李云飞
摘要:作为煤矿安全生产工程的重要组成部分,防治水工作向来受到煤矿业界重视,近年来相关研究的大量涌现也能够证明其重要性。基于此,本文将简单介绍瞬变电磁技术及其在煤矿防治水中的应用方法,并深入探讨工作面底板探水中瞬变电磁技术的具体应用,希望研究内容能够给相关从业人员以启发。
关键词:瞬变电磁技术;工作面底板探水;富水区;煤矿防治水
1.前言
瞬变电磁技术属于一种时间域的人工源地球物理探测方法,具备探测速度快、便捷易操作、分辨率高、探测深度大、探测效果好、抗干扰能力强等优势。为保证瞬变电磁技术较好服务于煤矿防治水工作,保证煤矿生产安全,正是本文围绕瞬变电磁技术在工作面底板探水中应用开展具体研究的原因所在。
2.瞬变电磁技术及其在煤矿防治水中的应用方法
2.1基本原理
瞬变电磁技术简称TEM,该技术能够利用不接地回线或接地电源线向地下发射不同频率的脉冲电磁场,在脉冲电磁场下降时,一次感应涡流场(一次场)信号将随之发生变化,同时一次场信号会向周围空间扩散,通过地下导电介质的一次场会产生随时间变化的电磁场二次感应涡流场(二次场),一次场、二次场属于非稳电磁场,源于电磁场影响地质体产生的涡流,通过对随时间变化产生的二次场信号规律,即可分析判断地下岩层的导电性变化,地质体的不均匀分布情况也能够由此明确,瞬变电磁技术因此能够通过探测辨别低阻异常地质体。在高阻围岩的低阻地质体寻找探测中,瞬变电磁技术的灵敏度极高,且能有效提高探测深度,同时具备探测速度快、便捷易操作、分辨率高、探测深度大、探测效果好、抗干扰能力强等优势。但在瞬变电磁技术的具体应用中,大铁器和生产用电很可能对瞬变电磁仪的应用造成影响,物探结果的可靠性可能降低,因此必須在全部关闭工作面生产用电后开展瞬变电磁勘探。基于地下水本身存在的物性差异或地质结构,瞬变电磁技术可较好用于矿井防治水工作,如用于探查岩溶涌水通道、矿井充水水源、采空区等积水、不规则水体等地质问题[1]。
2.2应用方法
(1)超前测试工作原理。在煤矿防治水的瞬变电磁技术应用中,超前测试需要向坑道工作面发送回线上供一个电流脉冲方波,以此开展具体测试。考虑到地层的瞬变电磁场传播主要形式为扩散形式,浅表附近主要集中高频部分,传播到坑道深处的较低频部分拥有逐渐扩大的分布范围,图1为全空间瞬变电磁场电流扩散示意图。
(2)超前探测布置及结果表达。瞬变电磁超前探测一般采用同心回线布置方式(基于边长2m×2m的多匝小线框),以此适应坑道空间条件限制,该方式可实现较为简单的迎头数据采集。现阶段主要存在扇形和形型两种形式的观测系统,具体的数据采集也可综合应用两种形式。以U型观测系统为例,原点多选择巷道迎头立面中心,数据采集沿巷道左帮、迎头和右帮进行,每个数据点进行3个方向的观测,包括俯角45°底板方向、仰角45°顶板方向,并采用虚拟坐标方式进行数据处理,以此依次排放3个方向数据,形成统一电阻率剖面(左帮、顺层、右帮),中间顺层数据需在这一过程中得到重点关注,两帮数据一般用于电性参数对比,巷道断面宽度不等同于横坐标;在全方位观测系统的应用中,需结合扇形和U形两种形式的观测系统,以此对迎头及左帮、右帮进行全方位采集,较大的数据采集量可为对比巷道迎头空间数据提供便利,全面的地质认识也可更好获得。在统一坐标成图时,数据校正需基于两帮支护条件差异进行,部分数据点稀少情况带来的影响也不容忽视[3]。
(3)四断面法超前探测布置。为保证煤矿防治水的瞬变电磁技术应用能够发挥更为优秀的效果,需考虑测试范围较大瞬变电磁超前常规布置存在的缺陷,如四周环境干扰影响较大、获得数据存在问题,在判断前方含水异常体空间范围的过程中,3个断面所能够发挥的作用也较为有限。因此,可在坑道中心线位置增加测线,以此改进测试系统,数据采集需要由此沿巷道顶板至底板方向逐点进行,纵向垂直扇形剖面(坑道中心)可由此精准获得。由于主线为坑道中心线迎头数据,测试条件差异、两帮金属物体干扰带来的影响即可大幅降低,且能够更好地判定异常体的空间范围,迎头全面的空间信息自然可顺利获取。以坑道竖直剖面数据采集为例,该测试可将线框上仰45°开展,以此逐步将一定角度降低,直至俯角45°,垂直扇形剖面即可顺利获得。基于尽量密集布控的数据采集可更好地服务于地质解释,而在四断面法超前探测布置支持下,前方异常体水平位置判别由常规的3个剖面负责,前方异常纵向分布特征则能够通过竖直剖面实现较高水平控制,结合某坑道掘进中受水害威胁严重的大水矿井进行分析可以发现,四断面法超前探测布置可基于瞬变电磁四断面法进行超前预报,矿井防治水技术措施制定可由此获得依据,可见瞬变电磁技术能够更好地服务于煤矿防治水工作开展[4]。
3.工作面底板探水中瞬变电磁技术的具体应用
3.1工程概况
为提升研究的实践价值,本文以某低瓦斯矿井作为研究对象,该煤矿主采10#和11#煤层,拥有中等的水文地质条件。煤矿一盘区西侧的1022工作面下邻1042工作面(正在回采),上邻1012工作面采空区,东邻一盘区轨道上山保护煤柱,西邻二盘区采区。1022工作面走向长、切眼长分别为684.7m、139.5m,煤层平均厚度、煤层厚度变化区间分别为3.6m、0.6m~8.6m。1022工作面存在底板太原组薄层灰岩水及顶板砂岩裂隙水的直接充水水源,以及奥陶系灰岩含水层、砂锅窑砂岩含水层的间接充水水源。受发育不均的奥陶系灰岩岩溶裂隙影响,可能出现局部强富水,奥灰水突水可能性存在于构造发育区段。隔水层变薄区或奥灰水严重向上导升区段可能突出隔水层,导致奥灰水直接向矿井充水或补给太原组灰岩,水害事故可能因此发生。因此工程必须针对性治理奥陶系灰岩富水区域和构造区域,以此有效开展防治水工作。
3.2仪器选择
为合理应用瞬变电磁技术,工程针对性开展了仪器选择,选用的瞬变电磁仪为矿用增强型,具体型号为TEM-47,由加拿大GEONICS公司生产。作為矿用防爆型电磁法物探仪器,矿用增强型TEM-47瞬变电磁仪可用于煤尘、瓦斯爆炸等井下危险性环境,实现对导水层小构造和富水异常区的探索,在电子信息技术支持下,矿用增强型TEM-47瞬变电磁仪的探测精度和抗干扰性均较强。矿用增强型TEM-47瞬变电磁仪由信号接收探头、脉冲发射线圈、主机组成。主机部分包括信号接收机与脉冲发射机,可进一步细分为FPGA控制部分、显示屏、电源、发射器、控制机、转换器,主要负责信号的采集、发射、接收,并同时实现实时信息显示和操作界面提供。仪器系统的主控平台由工作控制机与FPGA组成,整个仪器系统的数据信号接收、电磁信号发射、时间顺序控制的信息实时显示、同步数据采集与存储可由此实现;发射控板与发射线圈组成发射机部分,负责发射电磁脉冲波用于瞬变电磁勘探;数据接收采集系统由配套电路部分、信号接收探头与转换器组成,可实现对高精度数据及信息的传输,即二次涡流场反应数据和信息。在采集数据信息完成后,数据信息可通过瞬变电磁仪初步处理,当前所测物探点电压信息可基于显示屏实时显示,多物探测点的多测道图、视电阻率值也可随之实现实时显示,瞬变电磁仪工作原理如图2所示。
3.3物探布置及工程施工
基于1022工作面,瞬变电磁物探工程主要在轨道顺槽和胶带顺槽进行,为应对条件恶劣、复杂的井下巷道工作面环境,提高探测精度,保证探测数据的准确形式,工程采用偶极布置方式开展瞬变电磁勘探,图3为瞬变电磁偶极布置方式示意图。
在瞬变电磁底板探测工作中,1022工作面共布置施工测线4条,分别为胶带顺槽底板垂探线、胶带顺槽内帮30°俯探线、轨道顺槽底板垂探线、轨道顺槽内帮30°俯探线,长度分别为550m、490m、490m,点距均为10m,实测物探点分别为55个、55个、49个、49个。胶带顺槽探线起测点为胶带顺槽开口向里60m处,实测物探点的设置间隔为10m,轨道顺槽探线起测点为从切眼口向外60m处,实测物探点的设置间隔同样为10m。工程共施测物探点和试验测点215个,包括7个试验测点、208个物探点。
3.4数据处理及成图分析
在完成瞬变电磁勘探后,需采用专业软件进行采集到数据资料的分析,需选用基于瞬变电磁法数据处理和解释专门开发的软件BETEM,该软件具备高分辨率、高精度、操作简便等特征,采用模块式结构的软件包,不同的功能模式可通过每个模块独立执行。归一化的瞬变感应电压属于瞬变电磁勘探得到的观测数据,各测线的原始数据可在数据采集完成后由接收机传入计算机,初步整理后即可进行多项校正、转换和正反演分析计算,BETEM软件需在这一过程中充分发挥自身作用,以此进行时间向距离的转换,并最终求得全空间视电阻率。由于施工方法正确、仪器选择得当,试验最终获得了较为科学合理的施工参数,辅以良好的原始资料,研究获得了1022工作面视电阻率值剖面图与工作面富水异常区分布图,地质勘探任务由此顺利完成,图4为1022工作面胶带顺槽内帮30°俯探线获得的试验结果。
综合分析可以确定,共4个相对弱低阻异常区存在于视电阻率剖面图中。向里390m~410m处(胶带顺槽起测点),35m以深为1#异常区范围;向外30m~55m处(轨道顺槽起测点),40m以深为2#异常区范围;向外260m~280m处(轨道顺槽起测点),45m以深为4#异常区范围;向外260m~ 280m处(轨道顺槽起测点),45m以深为4#异常区范围,由此即可直观了解富水异常区分布情况,更好指导煤矿生产,直流电法等物探手段存在的局限性问题可在瞬变电磁技术支持下顺利解决,并同时有效分析探测工作面含水区域的情况,探放水钻孔在巷道内布置的合理性可由此提升,探放水打钻施工也能够更为针对性的用于低阻异常区,钻探精确度提高的探放水钻孔可更好消除水害隐患,煤矿巷道施工安全、生产的安全性自然可得到更好保障。
4.结论
综上所述,瞬变电磁技术在工作面底板探水中的应用价值较高。在此基础上,本文涉及的基本原理、应用方法、仪器选择、物探布置及工程施工、数据处理及成图分析等内容,则提供了可行性较高的瞬变电磁技术应用路径。为保证瞬变电磁技术更好地服务于煤矿防治水工作开展,四断面法的合理应用、多方法之间的联合反演与解释研究同样需要引起业界人士的重视。
参考文献:
[1]王鹏程.水文地质对煤矿防治水工作的重要性[J].中外企业家, 2020(12): 256.
[2]邸鹏飞.关于构建煤矿地测防治水技术管理体系的研究[J].当代化工研究, 2020(05): 102-103.
[3]高鹏.试析煤矿地质与防治水工作结合的必要性[J].当代化工研究, 2020(04): 16-17.
[4]张金辉.煤矿防治水工作中勘探方法的途径研究[J].中国设备工程, 2018(18): 212-213.