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1、基 届幸国国醑地球电磁蹲末讨论套 T h es i x t hC h i n ai n t e r n a t i o n a lg e o o e l e c t r o m a g n e t i cw o r b s h o p 地下全空间瞬变电磁法及在煤矿水害预防中的应用 白登海1 何兆海2 卢建2 智建水3 徐通峰3 1 中国科学院地质与地球物理研究所2 中国地震局地质研究所3 河北峰峰集团公司 U n d e r g r o u n dW h o l e 。S p a c eT r a n s i e n tE l e c t r o m a g n e t i c M e t h
2、 o da n dI t sA p p l i c a t i o nt ot h eP r e v e n to fW a t e r D is a s t e r si nC o a lM i n e s B a iD e n g h aJ 1H eZ h a o h a i 2 L u j i a n 2 Z h iJ i a n s h u i 3X u T o n g f e n 9 3 I n s t i t u t eo f G e o l o g ya n d G e o p h y s i c s ，C h i n e s e A c a d e m yo f S c i e
3、 n c e s 2 I n s t i t u t eo f G e o l o g y , C h i n aS e i s m o l o g i c a l B u r e a u ，3 W u m n g z b u a n gC o a lM i n e ，F e n gF e n gC o a lB u r e a u ) 预防和治理水害是我国煤矿安全生产所面临的主耍任务之一。影响矿井安全的主要水文地质 因素有：( 1 ) 底板富水含水层突水；( 2 ) 揭露导水断层出水：( 3 ) 盲目揭露导水陷落柱突水；( 4 ) 裂隙活化与下伏含水层沟通突水及揭露导水裂隙突水；( 5 )
4、煤田勘探期间施工的部分钻孔封孔止 水质量不照造成含水层之间沟通，采掘工程盲目揭露造成突水；( 6 ) 盲目揭露老窑采空积水区。 矿井实际生产过程中突水危险性大小，取决于对上述突水因素导水性的控制程度及治理措施 的可靠性。如果在未揭露之前坚持“有疑必探先探后掘”的防探水原则，在安排生产施工过程 中采取物探、钻探等多种手段进行超前探测，有效地掌握和控制地质构造并探明其导水情况，采 取超前注浆加固措施进行治理，可以有效的避免或减少突水事故的发生，保证矿井安全生产。 目前，直接探测矿井各种突水构造的物探方法主要为矿井直流电法勘探、无线电波透视法和 青频点透视法。由于井F 测量环境的影响和限制，测线和测
5、点布置主要局限于巷道顶、底板，因 此，传统的矿井商流电法勘探只能探测到巷道顶、底板岩层一定范围内的导水构造。工作面内顶、 底板发育的导水构造，在回采过程中由于地应力的重新分布，隔水层的破坏，是引起矿井突水灾 害的摄重人的危险网素。矿井屯穿透法和音频电透视法对工作面顶底板导水构造的探测，在一定 矿井条件F 可取得较好的地质效果，但受巷道长度及两巷之间距离限制，对掘进前方导水构造采 用单极偶极法探测，大多数情况下效果不太明显，且探测距离较短。 瞬变电磁法用于煤田地下水探测已有多年，取得了好的地质效果。但到目前为止，瞬变电磁 方法主要用于地面探测，其理论基础基于地下半空间电磁理论。矿井下的瞬变电磁探
6、铡目前在国 内外都处于研究阶段，实际工作不多。原理上讲，井下观测时，小型发射、接收回线距目标体较 近，在巷道内可与含、导水构造形成最佳偶合，得到较强的瞬变信号。但实际上耍实现井F 观测 并得到正确的结果，需要解决许多理论和技术难题。从2 0 0 2 年开始，我们在国家自然基金的支持 下，与峰峰煤田梧桐庄矿、加拿大G E O N I C S 公司和北京欧华联公司合作，共同对井下瞬变电磁 法进行了研究。研究内容包括： ( 1 ) 井下瞬变电磁法的观测仪器。由于井下空间的限制以及安全措施的要求，地面T E M 仪 器不能直接用丁地_ 卜。根据我们的要求，加拿大G E O N I C S 公司在原来P
7、 R O T E ME M 4 7 的基础上， 3 8 3 第 届中国国辑地球曾磁学术讨给会 T h es i x t hC h i n ai n t e r n a t i o n a lg e o - e l e c t r o m a g n e t i cw o r b s h o p 研制了一套专门用丁井r 探测的小型发射线圈( 2 m 2 m 6 4 匝) 和小型大功率宽频段发射机 M O D I F I E D E M 。4 7 ，发射主频从2 7 3 H z 到2 5 H z ，发射电流6 一l 0 A 。 ( 2 ) 并r 瞬变电磁法的观测方法。井下T E M 观测方式与地面
8、有较大的区别，它不能采用大 框方式，只能采用同定小框的中心方式和偶极方式。根据试验中心方式和偶极方式都可以对异 常体的横向位置给出比较一致的反映，但中心方式的记录信号中包含了较严重的互感和一次场成 分，数据处理和解释还有垃! l 难。偶极方式的记录信号可以采用精确的数值计算得到合理的电阻率 分布。另外，由于发射框和接收框都是小型圃定框，可以在巷道的底、顶以及两个侧壁等方位进 行观测，根据不同方位的对比，可对异常体的附存方位做出判定。 ( 3 ) 井卜瞬变电磁法的数据处理与解释方法。井下T E M 的数据处理及解释方法与地面T E M 具有显著区别。对于地面T E M ，由于空气的电阻率很大，地
9、面可作为一个近似的导电半空间看待， 边界条件已知，探测的对象位于地F ，目标明确，数据处理可依据半空间电磁理论进行。而对于 地下，由于巷道的空间很小，探测环境具有全空间的特点，发射和接收线圈两侧的介质都会对瞬 变场产生影响，除非一方的结构已知，否则异常体的方位往往是不确定的。在数据处理中，常规 的p 空间方法已不再适用，而需要采用与之适应的全空间电磁理论和数据处理技术。对于煤田地 下的T E M 探测，另一个需要解决的问题就是资料解释。由丁地F 采用的是小型发射框，有效探测 范围在百米阻内。实际观测表明，在有效探测范围内，介质的电阻率变化很小含水与不含水构 造的电阻率差别一般只有几欧姆米。耍在
10、这样的环境中区分含水异常，解释方法必须具有非常高 的分辨率。为此，我们发展了一种新的高分辨成像方法，可以对低阻环境中电阻率的微小变化做 出反映。 为了探索地下T E M 方法对含水构造探测的可行性和有效性，我们于2 0 0 3 年在峰峰矿务局梧 桐庄矿进行了三次试验。地F 水害是梧桐庄矿安全生产的最大威胁，其地下含水量和危害性在国 内排名第一，世界排名第三。煤层之F 奥陶系灰岩中的静态承压水是威胁本井田的主要含水层。 如果把这些水全部抽到地面，不但费用庞大，而且将造成严重的环境灾难。所以，一个既经济又 环保的方法就是在煤田开采之前利用各种手段探测和确定含水区的横向和纵向位置以及导水系的 分布，
11、采用注浆笱手段把水封存于地F 。 在三次试验中，前两次试验均以失败告终，其原因主要是我们对地F 的探测环境了解不够， 采用的观测方式不合理，对全空间T E M 方法的基础理论和特点研究不够，数据处理和解释仍然采 用了半空间的常规手段未能得到符合实际情况的电阻率分布。在找到原因之后，我们从基础理 论出发，深入研究了全空间瞬变电磁场的表现特征。改变了观测方式，终于在第三次试验中取得 了成功。这次试验成功地预测了一个含水构造，并通过钻探得到了验证。钻孔资料表明，该构造 是煤层之下的一个大型承压水区通往采煤工作面的一个导水通道，排水量7 2 m 3 小时，属于大型 导水构造，如果不能在同采之前采取措施，将可能产生严重后果。通过钻孔注浆处理，该导水通 道已经被完全堵截。目前，该区附近的多个出水点也自动停止了出水，产生了相当好的效果。 我们的试验观测面位于地下六百多米深处，T E M 探测得到的电阻率只有几一十几欧姆米。为 了验证该电阻率值的止确性，我们同时对地面大定源方式的T E M 资料进行了处理。结果表明，距 地面五、 百米以下电阻率平均值在十欧姆米左右，与地FT E M 的结果一致，说明全空间数据处 理方法是正确有效的。 地F 全空间T E M 方法的研究成功将为我国煤田地下防水的超前探测提供一种有效手段，在 其它领域的地F 探测中也将发挥重要作用。
