高密电法在采掘工作面水灾预防中的应用.pdf

第 1 1卷第 1 0期 2 0 1 4年 1 0月 华北科技学院学报 J o u r n a l o f N o r t h C h i n a I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Vo l _1 1 No ．1 0 0c t ． 2 O1 4 高密电法在采掘工作面水灾预 防中的应用 刘 赛 华北科技学院 安全工程学 院 ， 北京 东燕 郊1 0 1 6 0 1 摘要 采用高密度 电法对葛亭煤矿矿井采掘 工作面进行超前探测。结合其地球物理响应特征 ， 通过数据采集， 相对富水性判别， 即时成果显示形成以“ 高密电法仪” 为核心的采掘工作面水灾预 防技术， 实现掘进工作面前方富水性预测。为井下工作面的水害预报和防治提供可靠依据， 保证矿 井 的安全 生 产。 关键词高密度 电法； 富水性 ； 超前探测 中图分类号 T D 7 4 5 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 7 1 6 9 2 0 1 4 1 0 0 0 0 90 4 Ap pl i c a t i o n o f Hi g h - de ns i t y El e c t r i c a l M e t h o d i n t h e Pr e v e n t i o n o f W a t e r Di s a s t e r o f M i n i n g a nd Dr i v i ng Fa c e LI U S a i S c h o o l ofS a f e t y E n g i n e e r i n g， N o r t h C h i n a I n s t i t e ofS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， a o ， 1 0 1 6 0 1 ， C h i n a Abs t r a c tTh e mi ni ng a n d d r i v i n g f a c e o f Ge t i n g Co a l Mi n e i s a d v a n c e d d e t e c t e d u s i n g h i g hd e n s i t y e l e c t r i c a l me t ho d ． Co mb i ne d wi t h i t s g e o ph y s i c a l r e s p o ns e c h a r a c t e ris t i c s，t h r o u g h d a t a c o l l e c t i o n a n d r e l a t i v e wa t e r a b u nd a n c e d i s c r i mi na n t ，i mme di a t e o ut c o me s s h o w t h e f o r ma t i o n o f a”h i g hd e n s i t y e l e c t ric a l i n s t r ume n t ”a s t h e c o r e o f t h e mi n i n g a n d d riv i n g f a c e o f t he flo o d p r e v e n t i o n t e c h no l o g y， t h e r e a l i z a t i o n o f h e a d i n g f a c e p r e - d i c t i o n o f wa t e r a b u n da n c e ．I t p r o v i de s a r e l i a b l e b a s i s f o r t h e p r e d i c t i o n a n d p r e v e n t i o n o f u n d e r g r o u n d wa t e r d i s a s t e r S O a s t o e n s u r e t h e s a f e p r o d u c t i o n o f c o a l mi n e s ． Ke y wo r ds hi g hd e n s i t y e l e c t ric a l me t h o d； wa t e r a b un d a n c e； a d v a n c e d de t e c t i o n 0 前言 矿井水害对生产、 国家财产及工人生命安全 已经造成巨大影 响。因此 ， 煤矿水 害防治迫在眉 睫 ， 意义重大⋯。特别是煤矿水 害对生产和人 民 生命财产带来的损失更为严重。煤矿水害事故 中 很多都是井下巷道及 工作 面出水 ， 水源一般有大 气降水 、 地表水 、 松散层水 、 老空水 、 灰岩水等。引 起事故 的主要 因素有地质构造 、 老空 区、 陷落柱 等， 一旦巷 道或工作 面存 在导水构造 J ， 无 法及 时预测 ， 很容易发生透水事故 ， 对煤矿安全生产产 生很大威 胁。针对葛亭煤 矿矿井水 害的潜 在危 害 。在掘进巷道富水性超前探测工作需要实时、 快捷 ， 且能够对探测数据即时分析的物探方法 ， 要 求探测成果做到随做随出。结合葛亭煤矿现场工 作 中对掘进工作 面水害防治的需求 ， 如何深入分 析突水原因， 研究突水 因素， 针对不同的水文地质 条件采取相应的防治水措施 ， 减少或消除突水 因素 的影 响， 预防工作面突水 ， 保证 矿井安全 生 产 ， 是广 大工程 技术人 员正在 不断实践 探索 的 问题。 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 2 8 作者简介 刘赛 1 9 9 0 一 ， 男， 河南永城人， 大学毕业， 华北科技学院在读硕士研究生， 从事安全工程领域方面的研究。E m a i l I i u 8 a i5 2 2 3 2 3 l 1 6 3． e o m 9 华北科技学院学报 2 0 1 4 年第1 0 期 1 水文地质条 件 1 ． 1 含水层 矿井共有六个主要含水层 组 ， 自上而下分 别为第四系砂 层本组 、 岩浆岩 、 3煤 层顶 、 底板砂 岩 、 太原组三灰 、 十下灰及奥陶系灰岩。其 中第四 系砂层本组 ， 3煤层顶 ， 岩浆岩 ， 十下灰及奥 陶系 灰岩为弱 一强富水含水层。底板砂岩 、 太原组三 灰富水性弱 ～中等。 1 ． 2 矿 井充水 因素 矿井充水因素有三个 3煤顶底板砂岩 、 三灰 和岩浆岩水。开采实践证 明 ， 3煤顶 底板砂岩水 和三灰水 ， 水量 以静储量为主 ， 并且易于疏干 ， 不 会对安全生产造成威胁。因此 ， 在无岩浆岩侵入 区水文地质条件为中等偏简单 ； 在岩浆岩侵入 区， 特别是断层使 3煤层与奥灰 、 十下灰间距缩小或 对 口接触 ， 矿井充水因素增多 ， 水文地质条件将会 复杂 。因此采上组煤时的水文地质条件属于裂隙 类简单 ～中等型。下组煤矿井充水因素主要有四 个 ， 即直接顶板 十下灰 、 断裂带、 奥灰和岩浆岩 ， 其 中受岩浆岩影响的部位主要在 F 7断层 以东 ， 范围 较小 。下组煤 的水文地质条件为裂隙 、 岩溶类 中 等 一 复杂型。 2 地球物理响应特征 从 电性上分析不同地层 的电性分布规律 为 煤层 电阻率值相对较 高 ， 砂岩次之 ， 粘土岩类最 低 。由于煤系地层 的沉积序列 比较清 晰， 在原生 地层状态下， 其导 电性特征在纵 向上 固定的变化 规律 ， 而在横 向上相对 比较均一。当存在构造破 碎带时 ， 如果构造不含水 ， 则其导 电性较差 ， 局部 电阻率值增高； 如果构造含水 ， 由于其导电性好 ， 相当于存在局部低 电阻率值地质体。 综上所述 ， 当断层 、 裂隙和陷落柱等地质构造 发育时 ， 无论其含水与否 ， 都将扰动地层 电性在纵 向和横向上的变化规律 ， 为 以岩石导 电性差异为 物 理基 础 的矿 井 电法 探 测 提供 了 良好 的地 质 条件 一 。 3 高密度电法探测方案 高密度 电阻率 法具有抗 干扰 ， 小 电流 ， 低 电 压 ， 自动成图 ， 探测精度高 ， 操作方便 、 探测可靠性 较高， 工作效率高、 反映的地电信息量大、 工作成 本低 、 测量简便等 突出等特点。比普通电法数据 采集更快 ， 自动化程度更高 j 。 高密度电阻率成像法 采用温纳微 分装置测 量 ， 在井下沿巷道布设测线 ， 并按一定间隔布置好 电极 。首先以固定点距沿巷道测线布置一些列电 极 ， 相邻电极间距为 a ， 将相距 为 a的一组 电极排 列经 自动转换 电极器连接 ， 通过 自动转换程序改 变装置类型 ， 一次完成测点各 种装置形式的视 电 阻率 P观测 图 1 。 A B M N 第三层 一 一 A B M N第二层 一 一 层I l I l I I l 一 图 1 测量方式图 温纳排列的供 电电极 A、 B和测 量电极 M、 N 均采 用 偶 极， 并 按 一 定 距 离 分 开。s表 达 式 书 为 ， 6 为两相邻电极 间距 电极排列依次为 A一 1 n BMN 。记 录点为 B M 中点 ， 测量断面为倒梯 形。测量时 ， A BB MM N为一个 电极 间距 ， A、 B、 M、 N逐点 同时向右移动 ， 得 到第一条剖面线 ； 接着 A B 、 B M、 MN增大一个电极 间距 ， A、 B 、 M、 N 逐点同时向右移动 ， 得到另一条剖面线 ； 不断扫描 测量 ， 得到倒梯形断面。 第 1 0期 刘赛 高密电法在采掘工作面水灾预防中的应用 数据采集 在巷道中布置一系列测点 ， 测点间 距为 5 m， 自巷 道一 端开 始布 置。布置 方 案如 图 2 。1 1 6 1 0胶带顺槽超前探 ， 随着掘进前推 向前 平移侧线 。 图 2 现场施工布置框 图 4 高密度电法的探测成果 1 1 6 1 0轨道顺槽从 巷道 口向切眼方 向探测 ， 总长度为 8 0 0 m， 由于切 眼处 附近全是积水无 法 施工 ， 故实 际探测长度为 7 2 0 r n 。现场施工 布置 如图3所示 。相邻 电极的距离为 5 m， 电极与电极 控制器之间采用 电极连线夹连接。 1 1 6 1 0皮带顺槽从距离切眼 2 0 m开始探测至 巷道 口， 巷道总长度为 7 9 0 m， 由于切眼 2 0 m附近 有大 量积水 无法施 工 ， 故探测 起点至 巷道 口为 7 7 0m 。 ⋯⋯●_ ⋯● ● ●●● ●_●● _ ●●_ ⋯⋯● ● A l l 3a ll z z n N B 3n 第三谈测置 I2 a “H i H B 2 a 第淡 涓置 ■ a H a NIl a 第一莰测量 7 7 7 j 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 1 ● 图3 现场高密度电法法测深施工布线图 1 1 6 1 0工 作 面 采 用 采 用 华 安 奥 特 生 产 的 Y D J 2 5 6型矿用高密度 电法仪。根据 高密度 电法 在各巷道 的探测 ， 底板探测成果 图 4 、 图 5 探测 异常区示意图 图 6 做出如下解释 1 异常 区 距位 于底板 2 0 4 0 m范围 ， 低 阻 反映明显 ， 可能与底板导通 ， 在 回采时底板裂隙带 的扩展 ， 可能对回采具有一定的影响。 2 异常 区 距位 于底板 2 0～ 5 0 m范围 ， 低 阻 反映较 明显 ， 可能与底板奥灰导通富水性较强 。 3 异常 区 距位 于底板 2 0～ 5 0m范围 ， 低 阻 反映较明显 ， 可能受小断层影响， 推测存在裂隙水 富水性一般。 4 异常 区 距位于底板 2 0～3 0 m范 围， 低 阻 反映较 明显 ， 富水性一般 ， 可能与底板导通 ， 与底 板间接含水层不导通 ， 对 回采会产生一定影响。 5 异常 区 距位于底板 2 0～3 0 m范 围， 低阻 反映较 明显 ， 富水性一般 ， 可能与底板导通 ， 与底 板间接含水层不导通 ， 对 回采会产生一定影响。 6 异常区 距位于底板 2 0～3 0 m范围 ， 低阻 反映明显。可能受断层影响富水性较大 。 7 异常区 距位于底板 2 03 5 m范围 ， 低阻 反应较 明显 ， 可能受断层影响富水性一般 。