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煤矿防治水技术中物探方法的应用分析

2024-11-20 121 上传者：管理员

摘要：针对煤矿防治水技术问题，进行了物探方法应用的研究。采用瞬变电磁法、三维地震法等多种物探技术，对陷落柱、采空区等进行探测。研究结果表明，在煤矿工作面探测中，瞬变电磁法准确获取了采空区积水范围等关键信息，经钻探验证结果相符。其创新特点在于综合多种物探方法，结合实际案例深入分析应用效果，价值在于为煤矿防治水工作提供精准有效的技术手段，降低水害风险，保障煤矿安全生产和可持续发展，具有重要的实践指导意义。

关键词：
三维地震
煤炭
综合物探
采空区
防治水
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煤炭在我国能源结构中至关重要，但煤矿开采面临严峻的水害挑战，威胁人员安全和生产效益。物探方法在煤矿防治水中价值凸显，能探测地下地质，预知水患区域。本论文深入探讨其具体应用，剖析技术原理，结合实例分析效果与问题，探索优化创新方法，以适应煤矿地质环境，提高防治水精准性和有效性，为煤矿安全生产和可持续发展提供参考借鉴[1]。

1、综合物探方法简介

1.1瞬变电磁法（TEM法）

瞬变电磁法（TEM法）是重要的地球物理勘探方法。其原理是用不接地回线或接地线源向地下发一次脉冲磁场，在间歇期用线圈或接地电极观测地下介质产生的二次感应涡流场，通过对二次场测量分析，能推断地下地质体的电性分布、规模和形态等，以探测目标体，如图1所示。

瞬变电磁法优点众多，对低阻体敏感，适合探测含水构造、金属矿体等，探测深度大、灵活，施工效率高，操作简便，现场作业耗时短，对含水地质异常体敏感，探测岩溶水、溶洞精准度高且探测距离远。成果解译依据视电阻率等值线图圈定低阻异常区域，结合视电阻变化幅度和岩体结构判断地质情况。但它也有局限性，受人文干扰大，数据解释复杂。实际应用广泛，用于矿产勘查、地质构造探测、地下水探测、工程勘察等领域，如图2所示，通过瞬变电磁法勘测地地质体情况，从而进行煤矿防治水工作[2]。

1.2三维地震法

三维地震法是一种先进的地球物理勘探技术。它通过在一定区域内布置大量的地震检波器和激发点，从而形成一个三维观测系统。利用人工激发地震波，地震波在地下传播过程中遇到不同地质体时会产生反射、折射等现象，这些地震波信息被检波器接收。通过对这些接收数据的处理和分析，可以构建出地下地质体的三维空间结构和形态。三维地震法具有诸多优点，比如能够提供高分辨率的地下地质图像，清晰地显示地层的起伏、断层的位置和形态、地质构造的细节等；可以准确探测地质异常体的空间分布；为矿产勘查、油气勘探、地质灾害评估等提供重要依据。然而，它也存在一些不足之处，如成本较高，数据处理和解释较为复杂，对施工环境有一定要求等。在实际应用中，三维地震法在煤炭、石油、天然气等能源勘探领域发挥着关键作用，帮助确定资源的分布和储量；在工程地质领域，可用于查明地下地质结构，为大型工程建设提供基础数据[3]。

图1 TEM法工作原理流程图

图2 瞬变电磁法勘察地质体形态示意图

2、防治水工作中的综合物探方法应用策略

2.1瞬变电磁法探测陷落柱

瞬变电磁法在探测陷落柱方面具有独特的优势和应用。陷落柱是一种特殊的地质现象，会对煤炭开采等活动带来较大影响。利用瞬变电磁法探测陷落柱时，通过向地下发送脉冲磁场，当遇到陷落柱这一与周围地层电性差异较大的地质体时，会产生明显的二次场异常响应。这种方法可以较为准确地确定陷落柱的位置、范围和大致形态。它能够穿透一定深度的地层，对于深埋的陷落柱也有较好的探测效果。在实际操作中，通过布置测线和测点，进行系统的数据采集和分析。根据二次场的衰减特征和电阻率变化等信息，可以有效识别出可能存在的陷落柱异常区域。例如，在煤矿区，瞬变电磁法可以帮助提前发现陷落柱，为开采规划和安全措施的制定提供重要依据，避免因陷落柱导致的透水等安全事故发生。同时，也能为进一步的地质研究和资源评估提供有价值的信息。但该方法在数据解释方面可能存在一定难度，需要结合地质资料和经验进行综合判断[4]。

瞬变电磁法探测陷落柱的原理如图3所示，当发射线圈向地下发送一次脉冲磁场后，在一次场断电瞬间，地下介质会产生感应涡流。如果地下存在陷落柱，由于陷落柱与周围正常地层在电性上存在明显差异，通常陷落柱的电阻率相对较低。这种电性差异会导致感应涡流的分布和衰减特性发生改变。在陷落柱区域，涡流的强度、衰减速度等都会与周围地层不同。通过接收装置对二次场随时间变化的数据进行测量和分析，根据电阻率的异常特征，就可以判断出可能存在陷落柱的位置、范围等信息。也就是说，瞬变电磁法是利用陷落柱与周围介质电性差异所引起的二次场异常来实现对陷落柱的探测。

图3 瞬变电磁法工作原理示意图

2.2瞬变电磁法勘察采空区

瞬变电磁法用于勘察采空区的原理是在进行瞬变电磁法探测时，向地下发送强大的脉冲电流，从而产生一次磁场。当一次磁场突然中断后，地下介质会产生感应的二次磁场。采空区由于其独特的地质结构和物理性质，与周围未受采动影响的地层存在明显电性差异。一般来说，采空区可能会有积水或空气填充，导致其电阻率与正常地层有较大差别。当探测到采空区时，二次磁场的衰减特征会出现异常。通过对接收的电磁信号进行分析处理，依据电阻率的变化、衰减时间等参数，可以推断出采空区的大致位置、范围和形态等信息。例如，若在某个区域测到电阻率明显降低且二次场衰减异常缓慢，可能就指示此处存在采空区。此外，通过布置不同方向和位置的测线，可以更全面地了解采空区的分布情况，为后续的工程建设、资源开采等提供重要的数据支持，帮助评估采空区可能带来的潜在风险，如塌陷、透水等，以便及时采取相应的防范和治理措施[5]。

2.3应用实例分析

某矿主采二叠系下统山西组的7-10煤，此次着重对新布置的10煤工作面周边采空区积水情况进行探测。由于采空区积水可能对后续开采造成极大安全隐患，故采用瞬变电磁法进行探测。这种方法能够有效地穿透地层，对含水区域有较高的敏感度。通过前期的现场踏勘和精心规划，确定了合理的测线布置和相关参数，期望准确获取采空区积水的范围、深度等关键信息，为后续的安全生产提供可靠的数据支持和科学依据。

2.3.1参数选择

参数选择上，用YCS512瞬变电磁仪，综合以往经验和实验确定收发线圈为1.5*0.8m、发射频率6.25Hz、叠加次数32、发射电流3A。现场施工时，经前期踏勘确定在机巷与风巷布置两条500m测线，点距10m，单条测线51个测点，每个测点7个探测方向，具体见表1。

表1 YCS512瞬变电磁仪的参数值

2.3.2数据处理

数据处理流程为上传、格式转换、编辑、校正、计算视电阻率、正反演计算、三维联合反演、成图。根据处理原则联合反演得出不同探测方向视电阻率等值线剖面图及顶板不同高度等值线切片图。

2.3.3验证结果

在探测成果提交之后，矿方依据瞬变电磁探测成果针对YC1与YC2进行了钻孔的设计，并实施钻探验证，具体见表2。其中，YC1钻孔的总出水量达到了40立方米/小时，YC2钻孔的总出水量为35立方米/小时，这与物探所得结果是相符合的[6]。

表2 钻孔探测结果对比表

3、其他物探方法在煤矿防治水中的应用探讨

3.1地面三维地震技术的应用

在煤炭勘探中，地面三维地震技术可以清晰地显示煤层的起伏形态、断层分布以及其他地质构造，为煤矿的合理规划和开采提供准确依据。能够帮助确定储层的位置、范围和地质特征，提高勘探的精度和效率。对于地质灾害的研究，如滑坡、崩塌等，可以查明地下地质结构的不稳定性，为灾害预警和防治提供关键信息。能详细探测工程场址的地质条件，包括断层、破碎带等不良地质体，保障工程的安全和稳定。在矿产资源评价中，能协助确定矿体的空间分布和规模，为矿产开采的可行性研究提供重要支撑。同时，在一些特殊地质环境研究，如岩溶地区等，也能发挥重要作用，探测地下溶洞和岩溶通道等。

3.2无线电坑透技术

无线电坑透技术，也称为无线电波透视法或坑透法，它是根据不同岩石的电性差异，利用高频电磁波在地下传播时的能量衰减情况，来推断地质异常体的位置和形态。该技术主要应用于探测煤层内的异常构造，如陷落柱、断层、煤层变薄区等。在工作时，通过发射机向地下发射固定频率的电磁波，然后用接收机在另一位置接收透过被测地质体的电磁波信号。根据信号能量的衰减情况，可以判断地质异常体的存在，并确定其位置和形态。

3.3音频电透视技术应用

音频电透视技术是我国近期发展较快、探查回采工作面顶底板水害最有效的矿井物探技术之一。该方法通过探查工作面顶、底板的电性，达到含水地质异常体探测的目的。在实际应用中，音频电透视技术主要用于探测煤层内的异常构造，如陷落柱、断层、煤层变薄区等。它可以帮助工作人员了解地下地质结构和地层分布，为煤炭开采、地质勘探等提供重要的参考依据。同时，该技术也可以用于注浆检测等方面，评估注浆效果，确保工程质量[7]。

3.4全方位电法探测技术应用

全方位电法探测技术的原理是根据地壳中各类岩石或矿体的电磁学性质（如导电性、导磁性、介电性）和电化学特性的差异，通过对人工或天然电场、电磁场或电化学场的空间分布规律和时间特性的观测和研究，寻找不同类型有用矿床和查明地质构造及解决地质问题的地球物理勘探方法。在实际应用中，全方位电法探测技术主要用于井下超前探测，用于探测煤层内的异常构造，如陷落柱、断层、煤层变薄区等。它具有安全性能好、技术性能优越、灵敏度高、操作使用方便、体积小和重量轻等显著特点。

4、结语

综上所述，在煤矿防治水工作中，物探方法发挥着至关重要的作用。瞬变电磁法、三维地震法、无线电坑透技术、音频电透视技术、全方位电法探测技术等各类物探手段，为煤矿水害的探查与预警提供了有力的技术支持。通过这些技术的应用，能够更加准确地了解煤矿地下地质结构和含水情况，及时发现潜在的水害隐患，为煤矿的安全生产保驾护航。然而，也应认识到物探方法存在一定的局限性和不确定性，在实际应用中需要结合地质资料、钻探等其他手段进行综合判断和验证。随着科技的不断进步和发展，物探方法在煤矿防治水领域的应用也能够不断创新和完善，为煤炭行业的可持续发展做出更大的贡献。

参考文献:

[1]付雯博,范美玲,李涛.谈物探方法在煤矿地质灾害勘查中的应用[J].内蒙古煤炭经济,2021(22):195-197.

[2]孙坤.综合物探方法在煤矿防治水中的应用分析[J].当代化工研究,2021(15):51-52.

[3]姚龙刚.综合物探方法在煤矿防治水中的应用[J].当代化工研究,2021(05):66-67.

[4]王大光,邢中海.地质勘查中综合物探方法的应用[J].中国金属通报,2019(01):148,150.

[5]刘鹏程.综合物探方法在工程地质勘察中的应用[J].四川水泥,2020(01):134.

[6]李健唐.基于地质勘查的综合物探方法研究及应用[J].世界有色金属,2019(22):118-119.

[7]熊英举.综合物探方法在黎平县德凤镇地热勘查中的应用[J].西部资源,2020(02):128-130.

文章来源:李彦兵.煤矿防治水技术中物探方法的应用分析[J].价值工程,2024,43(32):54-56.