确保对9。煤层的安全开采，委托河南省煤田地质局物探测量队进行地面瞬变电磁勘探，以查明3 煤采空积水区的范围。该次物探工作采用加拿大P R O T E M6 7 D 瞬变电磁勘探系统，丁作装置采用大定源装置，回线内接收，发射线框采用5 6 0m 5 6 0m 单匝矩形回线，测量道数3 0 门，接收线圈有效面积2 0 0m 2，频率2 5H z，发射电流1 8 0A，增益2 3。积分时间3 0s。工程共布置瞬变电磁测线2 8 条，线距4 0m，点距2 0m。图3、图4 分别是11 6 0 线、1 2 0 0 线视电阻率断面示意，图中用黑色粗实线表示9。、3 煤层。在11 6 0 线的1 4 4 0。一1 5 4 0。测点之间和1 2 0 0 线的1 4 6 0。一1 5 6 0。测点之间，3。煤层附近等值线呈向下凹陷状，与周围地层电性比较呈相对低阻表现，对比两线的低阻反映特征并结合地质情况及采掘状况，认为其为一采空积水区的反映。经过勘探共发现1 3 处积水区，积水区大多没有位于3。煤层最低洼处，分析原因为，(下转第6 4 页)万方数据2 0 0 9 年第9 期中州煤炭总第1 6 5 期心心。瓣、十二心醚图11 1 一补。孔平面位置示意4 2 方案实施利用射流搅拌造浆系统向孔内输入纯水泥浆，水泥浆密度1 4 0 1 6 0t m 3，并同时加入适量添加剂，注浆9 层段，共注入水泥1 0 5 0 0t，各涌水层段注浆情况见表1。5封堵效果(1)封堵前，孔内平均涌水量7 5 0n 1 3 h，采用封堵措施后孔内不再涌水，涌水层位得到彻底封堵。(2)孔内涌水封堵前平均钻进进尺6 5 0m 日，封堵后平均钻进进尺1 8 0 0m 日，极大地提高了钻表11 1-补。孔各涌水层段注浆情况进效率，确保了钻孔在合同期内按时完成。6结语(1)正确分析了金龙1 1-补。孑L 钻孔涌水机理，采用下行注浆法对涌水层位进行封堵，保证了钻孔正常施工。(2)减小了承压水对矿井的威胁，相应提高了矿井抗水灾能力，也为该矿区类似条件下封堵涌水钻孑L 提供了借鉴。(责任编辑：梁郁鑫)(上接第5 2 页)矿方已在这些低洼处进行过放水工作，使低洼部位的积水排出；而在一些相对高处，可能因煤层顶板垮塌、巷道堵塞等原因造成积水联通不畅，致使积水区在相对高处呈零星状分布。该次探测之后，矿方根据勘探成果并结合9。煤已有巷道进行了有效的探放水工作，实际揭露情况也证实了勘探成果的正确性。3结语采用瞬变电磁勘探可快速获得浅层至中深度的地电信息，为解决地质问题提供可靠的技术支持。实践证明，瞬变电磁法在探测煤矿采空区及积水区吕础幄6 4 图31 1 6 0 线视电阻率断面示意点号图41 2 0 0 线视电阻率断面示意等方面是一种非破坏性的、分辨能力强的方法，可有效指导煤矿的防治水工作。参考文献：i 牛之琏时间域电磁法原理 M 长沙：中南T 业大学出版社，1 9 9 2【2 郭文波，宋建平，曹捷等回线源瞬变电磁法在地质灾害调查中的应用 J 物探与化探，2 0 0 6，3 0(4)：3 2 7 3 2 9【3 刘继东。史建涛瞬变电磁测深法在煤矿工程勘察中的应用 J 两安T 程学院学报1 9 9 9 2 1(2)：3 9-4 1 4 蒋帮远实用近区磁源瞬变电磁法勘探 M】北京：地质出版社，1 9 9 8。(责任编辑：梁郁鑫)塞葛n量tn 万方数据瞬变电磁法在探测煤矿采空积水区的应用瞬变电磁法在探测煤矿采空积水区的应用作者：周韬，张开元，ZHOU Tao，ZHANG Kai-yuan作者单位：中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院,湖北,武汉,430074;河南省煤田地质局,物探测量队,河南,郑州,450009刊名：中州煤炭英文刊名：ZHONGZHOU COAL年，卷(期)：2009，(9)被引用次数：0次 参考文献(4条)参考文献(4条)1.牛之琏 时间域电磁法原理 19922.郭文波.宋建平.曹捷 回线源瞬变电磁法在地质灾害调查中的应用期刊论文-物探与化探 2006(04)3.刘继东.史建涛 瞬变电磁测深法在煤矿工程勘察中的应用期刊论文-西安工程学院学报 1999(02)4.蒋帮远 实用近区磁源瞬变电磁法勘探 1998 相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 王俊茹.张吉恒.许柏青.WANG Jun-ru.ZHANG Ji-heng.XU Bai-qing 瞬变电磁法在高速公路采空区勘测中的应用-物探与化探2007,31(4)应用瞬变电磁勘探方法对青岛至兰州高速公路采空区进行勘察,介绍了瞬变电磁法野外数据采集技术,并对采空区、地层塌陷处的瞬变电磁法电阻率异常特征进行了分析和研究,查明了采空区的分布位置和埋深,取得了有价值的结论:瞬变电磁法勘察效果的好坏主要取决于装置类型及其他技术参数的选择,如根据测区电阻率、最小和最大探测深度,确定最小和最大延时;进行解释时,掌握测区可能出现的地层,找准采空区和围岩所处的电阻率范围非常重要,特别注意区分采空区与陷落柱的电阻率差异.在本勘测区,采空区表现为高阻,陷落柱表现为低阻,这已由钻探所证实.2.期刊论文 李成友.刘洪福.LI Cheng-you.LIU Hong-fu 多层采空区调查中瞬变电磁法的应用-物探与化探2007,31(z1)有些煤层存在2层或2层以上的采空区,目前很多方法只能有效地探测最顶层采空区.针对这一情况,根据多层采空区的地球物理特征,利用瞬变电磁法,通过分析多测道电压剖面图和拟视电阻率断面图,准确地探测出了多层采空区的位置.结果表明,根据多层采空区地球物理特征,利用瞬变电磁法准确探测多层采空区的位置划清责任是形之有效的方法.3.期刊论文 郭彦民.冯世民.Guo Yanmin.Feng Shimin 利用三维地震及瞬变电磁法探查老窑、采空区-中国煤田地质2006,18(4)煤矿采空区富含水或瓦斯而对煤矿安全生产构成事故隐患,三维地震勘探技术可查明落差5m以上的断层、直径大于20m的陷落柱,控制采空区边界,其平面位置误差不大于20m,是探测煤层采空区边界行之有效的手段.瞬变电磁法可查明含水地质体如岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、深部不规则水体等.利用三维地震结合瞬变电磁法探查显德旺矿老窑、采空区破坏范围及积水情况,取得了可喜的成果.4.期刊论文 李金花.LI Jin-hua 瞬变电磁法在检测采空区注浆效果方面的应用-山西建筑2007,33(9)介绍了瞬变电磁法的勘探原理及其野外工作参数,并对瞬变电磁法数据的处理内容进行了阐述,指出瞬变电磁法不仅能有效的探查采空区,而且能有效的检测采空区的注浆效果,勘查实例说明该检测方法效果良好,值得推广应用.5.期刊论文 康文献.张东阔.李海晓.KANG Wen-xian.ZHANG Dong-kuo.LI Hai-xiao 瞬变电磁法在采空区勘察中的应用-中州煤炭2009(4)煤矿采空区对工程建设项目有不良的地质影响,应采用有效勘探方法准确判定采空区的位置,并采取相应的治理措施,以减少采空区的危害.根据采空区的岩体和地球物理特征,认为瞬变电磁法是采空区勘察技术中的有效方法,它观测的是纯二次场,分辨率高.对某高速公路下方呆空区进行探测.探测结果呈现高阻扭曲异常和低阻异常特性,勘察成果经由钻探证实,取得了良好的效果.6.期刊论文 郭崇光.田卫东 瞬变电磁法在山西采空区探测中的应用-煤2004,13(1)简要介绍了瞬变电磁法的工作原理、探测采空区的地球物理前提及其装置的选择,通过实例说明该方法探测采空区的有效性,结合十几个采空区探测项目的应用效果,总结该方法在探测采空区中的应用体会.7.学位论文 张晓峰 瞬变电磁法探测煤田采空区的应用研究 2007 在煤矿生产过程中，随着煤层的被开采挖掘，地下会形成越来越多的采空区。采空区的垮塌会造成地面下沉、裂缝，毁坏耕地、建筑物等设施，破环生态环境。故有效而经济地利用物探方法对采空区域进行勘探和评价，并提出适宜的防治措施有着良好的经济效益和社会效益。近年来众多物探工作者对其进行了研究，取得了很多实用性的成果。但总体来讲，采空区的勘探研究还处于发展阶段，勘探手段和理论均不完善。国内外在此方而的成功经验和资料积累大体包括：收集资料和调查访问、钻探、室内试验、数值模拟等。首先，本文简要介绍了瞬变电磁法的发展概况及主要工作装置，总结了该方法技术的主要优点，较详细地分析了均匀半空间，电磁场的特征，推导了早期、晚期及全期道视电阻率公式以及高阻围岩中局部导电体的瞬变电磁响应和相应的公式。探讨了TEM附加效应的产生原因及识别方法、消除或削弱途径；总结了同点装置物理模拟异常剖面曲线特征。从影响瞬变电磁法几种主要因素入手，探讨了压制地质噪声的途径，明确了回线边长与探测深度、供电电流与信噪比的关系。其次，讨论了不同方式采煤所形成的不同类型地下采空区及地电特性的关系，认为煤矿机械化程度高或规范开采所形成的采空区，对上覆岩层的破坏程度大，产生的裂缝数量多且塌陷面积广，其电性特征是视电阻率值低且分布范围大，规律性明显，易分辨。而煤矿机械化程度低或不规范开采所形成的采空区，对上覆岩层的破坏程度较小，也可形成规模不等的裂缝和塌陷范围，其电性特征是视电阻率值变化幅度大，呈不规则状，分辨率较低；对于以巷道式开采为主的煤矿古采空区，由于采空区内充填物复杂，其视电阻率值可高于、也可低于正常地层的电阻率，在解释上要加以注意。然后，总结出了采空区未塌陷和完全塌陷的地电模型并对该模型进行正演计算，分别对瞬变电磁法在探测高阻采空区和低阻采空区的异常反应能力进行了探讨。同时较详细的分析了瞬变电磁法在探测煤田采空区的深度和精度问题。最后，以重点工区的应用成果为例，阐述了该方法技术的有效性。结合工作实践总结了瞬变电磁法在探测煤田采空区的优点及注意事项，并就我们目前的应用现状，以及国内外的发展对该方法做出了展望。8.期刊论文 海四洋.张晗.白登海 瞬变电磁法在采空区水探测中的应用-中州煤炭2008(6)瞬变电磁法(TEM)具有简便、快捷、对低阻体敏感等优点,在寻找地下水、查明采空区、探测岩溶发育等方面有着广泛的应用.以TEM法在广东兴宁8.7矿难采空区积水探测的应用为例,分析了其探测区内积水采空区的位置和大致范围,为矿难抢险提供了重要的水文地质依据.9.会议论文 花育才.夏双力.艾劲松.孟红星 瞬变电磁法在探测小窑采空区中的应用效果 2003 在煤矿生产中,小窑采空区积水,对安全生产构成极大威胁,另外小窑无序开采,越界开采,造成民用建筑物裂缝等问题日益突出,查明小窑采空区位置,是摆在物探技术人员面前的一个难题.本文介绍了采用瞬变电磁法,探测小窑采空区位置,效果良好.10.期刊论文 封绍武.刘文增.杨晓东.FENG Shao-wu.LIU Wen-zeng.YANG Xiao-dong 强干扰区瞬变电磁法勘查采空区效果-物探与化探2010,34(2)利用瞬变电磁法勘察采空区,当存在较强电磁干扰时,常规测量方式无法取得准确的测量数据.在北京房山区采空区勘查中,使用了一种具有抗干扰能力强的8字型测量方式,取得了较好的效果.通过剖面勘查以及相应的时间域电阻率成像资料处理法,获得了较高分辨率的电阻率剖面,推断出了采空区的空间分布特征,为在强干扰区勘查采空区提供了一种新的技术方法,也为治理和防止地面塌陷的进一步发生提供了科学依据.本文链接：http:/