TEM47HP煤礦井中探水系統(tǒng)

1、TEM47HP煤礦井中探水系統(tǒng)我國不少煤礦發(fā)生過透水事故。重大透水事故造成人員重大傷亡和財產(chǎn)嚴(yán)重?fù)p失并導(dǎo)致煤礦停產(chǎn)。煤礦透水事故原因各異，有的是頂板上方老窯積水傾泄至工作面，有的是底板下方承壓 水涌入采區(qū)，有的是在掘進(jìn)頭前方迂到了構(gòu)造破碎帶、裂隙發(fā)育區(qū)、巖溶、陷落柱等富水區(qū)（體）。防止透水事故發(fā)生的有效方法，是事先探測出水患源頭或儲水構(gòu)造的位臵然后再注漿處理。探測地下儲水構(gòu)造的最佳方法是瞬變電磁法，因為瞬變電磁法在各種電法和電磁法中分 辨率最高，對含水低阻體最敏感。當(dāng)然，在地面也可以探測地下儲水構(gòu)造，但如果在井下探測則分辨率更高，更準(zhǔn)確。因為井下的外界電磁干擾很小， 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量高，探測裝臵離

2、目 標(biāo)體近，準(zhǔn)確度高。最近三年來（到2006年底）我國已有13個煤礦和高校購買了 TEM47HP井下探水系統(tǒng)，并獲得了成功應(yīng)用，避免了井下透水事故的發(fā)生。TEM47H是加拿大Geonics公司專門生產(chǎn)的井下探水瞬變電磁系統(tǒng)，也叫PROTEM47HP其組成包括（圖1）收我恥純KIWI 圖1TEM47H井下探水系統(tǒng)的組成 P ROTEM數(shù)字接收機(jī) TEM47HP發(fā)射機(jī)高頻接收線圈可調(diào)節(jié)角度的井下多匝發(fā)射線圈根據(jù)探測目標(biāo)將井下多匝發(fā)射線圈安臵在合適的位臵上，將高頻接收5- 10m的位臵上，TEM47H發(fā)射機(jī)向多匝發(fā)射線圈發(fā)送脈沖電流（頻該一次場向探測目標(biāo)體擴(kuò)散， 當(dāng)迂到探測目標(biāo)體時則產(chǎn)生變化的二次P

3、 ROTE數(shù)字接收機(jī)接全空間正、反演軟件其簡單工作原理是， 線圈安臵在距發(fā)射線圈 率可選）產(chǎn)生一次場。場，即瞬變電磁場。該瞬變電磁場在高頻接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓并由 收和進(jìn)行初步處理。全空間正、反演軟件是對數(shù)字接收機(jī)接收到的瞬變電磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行全面處理和反演解釋,以給出探測目標(biāo)體的位臵、形狀和電阻率等參數(shù)。井下瞬變電磁法的裝置結(jié)構(gòu)：瞬變電磁法有不同的裝臵結(jié)構(gòu)， 以適應(yīng)不同的探測目的。 由于井下瞬變電磁法是在巷道內(nèi)進(jìn) 行，要在有限的施工空間內(nèi)獲取巷道前方， 頂、底板，以及采區(qū)下面的儲水構(gòu)造和儲水體的 分布情況，并且探測盲區(qū)還要盡量少。因此必須仔細(xì)選擇合適的儀器類型和合適的裝臵結(jié)構(gòu)?？稍诰鹿ぷ鞯难b

4、臵結(jié)構(gòu)有四種（圖2O：I TxPX冀軸線偶極裝£圖3巷道掘進(jìn)頭TEM超前探測裝臵方式4)O圖4巷道掘進(jìn)頭超前探測方式與探測范圍圖2剖面探測裝臵方式重疊回線裝臵：發(fā)射線圈與接收線圈重合。此種裝臵由于接收線圈和發(fā)射線圈重疊，互 感大、一次場影響大，所以關(guān)斷時間長，盲區(qū)大。中心裝臵：接收線圈 RX位于發(fā)射線圈TX的中心處。此種裝臵互感大，一次場影響大，盲 區(qū)大。共面偶極裝臵：發(fā)射線圈 TX與接收線圈RX共平面，兩者相距5- 10m因此一次場對接收 線圈的影響可以忽略，盲區(qū)小。此裝臵適合沿巷道探測其側(cè)向采區(qū)下方的儲水構(gòu)造。此時，發(fā)射線圈和接收線圈沿巷道布臵，傾角45 （或大、或?。嗑?-

5、 10m當(dāng)探測巷道頂、底時，發(fā)射線圈和接收線圈沿巷道水平布臵。共軸偶極裝臵：發(fā)射線圈 TX與接收線圈RX分別位于前后平行的兩個平面內(nèi)，但處于同一 軸線上，兩者相距5- 10m,此裝臵適合巷道掘進(jìn)頭的超前探測。此時，接收線圈貼近掌子面,發(fā)射線圈位于其后5- 10n處，兩者軸線指向探測方向 （圖3）。如果接收線圈和發(fā)射線圈分別 向左、向右轉(zhuǎn)動不同角度時（例如±30°,± 45°）,則探測方向也分別指向前方的不同角度，于是便可以探明掘進(jìn)頭前方扇形區(qū)域內(nèi)的儲水構(gòu)造（圖i表示探測方向為前方偏左0i角度;3 i表示探測方向為前方偏右Bi角度TEM47HP技術(shù)指標(biāo):1

6、、PROTE數(shù)字接收機(jī):技術(shù)指標(biāo)：圖5 P ROTEM數(shù)字接收機(jī)觀測值：三分量感應(yīng)磁場的衰減比，nv/m2電磁傳感器：空心線圈道數(shù)：連續(xù)測量三分量或三道同時測量三分量時間門：在兩個量級時間軸上 20個門測量，或三個量級時間軸上30個門測量信號分辨率：24位，包括1個符號位，系統(tǒng)分辨率 29位基本頻率：0.3 , 0.75 , 3, 7.0 , 30, 75, 285Hz （60Hz工頻時）0.25 , 0.625 , 2.5 , 6.25 , 25, 62.5 , 237.5Hz （50Hz工頻時）。積分時間：0.5 , 2, 4, 8, 15, 30, 60和 120秒 顯示器：240 X

7、64點(diǎn)液晶顯示數(shù)據(jù)管理：固態(tài)存儲3300套數(shù)據(jù)，RS232俞出 同頻：參考電纜同步工作溫度：-40 C +60 C電源：12V可充電電源，可連續(xù)工作 8小時重量：15Kg體積：34 X 38 X 27cm2、TEM47H發(fā)射機(jī)圖6 TEM47H發(fā)射機(jī)電流波型：偶極方波，占空系數(shù)50%基本頻率：30，75, 285Hz （功率傳輸線為25，62.5，237.5Hz （功率傳輸線為關(guān)斷時間：關(guān)斷時間2.6卩s （ 40m>< 40m發(fā)射線圈），最終關(guān)斷時間取決發(fā)射線圈有效面積60Hz 時）50Hz 時）技術(shù)指標(biāo):S及發(fā)射電流A發(fā)射線圈尺寸：1.5mX 1.5m（80匝）或2mX 2m

8、（64匝） 輸出電壓：0 12V 24V或32V最大輸出電流：10A同步：電纜同步-40 C +60 C內(nèi)臵12V,外接12V或24V6公斤43 x 25 x 25 厘米工作溫度：電源：重量：尺寸：TEM47HP巷道掘進(jìn)頭超前探測應(yīng)用實(shí)例：1 .對巷道掘進(jìn)頭的超前探測其目的是確圖7圖11是某煤礦一250米排水巷道在掘進(jìn)過程中不同時間的超前探測結(jié)果， 定不斷向前推進(jìn)的巷道掘進(jìn)頭前方是否有儲水構(gòu)造，以保證掘進(jìn)的安全。 圖7是2004年9月30日進(jìn)行的第一次超前探測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)頭前方30m-40m為低阻區(qū)，此低阻區(qū)位于巷道正前方偏左方向，正前偏右方向及右?guī)蜔o異常。經(jīng)鉆探證實(shí)低阻區(qū)是局部含水區(qū)，由于

9、及時采取措施保證了安全掘進(jìn)。圖中側(cè)幫平探，采用共面偶極方式， 掘進(jìn)頭前探采用共軸偶極方式，然后把兩個方位的探測結(jié)果作為同一剖面成圖，所以圖中結(jié)構(gòu)實(shí)際上反映的是兩個方向的情況， 這樣就可以在同一標(biāo)準(zhǔn)下比較不同方向的電阻率分布，為分析掘進(jìn)頭前方的含水性提供依據(jù)。70157Q66554332250>50035302520右30度右 側(cè) 幫左丸度 正前方 掘進(jìn)頭前探范圍側(cè)幫平探范圍1413121110結(jié)果反映掘進(jìn)頭前方75m范圍內(nèi)巖性比較均8頂部顏色較深的區(qū)域）1Q ? m）,不大可能是富水區(qū)，因第一次初探結(jié)果圖8是2004年11月8日進(jìn)行的第二次超前探測，勻，無明顯低阻異常，雖然在 60多米以

10、上存在局部相對低阻區(qū)（圖 但電阻率普遍大于40 Q ? m （該地的富水區(qū)電阻率普遍小于 而我們預(yù)報為安全區(qū)，可以掘進(jìn)。實(shí)際掘進(jìn)過程比較順利，沒有遇到異常情況。7S7655.504353'=h-I1-757065605550(Q*m)2 SO240200右側(cè)幫-1I I-左拓度左20度正前方右勿度右45度45403530160120SO40掘進(jìn)頭前探范圍側(cè)幫平探范圍/圖8第二次跟蹤探測結(jié)果圖9是2005年2月5日進(jìn)行的第三次超前探測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)頭前方25 45m之間有一低阻 異常區(qū)(圖9)，異常核心區(qū)位于巷道前方偏右部位。據(jù)此建議進(jìn)行鉆探。鉆孔朝巷道正前方、正前方偏右和正前方偏左布臵

11、。其中正前方鉆孔進(jìn)尺37m時出水，偏右方向鉆孔水量(17m3/h )明顯增大，巖層呈破碎狀。經(jīng)過預(yù)防治理，排除了突水隱患。Itspti二 QUJ峙"匕F山r訂F ITifij空厘土仝士N丄_i,r izT ："呵/. * * "PjIjLH J.PI- r-Li EM>IJ1I C'-30llDll15II<3io'J Ii!5430 50m段為橫貫判斷為斷層。當(dāng)巷道向前掘進(jìn)18m-/.t k> 3 吒J'.J? ”； 一”.> _ JT.，*'：； J ur 丄> J J- r. 'j <

12、;: ,宀鴛洋e:-|!i "Uu O'.剳1那常ec圖10第四次跟蹤探測結(jié)果 圖11是2005年9月28日進(jìn)行的第五次超前探測。探測結(jié)果反映掘進(jìn)頭前方偏左存在一個 低阻異常區(qū)（圖11），但規(guī)模不大，電阻率也不是很低（>1 Q ? m）根據(jù)經(jīng)驗，不會有大的水情。實(shí)際情況表明，巷道在該區(qū)段的掘進(jìn)過程比較順利，沒有水情出現(xiàn)。但也說明，該方 法給出的結(jié)果并不是百分之百的正確，也可能給出假的低阻異常。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因除了環(huán)境噪音外，周圍介質(zhì)影響也可能是一個重要因素。換句話說，雖然我們設(shè)定目標(biāo)體位于探測面前方，但并不能排除探測面以外，特別是后方介質(zhì)的影響。圖11第五次跟蹤探測結(jié)

13、果2 .在巷道內(nèi)探測采區(qū)煤層底板儲水構(gòu)造如前面三節(jié)所述，在此類應(yīng)用中采用共面偶極裝臵?，F(xiàn)將河南一些煤礦在這方面的應(yīng)用實(shí)例列舉如下： 圖12為瞬變電磁法在某西大巷向下幫（平行巖層傾向）側(cè)向探測距離110n處有無平行西大巷走向、斷距為25米的導(dǎo)水?dāng)鄬樱ù藬鄬邮歉鶕?jù)少量鉆孔資料推測結(jié)論）。探測結(jié)論為：110m附近均為相對高阻，不存在導(dǎo)水?dāng)鄬?，并得到鉆探和巷探證實(shí)。西夫卷W向瞬取電8&勘擁觀電臥奉斷面的“ « S 置01)HF 2 b 3000C 20 40 00 GO 100 120 UO 1 和 160 230 220 2(0 3&0 280 300 320 3小 360

14、 330 WO (20 CW 460 厠 500D-g3D 才CJ0D糧 D a > 廈:冷 國 m * - jr - r - p-r -廣 r- -r -r 尸 rt-*Tq-rr - iSC7嚴(yán)F-r*一廠h巧f-i¥廠 一|>帀譚匸 T計C t t 產(chǎn)產(chǎn) t - f<1C.筑Mg)-1(D110-_ 13)30WS*1hA09«1：圖12側(cè)向探測是否存在導(dǎo)水?dāng)鄬訄D13為15011工作面下風(fēng)道瞬變電磁（45°斜下萬）探測煤層底板巖層賦水性結(jié)果圖。由圖中看出，該面通尺 40-260m段為相對低阻區(qū)（圖中蘭色部分），低阻區(qū)呈上下連通狀且導(dǎo)高較大，

15、探測結(jié)論為：此區(qū)域在工作面回采時易發(fā)生底板突水，應(yīng)提前采取防水措施（232m處為已知底板出水點(diǎn)，與物探結(jié)果吻合）。15011 EftSF風(fēng)道悻變（巧S紳fS） «電ffi $ »面圖比悅尺！ X=1= 2000V=b 1000r TSo -卩Ti日 J5, = 300+-12-30IDSI&IQN囤鋼；* S竟申EMS i|-b5« 2:-n叭：h 7um0通尺應(yīng)置5)OU BQ 10 1DD liD 1U 1ED IID IDD »D 3U 3ED HQ IQD »0 3U IBQ IO 411Q 43D 440 UD UD SDD

16、SiD圖13圈定工作面回米時易突水地段和暮It盤mT 40%fle圖14為瞬變電磁法在某礦西大巷確定放水（疏水降壓）孔位臵實(shí)例。瞬變電磁探測到50m附近巷道底板下方為低阻區(qū)中心區(qū)域，在此布臵了4#放水孔出水量為60m3/h。fl衣巷斗岸欣水孔附瞬喪電礙勘探視電袒率-Ilin.xr-_5DIQ=£ ；:T-；1 a 阻* w值4M3D153Q70 *電 FB*Ln9 >1 1D Z«比 *4 民* 1*1 圖例 t O M ：»屯醒勘*點(diǎn)-an-l-YD-5Q4D-7 口-aaat-9DEJ-ionIDO圖14圈定放水（疏水降壓）孔位臵圖15和圖16分別為某工

17、作面下順槽底板注漿改造前、后瞬變電磁勘探（45。斜下方）結(jié)果對比圖。注漿改造前物探結(jié)果顯示，工作面中存在多處上下溝通狀低阻異常區(qū)（圖中蘭色部分為縱向裂隙發(fā)育區(qū)）；注漿改造后物探結(jié)果顯示，上下溝通狀低阻區(qū)大多變?yōu)橄鄬Ω咦?區(qū)，剩余的少數(shù)深部低阻異常導(dǎo)高明顯變小，說明注漿改造效果理想。斜距50m左右分布的橫向窄帶狀淺部低阻異常，系注漿漿液迫擠水分的反映，此低阻區(qū)厚度及上下延伸較小，對工作面回采無影響。面 斷 電 覘-I -I細(xì)*t*J3- - -t ft « n t與t養(yǎng)申&二TT三.工人 i目一 _廠廠廠廠_"v一/ _2 i- 字- *;匸：r r -1 r r n

18、 L*-二呂曲；2O)4-fl 25HfaK-r -Mtrt-Ft r -I r r r 圖15和圖16 煤層底板含水層注漿改造前、后效果對比3 .探測巷道下方儲水構(gòu)造圖17和圖19是河北省梧桐莊煤礦井下瞬變電磁法探測結(jié)果。圖17偶極方式圖17是沿測線的TEM向應(yīng)曲線，該圖是判斷測區(qū)水異常最重要的依據(jù)。上圖給出了瞬變場響 應(yīng)曲線，可見剖面中部具有強(qiáng)異常，是最可能含水的地方。圖中由上向下表示從早期道到晚期道的響應(yīng)，反映了測量面由淺到深的異常情況。發(fā)射/接收框的位臵以及觀測方式如下圖所示巷道壁圖18偶極方式圖19是根據(jù)圖17中的瞬變場響應(yīng)曲線，對井下儲水構(gòu)造的成像圖，以及鉆孔驗證的出水量。-20-"30-872ti?/h7-40-6543"60-70HW I斷度404