利用矿井瞬变电磁法探测工作面顶板岩层含水性的研究

煤层顶板水害对煤矿安全生产构成了严重威胁,为保证工作面正常回采,必须在开采前查明顶板岩层含水性。介绍了矿井瞬变电磁法在煤矿井下探测的基本原理、工作方法和技术特点,给出全空间条件下磁偶源晚期视电阻率表达式和不同瞬变延时所对应深度表达式,结合工作面顶板岩层含水性探测实践,探讨了资料解释方法和效果。研究表明,矿井瞬变电磁法能够有效地确定工作面顶板岩层富水位置和范围,可为矿井水害防治提供可靠依据。     

煤矿深部采区岩层富水性短偏移距瞬变电磁法探测

为了解决矿井深部岩层水文地质条件的探测,论文探讨了接地线源短偏移距瞬变电磁法的理论及应用。论文介绍了基于感应涡流场电性源短偏移距瞬变电磁法的基本原理和工作方法,结合某煤矿深部采区岩层富水性探测,分析了测区地层的地球物理特征,在视电阻率和深度精细计算处理的基础上,详细分析了瞬变电磁法采用接地线源短偏移距装置进行大采深岩层富水性探测中的地质效果和可靠性,实现了采用1000m的短偏移距达到1500m的探测深度。研究表明,电性源短偏移距瞬变电磁法在探测深部采区岩层富水性方面具有探测深度大和地质效果好的特点。     

煤矿含水体瞬变电磁探测技术研究进展

老窑采空区、顶底板含水层、陷落柱、溶洞、裂隙等潜在含水体,是煤矿开采中的主要致灾因素,严重影响矿山安全生产。随着煤炭开采规模和深度的逐渐加大,地质条件和观测环境日趋复杂,此环境下含水体探测成为保障煤矿安全生产过程中遇到的巨大难题,亟需创新电磁精细探测理论与技术。瞬变电磁法能够获得地下介质的电阻率分布,由于煤矿含水体与围岩具有明显的电阻率差异,该方法成为探测含水体的主要方法之一。首先总结了煤矿含水体的赋存特征及其电磁法探测的物理基础。然后,综述了近年国内瞬变电磁探测理论、方法和技术等方面研究新进展,及其在煤矿含水体探测中的应用和前景。理论方面,重点介绍了近年被引入瞬变电磁场数值模拟的时变点电荷载流微元近场理论和矿井瞬变电磁法的物理基础——地下全空间电磁理论,这2项理论都得益于数值模拟手段的发展,近年取得了较大的发展。在方法方面,对修正式中心回线装置、电性源瞬变电磁法、半航空瞬变电磁法和矿井瞬变电磁法等新型瞬变电磁法装置进行介绍。随着相关数据处理和反演技术的发展,这些新装置开始在煤矿含水体中得到应用,并展现出与传统方法截然不同的技术特点。最后,指出瞬变电磁多分辨探测方法技术、大数据技术、煤矿多层采空区精细探测技术和瞬变电磁高分辨数据采集装备研发是近年煤矿复杂含水体探测的研究方向。     

齐大山铁矿南帮含水构造带探测研究

为解决采空区突发涌水给矿山安全生产带来的安全威胁,以齐大山铁矿为研究对象,以高密度电阻率法含水构造带理论模型的正演模拟研究为基础,运用高密度电阻率法对采场南帮含水构造带的异常范围进行了圈定;运用瞬变电磁法进行了二次探测,并对高密度电阻率法所圈定的异常范围进行了验证。研究表明:含水构造带显示为低阻异常特征,在高密度电阻率法探测成果图中显示的两处低阻异常与含水构造带理论模型的正演模拟结果一致;同时,在瞬变电磁法探测成果图中显示的低阻区域均在高密度电阻率法所圈定的低阻异常范围内,二者相互验证,这两处低阻异常均为含水构造带的地球物理异常特征的显示,表明采用高密度电阻率法和瞬变电磁法组合识别技术可实现对隐伏含水构造带的先导性探测。     

铁轨影响下煤层底板瞬变电磁探测技术应用

为了减少铁轨对瞬变电磁探测煤层底板的影响,采用物理实验模拟和井下试验相结合的方法,研究了铁轨影响下煤层底板的瞬变电磁响应特征,并总结出瞬变电磁响应规律。结果表明:受铁轨影响的瞬变电磁感应电位明显增大,感应电位衰减时间延长,含水异常区的视电阻率值明显低于未受铁轨影响时的视电阻率值。经校正得到的视电阻率断面图能准确反映煤层底板含水异常区的位置范围和赋水情况,提高了铁轨影响下瞬变电磁探测煤层底板含水异常区的准确性。     

利用综合物探法精准探测弓长岭露天矿采空区

为了对弓长岭露天矿采空区进行精准探测,首先根据高密度电阻率法,利用温纳、偶极、单边三极等装置采集的探测数据划分了各类地质条件下单采空区和双采空区的高、低阻模型,通过对比分析电阻率的差异,实现了对水平方向密集排列和垂向分布采空区的准确探测;然后结合瞬变电磁法,利用重叠回线、中心回线、分离回线、框一回线等装置,建立了同一地质体的地质及地球物理识别模型,通过观测线圈瞬变磁场结构、频率随时间和空间的变化信息,对该采空区的位置和规模进行了精准探测;最后,为了准确测定采空区的位置、规模、顶板厚度等信息,对高密度电阻率法、瞬变电磁法的探测数据进行处理,并结合现场地质实际情况进行综合解译,形成了采空区分布断面图和平面图。探测结果表明：弓长岭露天矿存在3个浅部采空区和2个深部采空区,进一步说明,将高密度电阻率法与瞬变电磁法有机结合,实现了探测技术的优势集成,有助于实现对采空区进行快速、准确探测。     

瞬变电磁技术在巷道掘进工作面超前探测的效果

煤矿井下超前探测巷道掘进工作面前方的富水异常体是预防水害事故、保证巷道安全掘进的一个技术难题。利用瞬变电磁技术的超前探测装置,解决超前预报掘进工作面水害的难题,经实践检验效果良好。     

矿井瞬变电磁法在煤矿陷落区探测中的应用

介绍了矿井瞬变电磁法的基本原理,给出了矿井瞬变电磁法的视电阻率计算公式。在煤矿井下巷道有限空间内采用矿井瞬变电磁多点多方向交叉探测技术,完成巷道内尽可能多的采集数据。对多方向交叉探测的原始数据进行预处理、时深转换等数据处理,通过综合分析4个测点对陷落柱的探测效果,从而确定陷落柱的电性特征、位置、深度范围等。     

煤矿井下探测中影响不含水断层视电阻率变化的单一主控因素分析

选取晋城矿区典型3号无烟煤试样,在实验室进行单轴加载条件下的电阻率测试实验,并开展矿井瞬变电磁法探测不含水断层现场试验,研究了不含水断层的视电阻率变化特征。结果表明:煤样加载全过程,经过压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段、峰值后破裂阶段、残余变形阶段5个阶段;煤样应力应变曲线表现为由低到高再到低的特征,煤样电阻率曲线表现为由高到低再到高的特征;加载过程中,压密阶段、弹性变形阶段应力越大电阻率越小,应力为影响电阻率变化的主控因素;塑性变形阶段,电阻率先减小后增大,应力和裂隙共同影响电阻率变化,由应力为主要因素逐渐转变到裂隙为主要因素;峰值后破裂阶段和残余变形阶段电阻率急速增大,裂隙为影响电阻率变化的主控因素;通过瞬变电磁法探测不含水断层试验,发现不含水断层导致视电阻率明显升高,表明裂隙为影响断层视电阻率单一变化的主要因素。     

瞬变电磁勘探法在长治地区探测煤矿采空积水区中的应用

为查明长治地区煤矿采空区的分布范围和积水情况及存在的安全隐患,采用瞬变电磁法探测技术探测长治地区众多煤矿采空积水区。通过野外数据采集、处理等做出视电阻率综合剖面,结合探测实例分析了煤矿采空区物探特征,总结了瞬变电磁法在长治地区的应用效果。     

Quantitative Prediction of Water Volumes Within a Coal Mine Underlying Limestone Strata Using Geophysical Methods

Mine water and mine inflow water are closely linked to the risk of mine water disasters. The relationships between various geophysical parameters and the volume of water in mine tunnels were considered by using an integrated suite of appropriate geophysical methods [i.e. direct current (DC) resistivity, transient electromagnetic method (TEM), and the seismic scattered wave method], and knowledge of the essential features of seam floor water in karst coal mine settings. By constructing a 3-dimensional physical simulation of water-bearing limestone, a quantitative predictive formula for water volume in abnormal bodies was derived in terms of the parameters of the selected suite of geophysical methods. Water volume was determined by using apparent resistivity (obtained from the DC resistivity survey and TEM), a measure of the amount of potentially water-containing space, and a correction coefficient. The quantitative formula was adjusted for accuracy using field data, and then tested at a specific field site. The average accuracy of predictions using the composite quantitative formula was 75.8 %, which is considered to be high. The formula presented in this paper could contribute significantly to the prevention and mitigation of water-related disasters in karst coal mines.     

瞬变电磁水平分量视电阻率定义

为了将瞬变电磁水平分量转化成电阻率参数,实现瞬变电磁水平分量视电阻率定义,对不同偏移距下大定源回线瞬变电磁场水平分量响应进行了数值计算和分析,得出水平分量具有与中心点垂直分量相似的函数形态和函数性质,据此,水平分量可以用与中心点垂直分量类似的多项式进行拟合,从而得到多项式形式的感应电动势表达式。根据瞬变电磁晚期近似条件,用水平分量的拟合多项式,定义相应的晚期视电阻率表达式,从而实现水平分量响应到地下介质电阻率参数的转化。通过对模型的计算可知,上述方法可行,结果正确;通过对实测数据的解释可知,水平分量不仅具有纵向分辨力,也具有较好的横向分辨率。     

矿井瞬变电磁超前探测视电阻率扩散叠加解释方法

受体积效应的影响,矿井巷道瞬变电磁超前探测时对异常区有不同程度的放大。为获得更为可靠的测试结果,在扇形超前观测系统的基础上,通过烟圈简化反演,并根据不同测点在巷道前方形成的烟圈交汇特征,推导视电阻率扩散叠加表达式及相关参数计算公式,实现了超前探测视电阻率扩散叠加解释方法,进一步提高对前方地质体的分辨能力。物理模型实验和现场探测实践表明,与常规视电阻率断面对比,视电阻率扩散叠加结果对异常体的判定效果优越性较强,对巷道掘进前方含水体的聚焦判定能力增加。     

基于电性标志层识别的瞬变电磁精准处理技术

地面瞬变电磁资料解释精度的进一步提高一直是该方法研究的重点内容。以瞬变电磁烟圈效应扩散理论为依据,通过双倍旅程和平均速度概念建立了时深转换方法,以克服瞬变电磁采用简单经验公式计算实测数据时可能出现的深度翻转问题;以三维地震成果数据获取的9号煤层深度作为电性标志层校正标准,采用视电阻率微分极值点识别该电性标志层,通过比值法计算相应瞬变电磁测点的深度校正系数K值,然后采用内插方法得到测区任意点K值,以校正瞬变电磁在计算探测深度时出现的偏差。通过堡子矿钻孔ZKB1-1和ZK201电阻率测井资料分别建立了正演理论模型,计算了瞬变电磁响应,并和钻孔旁瞬变电磁实测数据的视电阻率微分极值对比,结果表明,两者基本一致,能够准确识别电性分界面。以矿区256线和344测线为例说明了电性标志层识别效果,计算了堡子矿全区深度校正系数,对该区资料进行了精细处理,圈定了工作区奥灰顶低阻异常区,以视电阻率为基本参数,分析评价了该区的地层赋水性强弱。根据奥灰顶视电阻率平面图以及地表径流,结合断层构造的分布特征,确定了导水通道存在及位置。最后通过钻孔验证表明:该方法处理探测深度精度误差小于5%,达到了对地面瞬变电磁资料的精细解释。     

矿井瞬变电磁法在石墨矿中的应用

为了对石墨矿采空区及裂隙带富水性进行评价,开展了瞬变电磁法在矿井中的应用方式探究。结合矿井实际条件,将瞬变电磁技术应用到井下巷道内进行探测,采用多匝数和小回线(边长1 m左右)井下测量装置,对即将掘进的巷道迎头进行不同仰角全方位的数据测量;利用瞬变电磁视电阻率晚期公式计算不同方位的视电阻率,绘制同一仰角不同方位的扇形视电阻率剖面图,从而圈定前方的相对富水异常区。通过钻孔进行抽放水并验证,发现瞬变电磁法探测深度大约60 m左右,该方法可有效地预测巷道掘进迎头前方的含水异常,以及前方采空区的积水情况和裂隙发育区的含水情况,从而达到排查水害的目的。     

矿井瞬变电磁法小线圈装置的电磁场响应特征研究

研究小尺寸且方便在井下安装的瞬变电磁法探测装置,可为掘进巷道随掘随探和预报水害提供新思路。基于全空间瞬变电磁理论,采用三维时域有限元法进行数值模拟,探讨了小线圈激励获得的二次场响应特征和磁芯线圈接收的瞬变电磁响应特征。构建巷道掘进工作面前方含水断层地质-地球物理模型,研究了小线圈装置对含水断层的瞬变电磁响应特征,对比分析小线圈与常规线圈超前探测的效果差异。研究表明：小回线源激励产生的感应电动势衰减规律与常规发射线框对应的感应电动势随时间变化规律相同,磁芯线圈能有效地提高感应信号强度;小线圈装置与常规线圈装置探测应用效果良好,可以有效解释低阻区分布范围,探测结果与巷道掘进验证结果吻合。结合井下现场试验,验证了小线圈装置应用于矿井瞬变电磁法超前探测的适用性和有效性。     

瞬变电磁法在探测工作面顶板富水性中的应用

针对红柳林煤矿生产和建设中存在的5#煤层顶板水害问题,采用矿井瞬变电磁法对25203工作面顶板基岩层的富水性及隐伏含水构造进行探测,查明了该工作面顶板岩层富水区的分布情况。其结果表明:瞬变电磁法能较好的探测工作面顶板含水层富水层位的的空间位置及富水程度,为回采工作面防治顶板水工作提供有效的科学依据。     

瞬变电磁法在南关煤矿采空区防治水中的应用

针对煤矿采空区积水严重,事故频发的问题,采用瞬变电磁法对汾西矿业集团南关矿煤层采空区分布范围以及积水情况进行探测.通过三条不同测线测得的视电阻率图,确定了采空区的积水状态,并制定了相应的防治水措施,为矿井的正常开采和矿井防治水提供了依据.     

瞬变电磁技术在巷道顶板注浆检测中的应用

通过注浆前后两次探测结果的对比,综合分析前后两次探测的视电阻率值分布规律,判断注浆效果是否满足预期。注浆前,视电阻率值在探测结果图中低阻明显,范围较大,而注浆满足回采要求之后,视电阻率值相对较高,且分布较为均匀,无明显低阻异常,从而排除隐患。此外,若将瞬变电磁资料与钻孔资料相结合,可取的更加准确的结果,有助于矿井瞬变电磁的发展。     

瞬变电磁技术在亿欣煤业水害探测中的应用

为了掌握矿山含水层赋存状态,避免突水事故的发生,红欣煤矿采用瞬变电磁方法对煤矿含水区域进行了探测。XV103X作面顺槽巷道探测结果显示,距离XV105 X作面巷道未开挖巷道端头350-400m处,深度40-60m范围内存在较大含水区域,试验为巷道开挖过程中含水层的防治处理提供准确定位,保证了煤矿开采的顺利进行。