电法超前探技术探讨与应用.pdf

第 1 2卷第 1 6期2 0 1 2年 6月 1 6 7 1 1 8 1 5 2 0 1 2 1 6 ． 3 9 4 4 0 3 科学技术与工程 S c i e n c e T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g Vo 1 ． 1 2 N o ． 1 6 J u n ．2 0 1 2 ⑥2 0 1 2 S c i ． T e c h ． E n g r g ． 地球科学 电法超前探技术探讨与应用 董健 翟培合 陈 磊 郑伟 军 山东省地质调查院 ， 济南 2 5 0 0 1 3； 山东科技大学地球信息科学与工程学院 ， 青岛 2 6 6 5 1 0 摘要探讨了巷道前方存在低阻地质异常体时的电阻率表现特征。结合对某煤矿辅 1 、 辅 2两条巷道超前探测的实例， 介 绍了电法超前探技术的工作方法、 解释方法和应用效果。探测结果表明， 该方法在探查地层含水性方面效果明显。 关键词 电法 超前探测 视电阻率 中图法分类号P 6 3 1 ． 3 2 2 ； 文献标志码B 随着采矿业的发展 ， 矿井水灾害防治越来越引 起人们 的重视。对于受水威胁的矿井 ， 巷道掘进过 程中一般要求先探后掘， 需要对掘进头前方一定距 离进行地质情况预测预报。因此 ， 巷道掘进超前探 测在实际工作 中有很 大的现实需要。按照不 同的 工作机理 ， 巷道超前探测有 多种物探 方法， 其适用 于不 同的地质 目的探测 。矿井 电阻率探测技术在 探查隐伏含水体、 断层、 弱结构面、 溶洞以及岩层含 水性方面效果非常明显 。 本文结合某煤矿掘进 中巷道的地质情况， 探讨 了直流电法 巷道 超前探测在 防治水方面的工作 思路及应用效果。 1 工作区水文地质条件 该矿井在建设过程中， 主要井巷工程 回风巷、 2条辅运大巷 在掘进时遇到少见的大 出水。井筒 和大巷开拓过程 中的实际表明 其主采煤层 3煤 的 直接充水含水层 中的某些地段蕴有十分丰富 的地 下水 ， 对井筒施工 和大巷 掘进造成 了严重 的危害 ， 对未来矿井 采掘也有较 大威胁。井下探放水孔数 据显示 ， 单孔揭露三灰最大涌水量达 4 8 0 m。 ／ h ； 并 且辅 1 、 辅 2两条大巷顶底板多处揭露三灰 太原组 第三层石灰岩 ， 总涌水量最大达到近 1 2 0 0 m ／ h 。 2 0 1 2年 2月 2 9日收到 ， 3月 1 2修改 第一作者 简介 董健 1 9 8 4 一 ， 男 ， 硕 士， 助理工程 师， 研 究方 向 物探 。E - m a i l h e h a i q i n g ． 1 9 8 3 1 6 3 ． o o m。 辅 1大巷中， 迎头处出现透水 ， 无法 向前掘进 ， 在迎 头后方 1 0 m处顶板 出现漏水 ， 淋水范 围向后延 伸 2 0 m左右 ； 辅 2大巷 中， 掘进到迎头位置时出现顶 板淋水 ， 后对其进行注浆处理 ， 并且 注浆 区域 向前 延伸了5 0 m左右。 该矿井禽水层不仅局部含水极为丰富 单孔出 水量大 ， 而且可能有较为充足的补给来源 水压长 期保持较稳定 。如此大 的三灰涌水量在本矿 区和 邻近其它矿区都未遇到过 ， 表 明本区局部三灰含水 层富水性极强 ， 为矿井水防治工作带来极大困难 。 2 工作机理 井下电法超前探测技术 ， 采用直流电法勘探的 原理 ， 其基础理论仍然是 稳恒 点电源作用下地质 异常体的激励反 映， 属 于矿井直 流 电法 勘探 的范 畴。在井下掘进巷道 中通过接地 电极进行供电 ， 建 立了全空间稳定直流 电场 。巷道周围的地层岩性 、 结构以及构造等地质 因素决定了全空间稳定直流 电场的空间分布。同时也决定 了掘进巷道 内的 电 场分布 ， 这种电场分布形态包含 了掘进巷道前方 的 地质信息。井下电法超前探测技术就是通过观测 在掘进巷道范围内的电场分布形态 ， 进行反演解 释 巷道掘进前方地层 的地质信息 ， 进而指导巷道的掘 进工作 。 富水性强的地层中电阻率降低 ， 与围岩电阻率产 生明显差异 ， 为开展超前探工作提供 了地球物理前 1 6期 董健 ， 等 电法超前探技术探讨与应用 3 9 4 5 提。工作时采用高密度电阻率法二极观测系统 ， 布极 方式与二极测深探测装置相同 图 1 。A电极为供 电端 ， M 电极为接收端 ， N、 B电极置于相对无穷远处， 观测参数为视电阻率 ， 记录点为 A M 中点 。 顶板 三 图 1 高密度电阻率法二极观测系统 3 视电阻率异常 3 ． 1 数据 采集 为了反演整个 巷道乃至迎头 内一定深度 的地 电情况 ， 工作时沿巷道两侧对称布设电极 ， 在辅 1运 输大巷内布设了 1 8个 电极 ， 采集数据点 3 1 2个 ； 辅 2运输大巷 内布设 了 2 4个 电极 ， 采集 数据 点 3 5 6 个 。本次井 下超前探 测工作巷道 内停止 了用电设 备 ， 采集数据稳定 ， 采集质量好。 3 ． 2数据 处理 基于 R E S 3 D I N V电阻率反演软件平 台， 对采集 的数据进行处理 。 首先 ， 整理 、 编辑采集数据 ， 添加上所需 的坐标 及其他参数 ， 建立起符合反演要求 的数据文件 。 其次 ， 建立反演模 型， 设计要求模型宽度为 4 0 i n ， 超前长度为 1 0 0 IT I ， 后方长度为电极布设长度 ， 形 成一 1 0 I l l 1 0 I T I 的网格模型。 再次 ， 应用 圆滑约束 最小二乘反演方 法， 调入 反演数据文件， 反演迭代 出反演模 型内每一个 网格 电阻率值。圆滑 约束最小二乘 法 的计算机反演计 算程序 ， 使用了基于准牛顿最优化非线性最小二乘 新算法 ， 使得大数据量下 的计算速度较常规最小二 乘法快 1 0倍以上且 占用 内存较少。这种算法的一 个优点是可以调节阻尼系数和平滑滤波器 以适应 不 同类型的资料。 最后 ， 反演算法完成后 ， 反演模 型每个 网格 内 都被赋予了一个与该位置接近的视 电阻率值 ， 形成 反演数据文件 ， 为下一步成图显示做好准备。 3 ． 3 异常解释 将反演后得到 的数据文件， 应用 S u r f e r 绘 图软 件进行成图显示 ， 得到了辅 1 、 辅 2运输大巷的两张 超前探测 电阻率等值线平 面图 图 2 、 图 3 。其 中 横坐标表示测量桩号 单位为 m ， 0点即为迎头位 置 ； 纵坐标表示反演 的水平宽度 单位为 i n ， 2 0点 位于巷 道 中央。实线 为 已掘巷道 ， 桩 号用正 数表 示 ； 虚线为未掘巷道 ， 桩号用 负数表示 ； 平面图等值 线值为地层电阻率的对数值 1 g P 。 宽度／ m 一 9 O一 8 0 - 7 0 _ 6 O一 5 0 _ 4 O一 3 O 一 2 O 一 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 O _ 8 O 一 7 O一 6 0 5 O _ 4 0 - 3 0- 2 O - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 O 5 O 6 O 7 O 8 0 桩号 ／ m 图 2 辅 1 运输大巷 电阻率等值线平面图 一 般来讲 ， 当前方某一位置存在岩性界面或含 水构造时， 对应位置电性 曲线就会发生 畸变。富水 性差时 ， 岩层破碎处呈高阻异常 ； 富水性强 时， 岩层 导电性增强 ， 就会呈低 阻异常 ， 这 是进行资料解释 的主要依据。 综合分析辅 1 运输大巷超前探测电阻率等值线 平面图， 可以得出 在桩号 1 0～3 0 1T I 位置为低阻显 示 ， 最小电阻率值仅为 2 0 Q i n ， 说明该位置顶板三 灰富水， 这也与该位置顶板淋 水一致 ； 巷道迎 头位 置以及前方 8 0 m范围为高阻显示 ， 最高电阻率值达 1 0 0 0 Q IT I ， 说明该地段地层富水性差 ； 迎头 出水 估计与后方的 1 0～3 0 IT l 位置富水区有关， 在迎头位 3 9 4 6 科学技术与工程 1 2卷 置右侧电阻率有相对低阻显示 ， 说 明迎头出水通过 该位置与后方的 1 0～ 3 0 m位置富水区联系； 巷道迎 头前方 8 0 m以远为低 阻显示 ， 说 明迎头前方 8 0 m 以远地层富水性强 ， 待掘进到此处时还需进行超前 探测 ， 以便 了解更前处的水文地质情况。 宽度／ m一 9 O一 8 0 7 0 6 0 5 O _ 4 O 一 3 O 一 2 0 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 O 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 - 9 0 8 O - 7 0 - 6 0 5 0 4 0 3 0 - 2 0 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 O 9 0 1 0 0 1 t 0桩号 ／ m 图3 辅 2运输大巷电阻率等值线平面图 综合分析辅 2运输大巷超前探测电阻率等值线 平面图， 可以得出 已掘巷道部分基本在高阻区， 说 明已掘巷道位置地层不富水 ； 在巷道迎头至前方 7 0 m范围为高阻显示 ， 说明该位置地层不富水 ， 因为该 位置经过注浆 处理 ， 高阻也说 明了注浆质量较好 ； 巷道迎头前方 7 0 m以远为低阻显示 ， 且电阻率值最 低值达 1 O Q m 以下 ， 说 明迎头前方 7 0 m 以后地 层富水性强， 待掘进到此处时还需进行超前 探测 ， 以便了解更前处的水文地质情况。 4 结语 矿井电法超 前探测 技术 ， 与 掘进工 程交 叉进 行 ， 先探 后掘 ， 以其快速、 简便 、 测距 大、 适应性强 、 对水敏感等优点 ， 在巷道前方构造尤其是含水构造 探测 中效果显著。但这有一前提， 就是井下必须具 备良好的现场工作条件 ， 要求探测范 围内无积水 、 无大量金属物 、 无施工干扰。 由于异常体的厚度 、 电性差异 、 倾角 同时影 响 异常极值的幅值和位置 ， 仅利用电阻率极值位置准 确解释超前探测异常的难度较大。因此根据 坑道 工作的特点， 设计有效 的反演方法对异常体 的各种 参数综合反演 ， 提高解释精度是该技术今后 的主要 发展方 向 参考文献 1 翟培 合． 采场底板破坏 及底板水 动态监测系统研 究． 青岛 山东 科技大学 ， 2 0 0 5 1 2 2 4 2 刘青雯． 井下 电法 超前 探测 方 法及 其应 用． 煤 田地 质 与勘 探 ， 2 0 0 1 ； 2 9 5 6 0 _ 6 2 3 李玉宝． 矿井电法超前 探测技 术． 煤炭科 学技术 ， 2 0 0 2； 3 0 2 1 3 4 李金铭． 地电场 与电法勘探． 北京 地质 出版社 ， 2 0 0 5 1 3 41 6 0 Th e S t ud y a n d App l i c a t i o n o f El e c t r i c M e t h o d Pi l o t De t e c t i o n Te c hn o l o g y D O N G J i a n ， Z H A I P e i h e ， C H E N L e i ， Z H E N G We i ． i n n S h a n d o n g I n s t i t u t e o f G e o l o g i c a l S u r v e y ， J i n a n 2 5 0 0 1 3 ，P ． R． C h i n a ； C o l l e g e o f G e oi n f o ．S c i ．a n d E n g g ，S DU S T ，Q i n g d a o ， 2 6 6 5 1 0， P ． R． C h i n a [ A b s t r a c t ]T h e r e s i s t i v i t y r e s p o n s e c h a r a c t e ri s t i c s o f l o w r e s i s t i v i t y g e o l o g i c s t r u c t u r e i n t h e fr o n t o f r o a d w a y i s d i s c u s s e d a n d i nt r o d uc e d t h e wo r k i n g me t h o d s， e x p l a n a t i o n wa y s a n d a p p l i c a t i o n s t a t u s o f mi n e e l e c t r i c me t ho d pi l o t d e t e c t i o n t e c h no l o g y，wh i c h a t t h e s a me t i me c o mb i ne d wi t h a l i v i n g e x a mp l e o f p i l o t de t e c t i o n i n t h e t u n n e l l i n g o f a c o l l i e r y ．Th e r e s u l t o f e x p l o r a t i o n s h o ws t h a t i t ha s o b v i o u s e f f e c t i n a q u i f e r e x p l o r a t i o n． [ Ke y wo r d s ] e l e c t ri c me t h o d p i l o t d e t e c t i o n a p p a r e n t r e s i s t i v i t y