２０１７年第ｌ２期（总第１４７期） ＥＮＥＲＧＹ ＡＮＤ ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡＴ１０Ｎ 红ｉｊ【．暑； 钍 ２０１７年１２月 煤矿采空区探测中瞬变电磁技术的应用探究 秦 壶 （霍州煤电集团汾河焦煤有限责任公司回坡底煤矿，山西洪洞０４１６００） 摘要： 在分析瞬变电磁探测原理的基础上，结合具体工程实际，介绍采空区探测方法，并分析其应用效果，结果表 明瞬变电磁技术在采空区及采空积水区位置与范围的测定上具有良好的应用效果，希望能够为其他矿井相关工作的开展 提供借鉴与参考。 关键词：采空区；瞬变电磁技术；勘探原理；结果分析 中图分类号：Ｐ６３１ 文献标识码： Ａ 文章编号： ２０９５—０８０２一（２０１７）１２—０１２１—０２ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｏａｆ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅｓ ＱｌＮ Ｙａｏ （Ｈｕｉｐｏｄｉ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ｏｆ Ｆｅｎｈｅ Ｃｏｋｉｎｇ Ｃｏａｌ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈｕｏｚｈｏｕ Ｃｏａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ Ｇｒｏｕｐ，Ｈｏｎｇｔｏｎｇ ０４１６００，Ｓｈａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉ’ｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｇｏａｌ ｃｏｍｂ— ｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｓｐｅｃｉｉｆｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｅｎｊｏｙｅｄ ａ ｇｏｏｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ｇｏａｆ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｌｏｇｇｅｄ ａｒｅａ ｉｎ ｇｏａｆ， ｈｏｐｉｎｇ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｗｏｒｋ ｉｎ ｏｔｈｅｒ ｍｉｎｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｏａｆ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ；ｒｅｓｕｌｔ ａｎａｌｙｓｉｓ Ｏ引言 井下回采作业所产生的采空区长期以来一直是威 胁井下生产安全的重要隐患之一［１】。特别是过去大量小 煤窑的存在使很多矿区地质环境状况十分复杂，鉴于 此，借助有效的手段对采空区情况进行探明便显得十 分重要。在诸多工艺中，瞬变电磁探测技术不仅操作简 洁、作业成本低廉、效率显著而且体积小、低阻灵敏性 高、横向分辨率佳，使得其同井下地质体有着良好的耦 合性，成为了井下采空区探测的主要手段之一圆。 瞬变电磁技术的应用提供基础，而这种独有的电性差 异便是采空区区域确定的重要依据 。 ２采空区探测技术分析 Ａ矿井田范围内过去存在多个小煤矿，这些小煤矿 在长期开采中不仅缺乏计划，且地质资料的储备十分 不完善，导致采空区范围难以有效确定，为现阶段生 产的安全开展埋下隐患。基于此，为确保今后生产的 安全、持续、高效进行，矿方使用瞬变电磁技术对井田 范围内煤层采空区及采空区积水现状进行探测。 结合地质勘探资料显示，探测区域内各地层自下而 上以此为寒武系风山组、奥陶系中统、石炭系本溪组、 二叠系山西组、石盒子组及新生界第四系等。一般而 言，由于新生界岩层多为黏土或砂砾石构成，其视电 阻率为中高阻；二叠系岩层多为砂泥岩，其视电阻率 为中低阻；奥陶系和寒武系岩层多为灰岩，其视电阻 １瞬变电磁探测原理分析 从本质上而言，瞬变电磁技术为时间层面上的电磁 感应技术，其借助接地线源或非接地回线向地下发出脉 冲场，并在脉冲场间歇期运用电偶或回线对生成的感应 磁场进行接收。由于感应磁场是受岩层地质状况所引 发涡流产生的非稳定电磁场，因此可结合所接收感应 磁场对井下地质结构特征与赋存形态等加以判定。 般而言，随着煤层回采，地层中产生空置区域， 其上部覆岩会在自重的影响下，出现垮落断裂并产生 一率为相对高阻。因此，整个探测区域地层视电阻率自 下而上应表现出中高一低一中一高的特性。各岩层完整性 遭到破坏，裂隙越丰富、破碎程度越高则电阻率下降越 明显，这会使得各地层电性特性呈现出横向上的异常 低阻现象。基于此，借由对同一层位上低阻异常区域范 围的圈定便能够识别出采空区的范围。 大量裂隙或孔洞，这会使岩层的导电性能大幅下降， 电阻率显著增加，进而展现出高阻特性。而当采空区 中的空隙被泥岩或水体填满后，相应区域的电阻率则 会出现降低，展现出低阻特性。这种情况下会使得采 空区同周边煤岩层视电阻率存在显著差异性，从而为 收稿日期：２０１７—１０—２５ 作者简介：秦矗，１９８６年生，男，山西太原人，２０１２年毕业于中 国矿业大学地质工程专业，助理工程师。 ３探测方法分析 此次探测作业选用ＰＲＯＴＥＭ６７Ｄ型瞬变电磁探测系 统，选取大定源装置充当作业装置，回线内接收模式， 线框尺寸为４００ ｍ×４００ ｍ，有效接收面积为２００ ｍ ， 发射频率为２５ Ｈｚ，共有测量道数３０个，电流发射值为 ・】２１・ ｝ｊＩ与 钍 ｌ６ Ａ，增益值为２３～２４。探测作业时，将测点均匀布设 丁探测区域内，测点布设问隔为２０ １１１，测线布没问隔 续、稳定和安全。 ３５０ Ｏ 为４０ ｍ。第一步，先借助ＴＥＭＩＸＸＩ ｖ４软件对区域范围 内初始地质数据开展编辑与一维层状推演，从而获得 各岩层深度『ｆ｝１线与相应的电阻率数ｆｆｆ；第二步对各测 线测量所获得视电阻率断 『鬈１进行分析，对其巾旱现 ｆ¨电阻率异常的 域进行标定， 参照地质数据开展 比较分析；第＿二步圈定地层内采 范罔 。 ３００ ４探测结果分析 下 １和图２所示分别为ｌ２３０￣：Ｉ１２３５０两条测线所测得 电阻率断面示意图。图ｔＩｌ直线代表开采煤层；虚线 范 代表煤层采空区。南两冈的分析可知，浅部地层 视电阻率呈现ｒｆ１高阻特性，应为新生界地层电性反映； 『ｆ１上部地层视电阻率呈现低阻特性，为煤层电性反映； 下部地层视电阻率旱现高阻特性， 为厥岩层电性反 映 存『殳］ｌ巾２５０ｉ￣４点～４３０测点范 内存存 著的低阻 【１Ｊ］陷 ，整体视电阻率呈现较低状忿，应为煤层回采 后产， 的采空区；图２巾２７０￣）１１４点～４６０￣）１！］ｉ点范同内形成 低电５Ｉ｛封闭 域，视电阻牢数值明 低于周边岩层， 应为采空 积水 域。 『＿冬ｌ３所示为开采煤层视Ｉ乜阻率顺层切片示意 。Ｆ｝１ 片分析町知，存存６个大范 的低电阻异常区域，推 断为以往小煤矿开采所形成采 ，同Ｊｔ：下实际地测 所得采 范 基本一致 ，此外，结合异常 域内视 电阻率数值判断 中左侧５个异常区域内存在积水现 象．、借南此次瞬变电磁探测作业，埘矿井于Ｆ采煤层的 采李区分布情况予以明确，达成了预期的探测日标 点号 图１ １２３０测线视电阻率断面示意图 ５ 结语 史 采遗留采空区范 的有效确定是确保现在 煤矿生产作业安全、高效开展的有效保障ｌ７Ｉ。研究充分 证明瞬变电磁技术在采空 及采 积水Ｉ）（＝探测上的良 好效果 矿井管理者应当充分匝视卡仃关工作，借助瞬 变电磁技术等现代化勘测于段，刈‘矿井＿井田范同内的 老窑采卒Ｉｘ＝及地层富水区域的分布井下有效测定，从 而为实际生产的开展提供有效指导，确保矿井生产持 图２ ２３５０测线视电阻率断面示意图 １ ｌ２０ １ ２００ １ ２８０ １ ３６０ １ ４４０ １ ５２０ ｌ ６００ ｌ ６８０ １ ７６０ １ ８４０ １ ９２０ ２ ０００ ２ ０８０ ２】６０ ２ ２４０ ２ ３２０ ２ ４００ ２ ４８０ ２ ５６０ ２ ６４０ ２ ７２０ ２ ８００ 线号 图３开采煤层视电阻率顺层切片示意图 （下转１ ２４页） ・１２２・ ２０１７年第１２期 缸；ｊ１．蓦； ｛砉 ２０１７年１２月 损、铁损增加，造成电容器组无法正常投运，与此同 时严重影响其他设备的正常工作。 １．４频繁投切电容器组 电容是电容器组中比较重要的内部构件，电容器 组运行阶段是电容的充放电过程，造成电容器组在投 放煤矿供电系统时生成一种高频率的电流，所以应尽 量减少投切次数。实际上，频繁的投切电容器组极有 可能引发电容回路出现一定幅度的震荡，对供电系统 线路造成严重损害。在电容器组被切开的瞬间，将会 在开关断口两端产生相同的电势，此时一般不会产生 电压，但是过半个周波后，将会产生正向的最大值不 变，然而此时已经达到电源电压反向的最大值，这时 开关端口就有立即被击穿的可能性，对电容器组本身 和其它设备是非常不利的。 ２ ＳＶＧ无功补偿技术 ２．１ ＳＶＧ的工作优点 通过对ＳＶＧ工作原理的大量分析研究发现，只要 ＳＶＧ内部可以符合电流的基本需求，就能够把无功电流 之则称为电流间接控制。其中电流直接控制法应用较 为广泛，电流直接控制不需要测量交流电压基波的相 位和幅值，能够实现对静止型无功发生器运行过程中 所输出的无功电流进行直接测量，以更好地实现对无 功功率的有效控制。 ２．３ ＳＶＧ运行监控系统 在煤矿供电系统中，ＳＶＧ监控系统主要是通过ＳＶＧ 监控人员就能够实现对ＳＶＧ各个参数的实时、明确监 测，如线电压、线电流等实时数据，总的概括起来有以 下几个功能特点：ＳＶＧ可以显示功率因数每年度、每月 份、每天、每时的统计情况，对设备各个参数的历史进 行监控，可以记录历史数据，同时记录每个用户的操 作，使之可以随时查阅；当系统运行出现异常状况时， 会自动报警，并且附带实时绘图工具，在需要对接线 进行变更的情况下，能够直接绘制新的接线图，从而 有效提高应用的灵活性；ＳＶＧ还支持Ｍｏｄｂｕｓ协议，可以 联网运行，提供远程监控所需要的数据，也可以脱离 网络独自运行，不会因为网络因素而影响工作的进度。 维持在一个规定的范围之内，从而确保电网电压相位 和幅值稳定，并且在动态无功补偿过程中，ＳＶＧ静止无 功发生器还能够向供电系统提供一定量的有功功率。 如今，在科研实验中，ＳＶＧ被普遍认为具有一些独特优 点：ａ）ＳＶＧ的灵敏度高。通过与其他无功补偿装置进 行对比可以发现，ＳＶＧ无功补偿技术具有更快的响应速 度，有效提高了工作效率，确保电网动态补偿能够达 到所期望的相；ｂ）ＳＶＧ的损耗低，稳定性高。在设备 正常运行的基础上，机器经常会受到来自于外界因素 的影响，然而ＳＶＧ无功补偿技术能够对其进行自动调 节，以确保电路能够在最大补偿电流的范围下正常运 行。并且ＳＶＧ结构对内部电容或电感的要求比其他设备 低，对散热方面的需求也低；ｃ）ＳＶＧ的调用功率方式 灵活。ＳＶＧ无功补偿技术不仅能够实现对无功功率的自 动调节，而且还可以调用有功功率，可以降低系统发 生谐振的概率，确保电网的安全与稳定［３］。 ２．２ ＳＶＧ的控制策略 ３结语 主要介绍了煤矿供电系统在无功补偿方面的现状 和影响因素，并选择ＳＶＧ静止型无功补偿发生器进行主 要说明。要想更好地抑制谐波的产生、确保煤矿供电 系统的电压稳定，就需要采取措施提高系统的功率因 数，并根据煤矿用电设备的特性和生产安全要求，分 析动态无功补偿技术的优缺点和发展历史，从而更好 地获取煤矿补偿的无功功率，制定与之相对应的ＳＶＧ无 功补偿方案。分析ＳＶＧ无功补偿装置能够有效抑制供电 线路的谐波影响，降低因功率因数低而产生高额的用 电费用。在煤矿供电系统中，应用ＳＶＧ无功补偿技术可 以有效提高供电系统的工作效率，提高煤矿企业的经 济效益。 参考文献： ［１］余［２］杨成．煤矿供电ＳＶＧ无功补偿技术的应用研究［Ｊ］．商品与 成，刘玮瑶．静止无功补偿技术在煤矿井下供电中的应用 质量，２０１６（４６）：１３０． 在采用ＳＶＧ无功补偿技术对煤矿供电系统进行控制 的过程中，静止型无功发生器能够对自身所产生的无 功电流进行有效调节，因此被称为电流直接控制，反 ◇。◇［Ｊ］．企业技术开发（学术版），２０１５，３４（７）：７０—７１． ［３］孟海强．无功补偿技术在张家峁煤矿综采工作面的应用［Ｊ］．陕 西煤炭，２０１６，３５（２）：１０３—１０５． （责任编辑：季鑫） 。＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞● （上接１２２页） 参考文献： ［１］杨镜明，魏周政，高晓伟．高密度电阻率法和瞬变电磁法在煤 田采空区勘查及注浆检测中的应用［Ｊ１．地球物理学进展， ２０１４（１）：３６２－３６９． ［２］ 梁建刚．瞬变电磁勘察煤田采空区的可行性分析［Ｄ］．长沙：中 ［４］ 王德阳．瞬变电磁法在煤层采空区的探测效果研究［Ｄ］．成都： 成都理工大学，２０１３． 瞬变电磁三维成像技术在煤矿采空区中的应用［Ｄ］．西 Ｌ，Ｊ 杨增林．安：长安大学，２０１３． 多层采空区调查中瞬变电磁法的应用［Ｊ］．物 Ｌｔ）ｊ 李成友，刘洪福．Ｆ＇７ 探与化探，２００７（Ｓ１）：１０８—１１０． 南大学，２００９． ［３］范亮，钱荣毅．瞬变电磁法在煤矿采空区的应用研究［Ｊ］．工 程地球物理学报，２０１１（１）：２９—３３． ・郭建永，刘超，王占雷，等．瞬变电磁勘探技术在某采空区探 测中的应用［Ｊ］．建筑科学，２０１２（Ｓ１）：１９１—１９３． （责任编辑：季鑫） １２４・
