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物探技术特别是矿井瞬变电磁法勘探技术在矿井水害防治方面的应用

物探技术特别是矿井瞬变电磁法勘探技术在矿井水害防治方面的应用

1.前言
       水害是我国煤矿五大自然灾害之一,严重制约着煤炭工业的健康发展。近年来,因各种原因造成的重、特大水害事故时有发生,不仅造成巨大的人员伤亡也使得经济遭受严重的损失。比如2010年发生在山西的王家岭煤矿透水事故,该事故共导致38人遇难,直接经济损失超过5000万元。因此,重视矿井防治水工作是十分必要的。
        造成煤矿水害原因是多种多样的,但在煤矿开采中发生的突水事故通常与水源和导水通道这两大因素息息相关。水源主要有大气降水,地表水和地下水这三大类型,其中地下水又可以细分为孔隙水,裂隙水和岩溶水。导水通道则可以分为断裂构造,岩溶陷落柱,构造和地震裂隙,采动裂隙,导水钻孔,岩溶塌陷和天窗这几种类型。因此,对各种引起矿井突水灾害的水源体超前预测预报,是防止矿井突水灾害事件发生的根本保证。
2.煤矿水害的传统防治手段
        对于煤矿水害的防治,当前我国煤炭企业应用的传统常规手段主要包括以下几种:
(1)提高对防治水害的认识。大力宣传“ 安全第一、预防为主”的方针,不断提高工人的安全意识和自我保护能力。同时,提升企业中高层管理人员的管理水平,优化管理制度,始终强调把人员的生命安全放在第一位的管理理念,坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、探注结合”的综合防治原则,力争少淹井,少死人,把水害事故降到最低限度。
(2)针对水害类型,采取有效防治措施。根据一靠管理,二靠工程投资,三靠科学技术进步的煤矿水害防治的基本原则,在提高经济效益的同时强化行业管理,依靠科技进步,加强技术管理,加大工程投入。对不同水害类型的矿区采取不同措施,保证受水威胁严重矿区的稳定和发展,减缓衰老矿井报废的速度。
(3)地表水害的治理。由于地表水水害来得突然而迅猛,无法抗拒,迫使井下作业人员无法撤出,往往造成重大损失和人身伤亡。对此类水害的防治有一条重要的经验就是防水重于排水,即防重于治。加强对地表水体河流、水库、塌陷积水区等充水因素的分析、观测减少和防止水体向矿井渗漏和溃入。采取截断补给水源、疏堵漏水段、辅砌和改造河流、填排塌陷区积水。
(4)松散层冲积层水水害的防治。首先要查清冲积层的沉积特征、含水层厚度、分布范围及富水性,并通过多种试验手段充分掌握本区煤层开采后所产生的冒落带及导水裂隙带发育范围和高度,合理留设防水煤岩柱,选择正确的开采和支护方法。
(5)老窑水和采空区积水的水害防治。首先对新采区调查是否存在老空积水的威胁,然后采用物探和钻探等手段查明积水范围和积水量,在采掘过程中严格执行探放水有关规定,及时探放积水或合理留设防水煤柱以防止采空区透水。
(6)编制好防治水科研与工程规划,加强防治水宏观调控。克服盲目性,增加预见性,以最佳的方法、最少的投入获取最大的经济效益。
3.物探技术在煤矿水害勘查中的应用
        随着科技的不断进步,现代地质学领域中也不断的引入一些新的技术和新方法,这些技术、方法作为当前我国矿井水害防治传统手段的有效补充,对水害防治起着越来越重要的作用,新的电法技术就是其中最为引人注目的手段之一。作为一项十分优越的技术手段,尤其是最近一些矿区通过物探与钻探的有效结合,给企业带来了十分明显的经济效益和社会效益,其应用效果已经得到了广泛的认可。
        电法技术主要包括以下三种:
(1) 矿井直流电法:由于井下测量环境的限制,测线和测点布置主要局限于巷道顶、底板或侧帮,矿井直流电法勘探能探查到巷道顶、底板或侧帮附近岩层内的突水构造,对距离巷道较远的工作面内水源体预测预报效果明显减弱,特别是巷道长度较短时,由于无法按要求布置供电电极和测量电极,矿井直流电法勘探方法也就无法进行。
(2) 音频电透视:属于直流电偶极接地探测技术,工作方法与无线电波透视法类似,其电场分布于地下层状全空间,电流沿最小路径流动,属体积勘探,主要用于解决煤层底板下或顶板上一定深度范围内的富(含)水异常构造。
(3) 瞬变电磁法:即Transient Electromagnetic Method(简称TEM),是利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲场,以激励地层介质感生电磁场,在一次脉冲场间歇期间利用同一回线或电偶极接收感应电磁场。
4.瞬变电磁法的原理与发展
        瞬变电磁法的物理基础是电磁感应原理,根据此理论,在电导率和磁导率均匀的大地上,铺设输入阶跃电流的回线,当发送回线中电流突然断开时,在下半空间就要被激励起感应涡流场以维持在断开电流前存在的磁场,此瞬间的电流集中在回线附近的地表,并按指数规律衰减。在发送一次脉冲磁场的间歇期间,观测由地下地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应电磁场(或称响应场)。地层介质被激励所感应的二次涡流场强弱决定于地层介质所耦合的一次脉冲磁场磁力线的多少,二次场的大小与地下介质的电性有关:低阻地质体感应二次场衰减较慢,二次场电压较大;高阻地质体感应二次场衰减较快,二次场电压较小。根据二次场衰减曲线的特征,就可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等,由于瞬变电磁仪接收的信号是二次涡流场的电动势(纯异常响应),对二次电位进行归一化处理后。根据归一化二次电位值的变化特征,可间接地探测各种地质构造问题。因此,瞬变电磁作为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法,是根据地质构造本身存在的物性差异来间接判断有关地质现象的一种有效的地质勘探手段
        利用瞬变电磁法寻找矿可以追溯到20世纪50年代,最早由前苏联建立了瞬变电磁法解释理论和野外施工的方法技术,并成功地发现了奥伦堡地轴上的大油田,到80年代末,前苏联的一些学者又从激发激化现象理论出发,研究了时间域瞬变电磁法的激电效应特征及影响,成功的解释了瞬变电磁法晚期段电磁响应的变号现象。
         国内瞬变电磁法研究自20世纪70年代开始,由长春地质学院、地矿部物化探研究所、中南大学和中国地质大学等单位在理论和方法技术研究方面作了大量的探索,推动了瞬变电磁法(TEM)在我国的应用和发展。虽然国内外地球物理工作者在瞬变电磁法基本理论和应用方面的研究取得长足进展,但这些研究都是以地面瞬变电磁勘探为基本点。
5.矿井瞬变电磁法的特点
        矿井瞬变电磁法勘探属于全空间效应的勘探方法,其基本原理与地面瞬变电磁法基本原理相同。所不同的是,矿井瞬变电磁法是在井下巷道内有限的空间进行,瞬变电磁场呈全空间分布。煤层一般情况下为高阻介质,电磁波易于通过,瞬变电磁法接收线圈接收到的信号是来自发射线圈周围全空间岩石电性的综合反映。
         由于特殊的井下施工环境,相对于地面瞬变电磁法而言,矿井瞬变电磁法有着很大的差异,主要有  以下几方面的特点:
(1)由于井下施工环境与地表不同,无法采用地表测量时的大线圈(边长大于50m)装置,只能采用边长小于3m的小线框,因此与地面瞬变电磁法相比数据采集工作量小,测量设备轻便,工作效率高。
(2)由于采用小线圈测量,点距更密(一般为2-10m),可降低体积效应,提高勘探的横向分辨率。
(3)井下测量装置距离异常体更近,大大提高测量信号的信噪比,实际测量结果说明,井下测量信号的强度比地面同样有效面积的相同工作装置测量的信号强10~100倍。
(4)地面瞬变电磁法勘探一般只能将线圈平置于地面测量,而井下瞬变电磁法勘探可以将线圈置于巷道底板测量,探测巷道底板下一定深度内含水异常体垂向和横向发育规律,也可以将线圈直立于巷道内,当线圈面平行巷道掘进前方,可进行超前探查;当线圈面平行于巷道侧面煤层,可探查工作面内顶、底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律。
(5)由于瞬变电磁法关断时间的影响,与其他物探方法相比,无法探测到更浅部的异常体(浅部20m),同时,对于其他矿井物探方法无法施工的巷道,可采用测量装置小、轻便的矿井瞬变电磁法探查。
6.  瞬变电磁仪器的现况介绍
        目前广泛应用于煤矿企业的直流电法仪器、以及音频电透视仪器国内做的已经比较成熟,而瞬变电磁仪器设备方面,目前具有代表性的主要有加拿大Geonics仪器公司推出的PROTEM-47、57和67瞬变电磁系统;澳大利亚Geo仪器公司生产的SIROTEM-Ⅲ,Monash Geoscope公司和Alpha Geoscience公司联合研制的Terra Tem;美国Zonge公司生产的GDP-32 Ⅱ以及加拿大Phoenix公司生产的V8多功能地球物理探测系统,此外国内部分单位也相应推出了自己的瞬变电磁仪器,由于研制时间不长,还有不太稳定等不成熟之处。但目前能够应用于煤矿进行勘探工作的仪器只有加拿大Geonics仪器公司推出的PROTEM-47HP瞬变电磁系统;澳大利亚Geo仪器公司生产的SIROTEM-Ⅲ,Monash Geoscope公司和Alpha Geoscience公司联合研制的Terra Tem瞬变电磁仪器系统。

7.  今后需要加强研究的方面
        总结地面瞬变电磁法勘探几十年来的经验和教训,矿井瞬变电磁法勘探的发展方向可概括为以下几个方面:
(1) 理论研究方面
 对单一三维地电模型的全空间瞬变电磁响应特征进行系统研究;对多个三维地电模型的全空间瞬变电磁响应特征进行系统研究,从瞬变电磁异常响应特征上区分各地电模型的响应时间或位置;矿井瞬变电磁勘探中各种干扰信号的分离技术研究和解释方法也是一个值得注意的研究方向;矿井瞬变电磁数据处理和解释系统的研制为该方法的推广应用具有重要的促进作用。
(2) 方法技术方面
 矿井瞬变电磁法勘探受全空间效应的影响,对异常体空间定位影响很大。类似于探地雷达中的屏蔽天线,研制出矿井瞬变电磁法勘探中接受装置只接受来自探测方向的二次感应场是今后矿井瞬变电磁法勘探应用技术的发展方向。
(3) 仪器方面
研制具有防爆性、轻便、防潮、耐高温和智能化矿井瞬变电磁法勘探仪器以及高灵敏度、高性能探头是矿井瞬变电磁法勘探仪器研制的方向。