地下全空間瞬變電磁技術(shù)在煤礦巷道掘進(jìn)頭的連續(xù)跟蹤超前探測(cè)

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1、第28卷第3期地震地質(zhì)Vol.28,No.32006年9月SEISMOLOGYANDGEOLOGYSept.,2006地下全空間瞬變電磁技術(shù)在煤礦巷道掘進(jìn)頭的連續(xù)跟蹤超前探測(cè)1)1)2)郭純劉白宙白登海1)焦作煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司地測(cè)處,焦作4540022)中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京100029摘要文中介紹了利用地下全空間瞬變電磁(UWTEM)技術(shù)在某煤礦-250排水巷道掘進(jìn)過程中進(jìn)行的連續(xù)跟蹤超前探測(cè)試驗(yàn)。根據(jù)初探結(jié)果,采用不共面同軸偶極觀測(cè)方式時(shí),UWTEM在巷道掘進(jìn)頭前方的有效探測(cè)范圍約為70m,巷道每掘進(jìn)50m進(jìn)行一次跟蹤探測(cè)。試驗(yàn)表明,利用該技術(shù)可以有效地超前預(yù)測(cè)煤

2、礦巷道掘進(jìn)頭前方30～50m范圍的富水異常,為及時(shí)采取水害治理措施提供依據(jù)。關(guān)鍵詞地下全空間瞬變電磁超前探測(cè)水害預(yù)報(bào)中圖分類號(hào):P631.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0253-4967(2006)03-0456-070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(guó)得到了發(fā)展(白登海等,2003),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

3、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。瞬變電磁法(TransientElectromagneticMehtod,簡(jiǎn)稱TEM)的原理是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))。二次渦流場(chǎng)的大小及衰減特性與周圍介質(zhì)的電性分布有關(guān),在一次場(chǎng)的間歇觀測(cè)二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化特征,經(jīng)過處理后可以了解地下介質(zhì)的電性、規(guī)模、產(chǎn)狀等,從而達(dá)到探測(cè)目標(biāo)體的目的(牛之

4、鏈,1992;蔣邦遠(yuǎn),1998)。地面TEM的發(fā)射框沿地面布設(shè),有效探測(cè)范圍為地下半空間。地下瞬變電磁技術(shù)采用多匝小回線,發(fā)射和接收面可在任意可能的方向布設(shè),因而可以進(jìn)行多方位探測(cè)。在地下觀測(cè)時(shí),由于巷道空間很小,觀測(cè)面前后與上下都有介質(zhì)存在,故被稱為全空間瞬變電磁法(UndergroundWhole2spaceTransientElectromagneticMethod,簡(jiǎn)稱UWTEM)(白登海等,2003)。該方法目前采用的是共面偶極方〔收稿日期〕2006-03-03收稿,2006-07-07改回。3期郭純等:地下全空間瞬變電磁技術(shù)在煤礦巷道掘進(jìn)頭的連續(xù)跟蹤超前探測(cè)457式,這在巷道的

5、底板、頂板和左右側(cè)幫的探測(cè)中被證明是有效的,但卻不能用于掘進(jìn)頭的超前探測(cè)。而超前探測(cè)是煤礦巷道和工作面掘進(jìn)中最迫切需要的。為此,我們通過改變裝置方式的辦法試圖把UWTEM方法用于巷道掘進(jìn)頭的超前探測(cè)。試驗(yàn)表明這樣做可以取得相當(dāng)理想的效果。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(wú)法采用共面偶極方式,也無(wú)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。如圖1所示,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

6、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(圖2)。圖1巷道掘進(jìn)頭TEM超前探測(cè)裝置方式圖2巷道掘進(jìn)頭超前探測(cè)方式與探測(cè)范圍Fig.1UWTEMconfigurationforleadingFig.2DraftshowingtheoperationofUdetectionatthedrivingfaceofdrift.WTEMmeasurementatthedrivingfaceofdrift.θi表示探測(cè)方向?yàn)榍胺狡螃萯角度;βi表示探測(cè)方向?yàn)榍胺狡姚耰角度巷道掘進(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

7、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巷道掘進(jìn)頭連續(xù)跟蹤超前探測(cè)的效果根據(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(wú)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可行性和有效性。根據(jù)初探,UWTEM方法