谈井下瞬变电磁法在巷道掘进头连续跟踪超前探测应用

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1、谈井下瞬变电磁法在巷道掘进头连续跟踪超前探测应用【摘要】本文对煤矿巷道掘进头的连续跟踪超前探测方法的工作原理进行分析，在此基础上探讨了井下瞬变电磁法在巷道掘进头连续跟踪超前探测的应用。【关键词】煤矿巷道掘进头；探测方法；瞬变电磁法引言巷道掘进头前方的构造破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等富水区（体）对巷道的安全掘进构成了严重威胁，也是煤矿发生重大突水事故的主要原因。如何做到提前预报和及时防治，关键在于有效的超前预测。多年来这一问题一直困扰着煤矿的基层技术人员和施工人员。近年来，全空间瞬变电磁技术在中国得到

2、了发展，这一技术属于近距离观测，具有体积效应相对较小、方向性强、分辨率高、对低阻区敏感、施工快速的优点，为我们提供了一条新的探测途径。实践证明，通过设计合适的装置形式可以有效地超前预测巷道掘进头前方数十米范围内的水害危险性，目前该技术已成为我们预测煤矿水害的最佳选择。1巷道掘进头超前探测方法巷道掘进头一般只有几平方米大小，既无法釆用共面偶极方式，也无法采用中心方式。因此，我们采用了一种不共面同轴偶极方式。发射线圈（Tx）和接收线圈（Rx）分别位于前后平行的2个平面内，二者相距一定的距离（要求＞5m,实际中

3、常采用10m）并处于同一轴线上。观测时接收线圈贴近掌子面，轴线指向探测方向。对于巷道掘进头来说，探测时分别对准巷道正前方，正前偏左、偏右等不同方向，这样可获得前方一个扇形空间的信息。巷道掘进头的超前探测与顶、底板的探测不同，顶、底板探测是静态的，而超前探测是动态的，目标空间随巷道的掘进而变化。所以，超前探测除了装置方式的改变外，在时间上还应该是一个连续跟踪的过程。2井下瞬变电磁法在巷道掘进头连续跟踪超前探测的应用瞬变电磁法（TransientElectromagneticMehtod,简称TEM）的原理是

4、利用不接地回线向地下发射一次脉冲磁场，当发射回线中的电流突然断开后，地球介质中将激励起二次涡流场以维持在断开电流以前产生的磁场（即一次场）。井下瞬变电磁法基本上是由地面移植到井下（其他方法如井下直流电法也是如此），但是，相应的施工方法和解释方法需进行一定的改进。在施工方面，井下测量处于全空间中，应根据实际情况和需要改变发射线圈与接收线圈角度进行连续观测，以获得扇形剖面。由于要在有限的井下空间布置装置，线圈不能大,且要达到一定的探测深度，这就要求增加发射电流。但考虑到井下安全问题，即使在低瓦斯矿井尽量加大井

5、下通风量的条件下，发射电流也不能太大。因此，井下瞬变电磁法须采用灵敏度高的仪器和特殊的工作方式，以便在发射电流不大的情况下增大超前探测距离。井下瞬变电磁法所采用仪器为EM-3型小装置瞬变电磁仪器，并将接收线圈与发射线圈进行了改进，以便适合于井下施工。根据上述思路，我们在某矿-250排水巷道进行了一次探索性的试验。该巷道的围岩为石炭纪灰岩，裂隙和断层比较发育，水害是该巷道掘进的最大威胁。我们试验的目的是超前预测掘进头前方有无富水异常及富水异常的位置和范围，为巷道的安全掘进提供依据，同时检验全空间瞬变电磁法的

6、可行性和有效性。根据初探，UWTEM方法在-250巷道掘进头的有效探测深度约为70m,所以我们设计留出20m的安全距离，巷道每向前掘进50m时进行下一次探测。从2004年9月开始至今我们已经连续进行了5次跟踪探测，取得了理想的效果。将测量所获得的数据经过三维全方位处理分析，包括滤波、圆滑、正演、反演等，突出了低阻体的异常，并把处理结果绘制成电阻率剖面图，再根据剖面图上所反映的电阻率在空间的变化情况，作出推断解释。通过井下瞬变电磁法在独头巷道超前探测的垂直剖面图，可见在掘进面前方约275-320m范围有明显

7、的低阻异常带，其中心大约在310m处，根据地质情况分析，我们推断此异常是含水构造裂隙带的反映。在随后的巷道掘进过程中，在282-317m发现含水裂隙带，涌水量为60m3/ho由于矿方提前采取了探放水措施，确保了掘进施工的安全。由此可见，物探结果得到了较好的验证。依据跟踪探测结果随时预报了掘进头前方可能存在的水害隐患，矿方及时采取了防治措施，成功地排除了隐患，保障了巷道掘进的安全。实践证明，如果采用合适的观测方式，UWTEM技术可以有效地预测巷道掘进头前方的含水异常，为水害预报提供比较可靠的依据。同时，通过

8、这次试验我们也发现了UWTEM方法存在的问题。首先，巷道掘进头的实际情况既不同于半空间，也不是完全的全空间，因而数据处理结果在电阻率值和探测深度上都有一定的偏差，解释出的低阻异常区范围往往偏大。这种情况除了该方法本身的体效应外，全空间理论模型与实际环境的差异可能是一个重要原因。其次，虽然接收线圈位于探测面前方的掌子面上，探测面后方的异常仍然会产生影响，所以对异常体的定向仍然存在不确定性。第三，在装置上，为了减小互感的影响，发射