談井下瞬變電磁法在巷道掘進(jìn)頭連續(xù)跟蹤超前探測(cè)應(yīng)用

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1、談井下瞬變電磁法在巷道掘進(jìn)頭連續(xù)跟蹤超前探測(cè)應(yīng)用【摘要】本文對(duì)煤礦巷道掘進(jìn)頭的連續(xù)跟蹤超前探測(cè)方法的工作原理進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上探討了井下瞬變電磁法在巷道掘進(jìn)頭連續(xù)跟蹤超前探測(cè)的應(yīng)用。【關(guān)鍵詞】煤礦巷道掘進(jìn)頭；探測(cè)方法；瞬變電磁法引言巷道掘進(jìn)頭前方的構(gòu)造破碎帶、裂隙發(fā)育區(qū)、巖溶、陷落柱等富水區(qū)（體）對(duì)巷道的安全掘進(jìn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，也是煤礦發(fā)生重大突水事故的主要原因。如何做到提前預(yù)報(bào)和及時(shí)防治，關(guān)鍵在于有效的超前預(yù)測(cè)。多年來這一問題一直困擾著煤礦的基層技術(shù)人員和施工人員。近年來，全空間瞬變電磁技術(shù)在中國得到

2、了發(fā)展，這一技術(shù)屬于近距離觀測(cè)，具有體積效應(yīng)相對(duì)較小、方向性強(qiáng)、分辨率高、對(duì)低阻區(qū)敏感、施工快速的優(yōu)點(diǎn)，為我們提供了一條新的探測(cè)途徑。實(shí)踐證明，通過設(shè)計(jì)合適的裝置形式可以有效地超前預(yù)測(cè)巷道掘進(jìn)頭前方數(shù)十米范圍內(nèi)的水害危險(xiǎn)性，目前該技術(shù)已成為我們預(yù)測(cè)煤礦水害的最佳選擇。1巷道掘進(jìn)頭超前探測(cè)方法巷道掘進(jìn)頭一般只有幾平方米大小，既無法釆用共面偶極方式，也無法采用中心方式。因此，我們采用了一種不共面同軸偶極方式。發(fā)射線圈（Tx）和接收線圈（Rx）分別位于前后平行的2個(gè)平面內(nèi)，二者相距一定的距離（要求＞5m,實(shí)際中

3、常采用10m）并處于同一軸線上。觀測(cè)時(shí)接收線圈貼近掌子面，軸線指向探測(cè)方向。對(duì)于巷道掘進(jìn)頭來說，探測(cè)時(shí)分別對(duì)準(zhǔn)巷道正前方，正前偏左、偏右等不同方向，這樣可獲得前方一個(gè)扇形空間的信息。巷道掘進(jìn)頭的超前探測(cè)與頂、底板的探測(cè)不同，頂、底板探測(cè)是靜態(tài)的，而超前探測(cè)是動(dòng)態(tài)的，目標(biāo)空間隨巷道的掘進(jìn)而變化。所以，超前探測(cè)除了裝置方式的改變外，在時(shí)間上還應(yīng)該是一個(gè)連續(xù)跟蹤的過程。2井下瞬變電磁法在巷道掘進(jìn)頭連續(xù)跟蹤超前探測(cè)的應(yīng)用瞬變電磁法（TransientElectromagneticMehtod,簡(jiǎn)稱TEM）的原理是

4、利用不接地回線向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，當(dāng)發(fā)射回線中的電流突然斷開后，地球介質(zhì)中將激勵(lì)起二次渦流場(chǎng)以維持在斷開電流以前產(chǎn)生的磁場(chǎng)（即一次場(chǎng)）。井下瞬變電磁法基本上是由地面移植到井下（其他方法如井下直流電法也是如此），但是，相應(yīng)的施工方法和解釋方法需進(jìn)行一定的改進(jìn)。在施工方面，井下測(cè)量處于全空間中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和需要改變發(fā)射線圈與接收線圈角度進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，以獲得扇形剖面。由于要在有限的井下空間布置裝置，線圈不能大,且要達(dá)到一定的探測(cè)深度，這就要求增加發(fā)射電流。但考慮到井下安全問題，即使在低瓦斯礦井盡量加大井

5、下通風(fēng)量的條件下，發(fā)射電流也不能太大。因此，井下瞬變電磁法須采用靈敏度高的儀器和特殊的工作方式，以便在發(fā)射電流不大的情況下增大超前探測(cè)距離。井下瞬變電磁法所采用儀器為EM-3型小裝置瞬變電磁儀器，并將接收線圈與發(fā)射線圈進(jìn)行了改進(jìn)，以便適合于井下施工。根據(jù)上述思路，我們?cè)谀车V-250排水巷道進(jìn)行了一次探索性的試驗(yàn)。該巷道的圍巖為石炭紀(jì)灰?guī)r，裂隙和斷層比較發(fā)育，水害是該巷道掘進(jìn)的最大威脅。我們?cè)囼?yàn)的目的是超前預(yù)測(cè)掘進(jìn)頭前方有無富水異常及富水異常的位置和范圍，為巷道的安全掘進(jìn)提供依據(jù)，同時(shí)檢驗(yàn)全空間瞬變電磁法的

6、可行性和有效性。根據(jù)初探，UWTEM方法在-250巷道掘進(jìn)頭的有效探測(cè)深度約為70m,所以我們?cè)O(shè)計(jì)留出20m的安全距離，巷道每向前掘進(jìn)50m時(shí)進(jìn)行下一次探測(cè)。從2004年9月開始至今我們已經(jīng)連續(xù)進(jìn)行了5次跟蹤探測(cè)，取得了理想的效果。將測(cè)量所獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過三維全方位處理分析，包括濾波、圓滑、正演、反演等，突出了低阻體的異常，并把處理結(jié)果繪制成電阻率剖面圖，再根據(jù)剖面圖上所反映的電阻率在空間的變化情況，作出推斷解釋。通過井下瞬變電磁法在獨(dú)頭巷道超前探測(cè)的垂直剖面圖，可見在掘進(jìn)面前方約275-320m范圍有明顯

7、的低阻異常帶，其中心大約在310m處，根據(jù)地質(zhì)情況分析，我們推斷此異常是含水構(gòu)造裂隙帶的反映。在隨后的巷道掘進(jìn)過程中，在282-317m發(fā)現(xiàn)含水裂隙帶，涌水量為60m3/ho由于礦方提前采取了探放水措施，確保了掘進(jìn)施工的安全。由此可見，物探結(jié)果得到了較好的驗(yàn)證。依據(jù)跟蹤探測(cè)結(jié)果隨時(shí)預(yù)報(bào)了掘進(jìn)頭前方可能存在的水害隱患，礦方及時(shí)采取了防治措施，成功地排除了隱患，保障了巷道掘進(jìn)的安全。實(shí)踐證明，如果采用合適的觀測(cè)方式，UWTEM技術(shù)可以有效地預(yù)測(cè)巷道掘進(jìn)頭前方的含水異常，為水害預(yù)報(bào)提供比較可靠的依據(jù)。同時(shí)，通過

8、這次試驗(yàn)我們也發(fā)現(xiàn)了UWTEM方法存在的問題。首先，巷道掘進(jìn)頭的實(shí)際情況既不同于半空間，也不是完全的全空間，因而數(shù)據(jù)處理結(jié)果在電阻率值和探測(cè)深度上都有一定的偏差，解釋出的低阻異常區(qū)范圍往往偏大。這種情況除了該方法本身的體效應(yīng)外，全空間理論模型與實(shí)際環(huán)境的差異可能是一個(gè)重要原因。其次，雖然接收線圈位于探測(cè)面前方的掌子面上，探測(cè)面后方的異常仍然會(huì)產(chǎn)生影響，所以對(duì)異常體的定向仍然存在不確定性。第三，在裝置上，為了減小互感的影響，發(fā)射