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煤矿掘进工作中矿井瞬变电磁法的应用
摘要：为减少煤矿掘进工作面迎头水害事故发生，基于矿井瞬变电磁法基本原理，以某煤矿工程实例，应用矿井瞬变电磁法对该煤矿平巷掘进工作面进行超前探测，通过工程设计、数据采集、数据整理、软件处理及反演成图过程，解释推断巷道掘进工作面迎头前方50m~60m附近区域有一积水区。通过钻探验证，证实探测结果与钻孔验证情况基本吻合，表明矿井瞬变电磁法能够作为寻找煤矿掘进工作面迎头积水区的有效方法，具有十分重要的工程应用价值。
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矿井水害事故是煤矿“五害”之一，而在煤矿掘进工作面中的突水事故是典型的矿井水害事故，因此坚持预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采的煤矿防治水原则，其中“先探后掘”中的探即煤矿掘进工作面施工过程中在迎头利用直接或间接的方法向前一定范围内进行超前探测，能够清楚掌握煤矿掘进工作面迎头前方围岩的富水情况及隐伏构造情况，可以有效避免矿井水害事故发生，为煤矿安全生产提供有效依据[1,2]。通过实践证明，当前对掘进工作面迎头探测主要采用钻探和物探两种方法，虽然钻探法能直观、准确地反映出所探查区域的地质体信息，但其探测范围有限、费时费力效率低、施工成本高，且具有一定的盲目性和危险性，因此为满足工程进度的要求，大多采用物探方法进行超前探测，而最有效的技术手段就是矿井瞬变电磁法，这种方法对低阻体反应敏感，指向性强不受高阻层屏蔽，体积效应小，超前探测距离较大，施工方便快捷，效率高等优点[3]。
鉴于此，笔者在分析矿井瞬变电磁法基本原理基础上，结合某煤矿工程实例，应用矿井瞬变电磁法对该煤矿平巷掘进工作面进行超前探测，通过矿井瞬变电磁法探测反演成果推断迎头前方围岩的导水通道及富水情况，进行钻探验证，为煤矿安全生产提供技术指导。
1、基本原理
矿井瞬变电磁法——基于电磁感应原理上的时间域人工源电磁探测方法。它利用不接地回线Tx(磁源)向巷道全空间发送脉冲磁场(通常称为一次场),在一次场关断的瞬间，由于作用在良导电矿体上磁通的变化，在良导电矿体中激励起的感应涡流，其是随时间衰变的涡流场，从而激励起随时间变化的感应电磁场(通常称为二次场)。由于二次场包含有良导电矿体形状、大小、位置及导电性等丰富的地电信息，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用接收线圈Rx观测二次场(或称响应场),通过对这些响应信息的提取和分析，从而达到探测目的[4]。工作原理如图1所示。
2、工程实例
探测地点为某煤矿24号层0片平巷掘进工作面，该掘进工作面为矩形半煤岩巷道卧底掘进，支护采用锚杆加钢带支护，顶板较完整，掘进过程中有淋水现象。工作面测区内有部分金属装置和电缆等，会对数据采集产生一定的影响。
2.1 数据采集
根据探测需要及现场条件，现场布置3条测线，测线间距1m,每条测线布置7个测点，点间距1m,如图2所示。
本次矿井瞬变电磁法超前探测采用加拿大GEONICS公司的PROTEM-47HP瞬变电磁仪，该设备主要由两部分组成：信号接收部分(包括主机和接收线圈)和信号发射部分(发射机、供电机和发射电缆)。采用发射机在后，接收机在前，同轴垂直接收数据模式。发射机调节输出电流1.0A,发射频率25Hz,发射框与接收框间距10m;发射框尺寸1m×1m,接收线框为1D线框。关断时间140μs,数据采集采用20门。
数据采集前首先进行仪器调试，以保障仪器正常工作。采集开始进行重复频率、增益、关断时间及积分时间比较设置，选择最佳测量参数。采集过程中对异常点均进行复测，以保证数据的可靠性。从一次场和观测值dB/dT曲线图看，本次数据采集受现场工作条件影响较小，现场数据较好。
2.2 数据解释
通过运用PROTEM-47瞬变电磁仪对探测区进行超前探测，采用BETEM反演软件对采集数据进行处理，使用surfer软件成像出图，得到探测区3条测线的视电阻率剖面图(如图3所示)。图中的等值线为视电阻率值(Ω·m)。
矿井瞬变电磁法所得各测线视电阻率等值线为富水函数等值线，不同色界代表视电阻率相对高低，数值越小，视电阻率越低，富水性相对也越强。从图3中可知，沿巷道掘进工作面底板呈10°俯角超前探测的测线1剖面图，前方50m附近区域有一小的低阻异常出现；沿巷道掘进工作面正前方水平探测的测线2剖面图，前方50m～60m区域有一小的低阻异常出现；沿巷道掘进工作面顶板呈30°仰角超前探测测线3剖面图，前方50m～60m区域有一低阻异常出现，据此推断出巷道掘进工作面迎头前方50m～60m附近区域有一积水区。
2.3 钻探验证
按照有疑必探的煤矿防治水原则，根据矿方提供已知资料，结合物探解释结果，对巷道迎头方向进行钻探验证，距离50m处钻探见流水现象，在生产中采取疏通等安全措施，有效地保证了掘进工作面的安全生产。根据以上分析结果，可见矿井瞬变电磁法推断异常积水区位置与钻探揭露情况吻合，验证了这种方法的有效性。
3、结语
以鸡西矿区某煤矿工程实例，采用矿井瞬变电磁法探测煤矿掘进工作面迎头富水情况。结果表明，矿井瞬变电磁法探测解释结果推断出巷道掘进工作面迎头前方50m～60m附近区域有一积水区。通过钻探验证，证实探测结果与钻孔验证情况基本吻合，可见矿井瞬变电磁法能够作为寻找煤矿掘进工作面迎头积水区的有效方法，具有十分重要的工程应用价值。
参考文献:
[1]张晓岩.矿井瞬变电磁法在井下掘进工作面探测中的应用[J].煤,2018,27(9):31-32.
[2]郭艳培,张延博,商岩冬.矿井瞬变电磁法探测工作面外帮水体技术[J].煤矿安全,2018,49(8):80-83,87.
[3]邱占林,吴超凡,陈文荣,等.基于矿井瞬变电磁法的小煤矿水害探测[J].煤矿开采,2018,23(4):25-28.
[4]张继忠,康健,代少军,等.矿井瞬变电磁全空间多匝小回线超前探水[J].现代矿业,2016,32(2):162-165,168.
文章来源：林井祥,张继忠,王思宇,王阔.矿井瞬变电磁法在煤矿掘进工作面的应用[J].山西建筑,2021,47(21):74-75.
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2024-04-23
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2024-04-23
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2024-04-23
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2024-02-20我要评论
期刊名称：矿业科学学报
期刊人气：1153
主管单位：中华人民共和国教育部
主办单位：中国矿业大学(北京),煤炭工业出版社
出版地方：北京
专业分类：煤矿
国际刊号：2096-2193
国内刊号：10-1417/TD
邮发代号：80-919
创刊时间：2016年
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2021-10-26
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