超前探测灾害性含导水地质构造的直流电法.pdf

第 3 5卷第 4期 2 0 1 0年4月 煤 炭 学 报 J OUR NAL O F C HI NA C O AL S OC I E T Y V0 1 ． 3 5 No ． 4 Ap r ． 2 0 1 0 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 0 o 4 0 6 3 5 0 5 超前探测灾害性含导水地质构造的直流电法 韩 德品 ， 李 丹 ， 程久龙 ， 王 鹏 1 ．煤炭科 学研究 总院 西安研究院 ， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 ； 2 ．山东科技大学 矿山灾 害预 防控制教育部重点实验室 ， 山东 青 岛2 6 6 5 1 0 摘要 通过研 究矿井直流 电法 7电极 系探测装置 系统 ， 成功开发 出煤矿掘进巷道顺层超前探测含 导水构造的直流 电法探测方法， 解决了较长距 离定量预 测煤矿掘进 工作面前方 灾害性含导水构造 及其位置的难题。通过深入研究地层层状 空间的影响及消除方法、 地层各 向异性的影响及消除方 法、 测量电极 、 Ⅳ附近的影响及消除方法、 掘进巷道非正前方的影响及消除方法等资料处理技术 ， 获得 了掘进巷道 或隧道 工作面前方地质异常体的电性异常分布信息， 能定量解释掘进巷道前方 0～1 4 0 m 内灾 害性含 导水 地质 构造及 其 位置 。 关键词 超前探测 ； 含导水构造 ； 矿井直流电法 中图分类号 P 6 3 1 ． 3 文献标志码 A DC m e t ho d o f a dv a nc e d d e t e c t i ng d i s a s t r o u s wa t e r c o nd u c t i n g o r wa t e r - be a r i n g g e o l o g i c a l s t r u c t u r e s a l o ng s a m e l a y e r HAN De p i n ， L I Da n ， C HE NG J i u l o n g ， WAN G P e n g 1 ． x i ’ a n R e s e a r c hI n s t i t u t e ， C h i n a C o a l R e s e a r c hI n s t i t u t e ， Xi ’ a n 7 1 0 0 5 4， C h i n a ； 2 ． K e yL a b o r a t o r y ofMi n e D i s a s t e r P r e v e n t i o n a n d C o n t r o l ， S h a n d o n g U n i v e r s i t y ofS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Q i n g d a o 2 6 6 5 1 0， C h i n a Ab s t r a c t A D C a d v a n c e d d e t e c t i n g me t h o d t h a t ’ S a b l e t o d e t e c t t h e wa t e r c o n d u c t i n g o r w a t e r - b e a tin g s t r u c t u r e s i n f r o n t o f t h e r o a d wa y h e a d o n i n t he c o a l mi n e t u n n e l a l o n g s a me l a y e r wa s s u c c e s s f ul l y d e v e l o p e d b y s t u d y i n g s e v e n e l e c t r o d e s d e t e c t i o n d e v i c e s y s t e m o f mi n e DC me t h o d ． T h e d i f f i c u l t p r o b l e m t h a t q u a n t i t a t i v e l y f o r e c a s t e d t h e d i s a s t r o u s wa t e r -- c o n d u c t i n g o r wa t e r - b e a tin g g e o l o g i c a l s t r u c t u r e s a n d i t s l o c a t i o ns i n f r o n t o f mi n e r o a d wa y h e a d- o n wi t h a l o n g e r di s t a n c e wa s r e s o l v e d ． Th e e l e c t r i c a l a bn o r ma l d i s t r i b u t i o n i n f o r ma t i o n o f t h e g e o l o g i c al a n o ma l o us b o dy i n f r o n t o f t h e r o a d w a y o r t u n n e 1 h e a d o n w a s o b t a i n e d a f t e r s u p p o r t i n g i n t e r p r e t a t i o n t e c h n i q u e t r e a t m e n t ， b y i n d e p t h s t u d y i n g t h e i m p a c t t h e e l i mi n a t i o n m e t h o d o f l a y e r e d s p a c e ， f o rm a t i o n a n i s o t r o p i c ， n e a r t h e me a s u r i n g e l e c t r o d e M a n d N ， a n d n o n f r o n t o f r o a d w a y h e a d - o n ． T h e d i s a s t r o u s w a t e r c o n d u c t i n g o r w a t e r - b e a ri n g g e o l o g i c a l s t ruc t u r e s a n d i t s l o c a t i o n s c a n b e q u a n t i t a t i v e l y e x p l a i n e d i n f r o nt o f r o a d wa y h e a d- o n wi t h i n 0 ～1 4 0 m． Ke y wor ds a d v a n c e d d e t e c t i o n； wa t e r c o n du c t i n g o r wa t e r b e a rin g s t r u c t u r e s； mi n e DC me t h o d 如何有效地超前预测掘进前方隐伏灾 害性含导 水地质构造是煤矿生产 中急需解决 的疑难问题 。据 河南焦作矿区不完全统计 ， 煤矿突水事故发生在掘进 阶段约占 6 5 ％ 。因此 ， 准确预测预报巷道或 隧道 掘进前方是否存在灾害性含导水地质构造与安全生 产密切相关。目前矿井 下常用 的超前探测技术 除钻 探外有地 震 反射 波 法_ 2 ] 、 瑞 雷 波 法 ] 、 地 质 雷达 法 、 瞬变 电磁法 _ 8 、 红外测温法 ] 、 矿井直 流 电 法 ’ 和直接 测量 地温 法 。这些 方法 各 有特 点， 都有成功应用的实例。但随着综合机械化采掘方 法的广泛采用 ， 巷道掘进的 日进尺可达 3 0～ 5 0 m， 上 述方法 已越来越难以适应 当前生产任务要求 ， 迫切需 要一种能单次超前探测较长距离 1 0 0 m 、 准确率 较高、 能有效识别并定量解释灾害性含导水构造及其 位置的超前探测技术。本文提供 了这样一种在煤矿 巷道 内顺层超前探测含导水构造的直流电法。 1 矿井超前探测技术的回顾与分析 1 地震反射波法。超前探测中应用较广的有 隧道／ 矿井地震剖 面法 T S P ／ M S P 和 隧道垂 向地震 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 - 0 2 责任编辑 王婉洁 基金项 目 科技部 专项基金 资助项 目 2 0 0 8 E G 1 2 2 1 8 8 ； 国家 自然科 学基金 资助项 目 5 0 9 7 4 0 8 1 ； “ 十一五”国家科 技支撑计 划 2 0 0 7 B A K 2 4 B 0 2 作者简介 韩德品 1 9 6 2 一， 男 ， 山东 日照人 ， 研究员 。1 ’e l 0 2 9 8 7 8 5 8 7 9 3， E - ma i l h d p i n g 2 0 6 1 1 6 3 ． c o rn 6 3 6 煤 炭 学 报 2 0 1 0 年第3 5 卷 剖面法 T U S P 。2种方法 的工作方式稍有 差异 ， 但 都是利用地震反射原理， 预测巷道前方最远约 3 0 0 m 以内可能存在的不 良地质界面 。但该方法对地下 水体无法解释， 不能准确预报前方的含水性， 对点状 导水通道显得无能为力 。 2 瑞雷波法 。利用瑞雷面波传播特征来探测 前方结构面的一种物探方法 ， 该方法同样难以预测掘 进前方构造异常体 的含水性 ， 且探测距离一般 5 0 m 左右 J ， 特别在松软煤层 中超前探测距离较短 。 3 地质雷达。以介质 的电磁特性为基础 ， 研究 不 同频率的电磁波经介质反射 、 透射 、 吸收后 的能量 衰减、 频散作用和时间等参数的变化规律 ， 对断层 、 陷 落柱、 老窑等含水体探测效果较好 ， 但探测距离较短 2 03 0 m ， 且易 受工 作面 潮湿及 周 围机 器 的干 扰 。 4 瞬变电磁法。基于地面瞬变电磁 的原理 ， 通 过 电阻率差异判断地质构造、 含导水体等 。优点是施 工快捷 ， 直接探测二次场 ， 探测距离较 大 1 0 0 I T I ， 对含水构造等低阻体反应敏感。但 井下 瞬变 电磁方 法存在许多缺点 ① 掘进工作 面附近约几十米范 围 为盲区； ② 巷道 内大量存在 的金属体被一次场激发 产生强烈的涡流场形成干扰， 不易分离； ③ 接收的信 号包含巷道前方 、 后方地质体 的信息， 对异常体的定 向、 定位存在不确定性。 5 红外测温技术。是 以岩石热传导、 热辐射性 质为基础 ， 在一定的距离和观测精度下测量工作面上 的温度变化 ， 根据含水体与围岩的温差引起的温度异 常场的分布规律 ， 对其进行超前预报。缺点 探测范 围较短 ， 一般小于 3 0 IT I _ 9 J ， 只能定性解释， 不能定量。 6 直接测 量地温 法。公 开号 C N1 0 1 2 9 8 8 4 0 A 的专利说明的“ 一种预报隧道施工工作面前方涌水 位置的方法” ， 其原理是在巷道侧壁深 5～1 2 m 的岩 孔中跟踪测试岩石温度 。缺点 不能定量预测地下水 体相对于工作面的准确距离。 7 巷道掘进 中电阻率法 超前探测技术 ⋯。该 探测技术是使用独立的 1 个或 2个单极一 偶极排列装 置进行数据采集 ， 利用人 工作 图法确定异常具体位 置。缺点 没有进一步 的处理措施 ， 不能发现微 弱异 常 ； 探测距离较小 最大约 4 2 1T I 。 8 直流三点一 三极超前探测法 或直流电三 点源超前探测技术_ l 是在前一方法 的基础上发 展 而来的 ， 对所测数据有初步处理措施 。缺点 正演计 算不同地点的正常场和异 常场理论曲线很难准确实 现， 且不考虑地层各 向异性时地层 的影响 ， 因此判 断 异常的基础不稳定 ， 给进一步解释带来较大误差 。 2 矿井直流 电法超前探测含导水构造 的方法 原理 第4期 韩德品等 超前探测灾害性含导水地质构造的直流电法 6 3 7 地下巷道 掘进 工作面 B 0 9 ． ． - 、 弋 ． _ 、 匿囊 县 冒昌 史 ‘移动 图 2 直流超前探测法井 F 施工布置 F i g ． 2 L a y o u t o f u n d e r g r o u n d c o n s t r u c t i o n o f t he DC a d v a n c e d d e t e c t i o n me t h o d 在巷道后方距供电电极一定距离， 布置 2个测量 电极 、 Ⅳ 与掘进工作面附近供电电极呈直线分布， 、Ⅳ问距 1～ 8 m 测量 电场中 、 Ⅳ间的电位差 。 测量方法 每相对 固定 1 次 、 J7、 r 电极的位置 ， 对 A i 1 、 2 、 3 、 4 所有供 电电极分别单独供 电时所 建 立的地下电场进行测量 ， 测量参数为 MN ／ m， A 】 O ／ m， U 】 ／ V， ， l ／ A， P s 1 ／ Q m MN ／ m， A 2 O ／ m， ／ V， I 2 ／ A， P s 2 ／ Q m MN ／ m， A 3 O l in， U 3 ／ V， I 3 ／ A， P s 3 ／ m MN ／ m， A 4 O ／ m， ／ V， I JA， P s 4 ／ Q m 式中， MN为 、 Ⅳ 电极之问的直线距 离； A 0为 A 、 0 0为删 之中点 之间的直线距离 ， 即探测距离 ； U 为 、日供 电时 、 Ⅳ间的 电位差 ， 为 A 、 B的供 电电 流， P 为A 、 B供电时， 该装置所测的视电阻率。 移动 1次 或 Ⅳ后 ， 再次重复上述步骤 ， 直到达 到测量 目的为止 。结果获得 4条视电阻率曲线。 2 ． 3资料处理与解释方法 在获取的地质信息中， 包含有地下全空间各种地 质体的影响。可归结为测量 电极 、 Ⅳ附近的 巷道 底板不均匀 ， 、 Ⅳ电极接地条件的不均一 、 巷道 内局 部电性不均匀地 质体等 影响 、 地层层 状空 间 的影 响、 地层各向异性的影 响、 巷道工作面非正前方 的影 响 上方 、 下方 、 左方 、 右方 、 后方 、 巷道工作面前方 的影响。在均匀空间或层状空间条件下 、 顺层超前探 测时， 分别采取 以下技术措施可予以消除和保 留。 2 ． 3 ． 1 测量 电极 、 Ⅳ附近的影响及消除方法 1 测量 电极 、 Ⅳ附近的影响。根据视 电阻率 微分公式P 删9 可知 ， 所测视 电阻率P 与测量 电极 、 Ⅳ之间的电阻率 P M N 成正 比。但在实际测量 过程中， 掘进巷道 内底板揭露的岩石不均匀 有时是 局部炭质泥岩， 有时是砂岩 ， 有时是护底煤等 ， M、 N 电极接地条件的不均匀 、 巷道 内局部积水或浮渣等造 成电性不均匀 ， 直接影响 P 的大小 ， 这是对测量视 电阻率 P 的严重干扰 。 2 消除方法 。在该探 测 系统 中， 对 于 同一个 、Ⅳ所测量 的 4组数据 P 、 p 、 p 、 P 对应 同一 个 P M N ，即P M N 1 P M N 2 P P M N 4P M N ， 因此 ， P s 1 ／ P s 2 J ‘ M N P M N ／ j 0 ／ p 怩 J M N 1 ，已 经 将 R M N 项消去 ， 即将巷道后方 、 J7 、 ， 附近的地质影响已经 完全消去。 2 ． 3 ． 2 层状地层和各 向异性 的影响及消除方法 1 层状 地层 的影响。由于煤 系地层呈层 状沉 积分布 ， 不同地区的煤系地层沉积序列有所变化 ， 而 且地层时代不同， 相似岩层的电阻率也不尽相 同， 同 一 层的电阻率也不稳定 ， 因此层状地层对测量结果的 影响也不尽相同， 使所测曲线变化无常 ， 不易解释。 2 地层各 向异性 的影响。理论上 只把所 有地 层当成各向同性的理想状态 ， 没有考虑地层电性的各 向异性 。试验结果表明 地层电性的各向异性给测量 结果带来很大影响， 有时布置电极换个方 向其测量数 据会变化 3 0 ％ 以上 ， 表现为测量装置本身 的布极方 向影响测量结果。 3 消除方法。通过曲线误差分析 ， 将 同一地点 所测的 4条测深曲线拟合成 1条模 板理论 曲线。优 点 使用实测曲线拟合生成 的模板理论 曲线 ， 包含 了 所测地点的地层层状空问电性 的反映及本 次电法测 量装置带来的地层各 向异性的影响， 比一般正演理论 曲线只考虑地层各向同性时地层的综合 电性更准确、 合理。再将实测 曲线与理论模板进行归一化 ， 可得到 归一化解释 曲线 。 ， 。 该曲线消除了地层层状 空 间的影响和各 向异性的影 响， 将 复杂 问题简单化， 效果很好。即 E ， 堕 1 0 0％ Ps J ， L J 式中 ， 下角 S 、 1 分别代表实测和理论。 解释方法 当无异常时 ， 该曲线理论值 E 。 ， i 0 ； 当有异常时， E ， i ≠0 ； 当 E z ， i 0为高 阻异常 ， E ， i 0为低阻异常 i 1 、 2 、 3 、 4条曲 线 ； 1 、 2 、 3 、 ⋯、 n个测点／ 曲线 。 2 ． 3 ． 3 工作面非正前方的影响及消除方法 1 工作面非正前方 的影 响。矿井 下直流 电法 属于全空间探测 ， 测量结果包含了巷道工作面非正前 方的影响 上方 、 下方 、 左方 、 右方、 后方 和巷道工作 面前方的影响。前者是干扰 ， 后者是需要的。 2 消除方法。采用 聚焦法 ， 如 图 3所 示 ， 将 4 个点 电源 A i 1 、 2 、 3 、 4 分别供人 电流时， 使用同一 对测量电极 、 Ⅳ测量 电位差 ， 通过等位面的几何聚 焦法消除非正前方地质构造的影响 ， 只保 留前方的影 响。以巷道掘进工作面为直角坐标原点 ， 往前方为 轴 ， 往上为 l ， 轴 ， 其超前探测前方的范围为 以 b ／ 2 n 为顶点、 喇叭口对准前方的“ 准抛物体” 其中， 4 个供 6 3 8 煤 炭 学 报 2 0 1 0 年第3 5 卷 电点 电源时 - a ／ b 一 3 ， b为 、 Ⅳ之间的电极距 ， 0 为供 电电极的最大间距。该准抛物体垂直于 轴 的 截面为 1 个圆， 设该圆半径为 R ， 其极限最小探测半 径 R i ／ 2 L bb 。 当超前探测距离 L 1 0 0 m， b 4 m时 ， R 2 8 ． 5 m， 该处轮廓线与 轴 之夹角约为 1 5 ． 9 。 ； 当 L1 4 0 m时 ， R 4 0 ． 2 m处轮廓线与 轴 之夹角约为 1 3 ． 1 。 。 瓣 鲕 等位面 耋 墓 图 3 直流超前探测聚焦法探测范围断面 Fi g ． 3 The c r o s s - s e c t i o n d i a g r a m o f d e t e c t i n g t h e s c o pe by f o c u s i n g o f t he DC a d v a n c e d de t e c t i o n me t ho d 消除上述影响后的视电阻率剩余异常即为掘进 前方地质构造的异常 ， 达到了顺层探测掘进巷道工作 面前方 的地质构造 目的。 2 ． 3 ． 4 解释标准 计算归 一化解 释 曲线 总的平均 均方相对 误差 简称“ 均方误差” 为 巧 一 √ 经 过总结 多次试 验结 果 ， 规定 当 0 ． 5 I l E ， i ≤J I 为一级异常， 一般为对应前方含水 导水性较差或无构造 、 或不含水的岩性变化。 当 I I2 l l为三极异常， 一般为突出 的岩石电性变化 ， 如大的导水断层 或导水裂隙发育 带 、 积水老窑采空区或潜在的导水或突水地质构造 等强含水体 的反应 ， 一般为“ 灾害性” 地质构造。 2 ． 3 ． 5 成图方式 在获取的地质信息中包含有地下全空间各种地 质体的影响。消除上述影响后的视电阻率剩余异常 即为掘进前方 地质构 造 的异 常， 使 用 1条 综合 异 常 曲线图或 综合 拟断面 图的形式将该纯异常表 示出来即为解释结果 ， 如图 4所示。 异常1 异常2 异常3 4 0 迥0 娄 _ 4 o 综合拟断面 ● ■ ■ ■ ■ ■ ■ 赣 髓 睡 臻 | 鬣 嚣 l i 霞 褥l罄 。 3 0 2 2 ‘ 1 4 1 0 - 6 2 2 6 1 0 0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2 3 6 4 0 4 4 距离 ／ m 综合 异常 曲线 图 4 告成煤矿直流电法超前 探测 结果 F i g ． 4 The r e s u l t s o f DC a dv a nc e d d e t e c t i o n i n Ga o c he ng Co a l Mi n e 1 3 0 7胶带巷 曾经发生过煤层底板太原组灰岩水突水 事故。本次电法超前探测 的第 1 个 电极 A 距离工作 面 8 m。A ～4 、 、 Ⅳ等问距 4 I 1 1 依次按直线从工作 面向后方布置 ， 最大极距为 5 0 m， 无穷远电极 距巷 道工作面电极直线距离为 5 0 0 n l 。 探测结果 本次均方误差 1 9 ， 灾害性临界预 报点为一 3 8以下。此次发现 3个较小 的低 阻异常， 分 别在掘进工作面前方 2～5 、 1 1 ． 0～1 3 ． 5 、 1 9 ． 5～ 2 3 ． 0 m， 低阻异常峰值分别为一 1 7 、 一 2 7 、 一 1 6 。 解释结果 如 图 4所示 ， 第 2个 异常较大为二级 异常， 其余较小为 1级异常 ， 没有灾害性异常。推断 为煤层底板存在导水断裂带 。第 1 个异常矿方认为 不可能有水 ， 因为距 离工作面太近 ， 没有任何 迹象。 在强行掘进时底板出水 1～ 2 m ／ h ， 矿方不得不对第 2个异常打超前钻探水 ， 结果钻孔 出水 2 m。 ／ h ， 异常 3为破碎带的表现 ， 掘进时遇破碎带并安全通过 。 实例 2 山西朔州中国中煤能源有限公司平朔分 公司3 号地下矿 9 号煤南翼主运大巷， 使用此技术对 位于主 6号测量点前 2 4 m的巷道工作面进行 了探测。 第 1 个 电极 距离工作面 1 0 m， A ～ A 4 、 M、 N等间距 4 m布置 ， 最大极距 1 3 6 m， 无穷远电极 距巷道工作 面电极直线距离约 1 k m。 探测结果 最大探测距离为 1 2 6 m， 均方误差 2 0， 灾害性临界预报点为一 4 O以下。发现 2个 3级 低阻异常 一 4 5 ， 一 4 3 ， 无其他异常 。 解释结果 如图 5所示 ， 2个 3级低 阻异常 ， 分别 位于 4 0 4 4 1 ／ 1 1号异常 、 1 0 0～1 0 8 m 2号异常 ， 解释推断为灾 害性 的导水 断层 或积水老窑采空 区。 其 中当掘进至 1 号异常 4 3 ． 3 m处发生老窑透水 ， 峰 值突水量约 9 0 0 0 m ／ h ， 短时间内工作面被淹 ， 排干 水后打钻验证 2 号异常仍为积水老窑采空区。 3 应用实例4 实例 1 河南郑州煤 电有 限责任公 司告成煤矿 ， 结 语 本方法能定量顺层超前探测掘进巷道前方较长 第 4期 韩德品等 超前探测灾害性含导水地质构造的直流电法 6 3 9 工 芝 8 。0 0 蒌 综合拟断面 ■ ■ 馘 鼹 | g 0誉 鼙 I鹾 警 l 鬣 ∞ 鬻 i 强 一 5 5- 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 2 6 1 0 距 离 ／m 综合 曲线 图 5 平朔 3号地下矿直流 电法超前探测结果 Fi g ． 5 Th e r e s ul t s o f DC a d v a nc e d d e t e c t i o n t he 3 r d we l l i n Pi n g s hu o Co a l Mi ne 距离 最大探测距离达 1 4 0 I n 内的含导水地质构造 及其位置 ， 尤其能识别灾害性地质构造 ， 以保障掘进 巷道的生产安全。该技术易于掌握 ， 方便 推广 ， 施工 效率高。方法与仪器已经配套 ， 该技术在全国许多存 在水害的煤矿的巷道 或隧道 掘进过程中得到了应 用 ， 结果表 明， 平均距 离误差 4 ． 8 7 ％ ， 最大异 常距 离 1 1 2 In， 最大探测距离 1 4 0 n l 。该技术可用于超前探 测灾害性高水压含导水构造 、 突水地质构造 、 积水老 窑采空区、 潜在导水断层及导水断裂发育带等。 感谢煤炭科学研究总院西安研究院 、 河北邯郸矿 务局 、 山东科技大学、 中国矿业大学、 河北煤炭研究所 及支持该技术应用的各大矿业集 团等。本文探测实 例 由煤炭科学研究总 院西安研究 院电法勘探研究所 提供 ， 夏宇靖研究员 给予 了指导 ， 在此对该技术有 贡 献的专家和同仁一并表示衷心感谢 参考文献 [ 1 ] 刘青雯． 井下 电法 超前探 测方 法及 其应 用 [ J ] ． 煤 田地质 与勘 探 ， 2 0 0 1 ， 2 9 5 6 0 6 2 ， L i u Q i n g w e n ． U n d e r g r o u n d e l e c t ri c a l l e a d s u r v e y m e t h o d a n d i t s印一 p l i c a t i o n [ J ] ． C o al G e o l o g y＆ E x p l o r a t i o n ， 2 0 0 1 ， 2 9 5 6 0 6 2 ． [ 2 ] 王齐仁． 灾害地质体超前探测技术研究现状与思考[ J ] ． 煤田地 质 与勘探 ， 2 0 0 5， 3 3 5 6 5 6 9 ． Wa n g Q i r e n ． R e s e a r c h a c t u al i t y a n d c o n s i d e r a t i o n s o n t h e a d v anc e d d e t e c t i n g 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