高分辨电阻率法在煤矿超前探测中的应用.pdf

2 0 1 1 年第 5期 中州 煤 炭 总第 1 8 5期 -__ _I Cj 同 分 辨电阻率法在煤矿超前探测 中的应 用 张 军 ， 赵 莹 ， 吴 迪 1 ． 中国煤炭科 工集团 西安研 究院 ， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 ； 2 ． 西安 大地测绘工程有限责任公 司， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 摘 要 高 分 辨 电 阻率 方 法 作 为 一 种 精度 高 、 经 济 实 用 的 探 测 技 术 ， 已成 为探 测 矿 井 水 文地 质 的 重 要 手 段 。 阐 述 了高分辨电阻率法的基本原理。结合具体实例 ， 对高分辨 电阻率法探测煤矿巷 道地质异常 应用方法进行 了介绍。探测结果表 明， 该 法准 确、 可靠 、 经济适用。 关 键 词 高 分 辨 电 阻率 法 ； 超 前 探 测 ； 三极 ； 防 治水 中图分 类号 P 6 3 1 ． 3 2 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 1 0 5 0 0 2 5 0 2 Ap p l i c a t i o n o f Hi g h- r e s o l ut i o n Re s i s t i v i t y M e t h o d i n Adv a nc e d De t e c t i o n o f Co a l M i n e Zh a n g J u n ， Zh a o Yi n g ， W u Di 1 ． X i a n R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C C T E G C o r p ， X i a n 7 1 0 0 5 4 ， C h i n a ； 2 ． Xi a n Da d i S u r v e y i n g Ma p p i n g P r e c t C o ． ， L t d ．， X i n n 7 1 0 0 5 4， C h i n a Abs t r a c t As a k i n d o f p r o s pe c t i ng t e c h no l o g y wi t h hi g h p r e c i s i o n， g o o d e c o n o mi c a l e f f i c i e n c y a nd p r a c t i c a l a p pl i c a bi l i t y， h i g h r e s o l u t i o n r e s i s t i v i t y me t h o d i s a n i mp o r t a nt me a n s us i ng t o s u r v e y mi n e h y d r o g e o l o g y ． Th i s p a pe r e l a b o r a t e d ba s i c p r i n c i p l e s o f h i g h r e s o l u t i o n r e s i s t i v i t y． Co mbi n e d wi t h t h e s pe c i f i c e x a mp l e， r o a d wa y g e o l o g i c a l a n o ma l i e s s ur v e y u s i n g h i g h r e s o l u t i o n r e s i s t i v i t y me t h o d wa s i n t r o d uc e d． Th e r e s u l t s s ho w t ha t ， t h e de t e c t i o n i s a c c u r a t e， r e l i a b l e a n d a f f o r da b l e． Ke y wo r ds h i g h r e s o l ut i o n r e s i s t i v i t y me t h o d； a d v a n c e d de t e c t i o n； t hr e e p o l e； wa t e r p r e v e n t i o n a nd c o n t r o l 煤 矿水 文条 件直接关 系 到矿井 的安全 生产 和经 济效益 ， 通过 物探 方法 可 提 前 探 明掘 进 前方 一 定 范 围内地 层 中水 的 范 围和 位置 ， 为煤 矿 防 治水 提 供依 据 ， 从 而减少 和避免 水溃 事故 的发生 。 目前 ， 随着 我 国物探 技术测 量精 度 和信 息 处 理速 度 的提 高 ， 高分 辨电阻 率方法作 为 一 种精 度 高 、 经 济实 用 的探测 技 术 ， 已成 为探测 矿井水 文地 质 的重 要手段 。 1 基 本 原 理 地面 高分辨 电阻率 法 采 用单 极一 偶 极 装 置 ， 在 均匀半 空 间里 ， 以 电极 为 中心 形成 不 同的半 球 状 等 位面 ， 电位 的变化 反 映 了相 应 地下 等 位 面所 构 成 的 薄壳层 里 的异常 体 。 由不 同 位置 的电 流 电极 供 电 ， 在相应 电 位 电极 观 测 ， 可 确 定 异 常 体 的 位 置 和 大 小 ] 巷道高分 辨 电阻率 法超前探 测 的理论基 础和 观 测装置 与地 面高分 辨 电阻 率法 基 本一 致 ， 只是 在 采 收稿日期 2 0 1 1 0 2一l I 作者简介 张 军 1 9 8 1 一 ， 男 ， 陕西 西 安人 ， 助理 lT程 师 ， 硕 士 2 0 0 9年毕业 于长安大学 ， 现从事电磁探测技术研究工作 。 集数 据 和解 释 范围上 有 所 不 同 ， 高 分辨 电阻率 法 解 释范 围为 电极测 线所 控 制 区域 内 的地 质异 常 ， 而 超 前 电法探测 关 心 的是 巷 道前 方 的地 质 异 常 。因此 ， 地面 高分辨 电阻率 法 的应用完 全可 以用 于井 下全 空 间地质 异常 探测 。 高分辨 电阻率 法有 以下优 点 在装 置形式 上 ， 高 分 辨 电阻率法 采用单 极一偶 极装 置 。结合模 型正演 结 果表 明 ， 在 相 同地 电条件 下 ， 单 极一偶 极装置 的异 常 幅值较 大 、 宽度较 窄 ， 能实 现对地 下分 辨单元 的多 次 覆盖测 量 。因而 ， 高 分 辨 电阻 率 方法 有 更好 的压 制 静态效应 和抗 干扰 能力 以及更高 的分辨 率 。正因 为 高分辨 电阻率 法 的这 些 优点 ， 使其 成 为矿 井 超 前 探 测 、 采 空区探 测等 的首选方 法 。 矿井 高 分辨 电阻率 法 属 于全 空 间 电法 勘 探 ， 它 以岩石的电性差异为基础 ， 该方法供 电电极位于巷 道 中 ， 电场 呈全 空间分 布 ， 可 利用全 空间 电场 理论 对 数据进 行分 析解 释 。根 据 点 电源 场 理论 分 析 ， 点 电 源在 均匀全 空 间的 电力 线 呈射 线 发 散 ， 等 电位 面 为 以供 电点为 球心 的球 面 ， 电位差 则 是 以供 电点 为球 心 的同心球 壳 ， 球 壳 厚 度应 为 测 量 电极 间距 。超 前探测 是研 究掘进 面 前 方含 水 、 导 水 构造 的分 布 和 25 2 0 1 1 年第5 期 中州煤炭 总第 1 8 5期 发育情 况 以及 地层 电性变化 规律 的一种井 下 电法探 测技 术 。为 了达到 超前 探 测 的 目的 ， 采 用 3个 供 电 极交 替供 电分 别测 量 的 方式 ， 利 用 几何 交 汇 的原 理 图 1 进行 探测 ， 这 种方 法可 以消除顶 板 、 底 板 和后 方 的影响 ， 反 映巷道 掘进 面前方 的地质异 常 ， 达 到超 前探 测 的 目的 。 0 图 1 超 前 探 测 几 何 交 汇 原理 图 1 利用 3条测 深 曲线确定 孤立地 质异常 体 的 位置。根据等值壳层反映异常的原则 ， 以电流 电极 为 圆心 ， 以发 生 电位 异 常 的 电位 电极 到 电流 电极 的 距离 为半径 画弧 ， 弧线 在 巷 道前 方 交 汇 的影像 就是 所要 探查 的异常体 。 根据 电场 球 壳原 理 ， 任 意等 半径 球 面上 的 电位 是 相等 的 ， 2个 等位面 上 的点 M、 Ⅳ 之 间形成 电位差 A U ， 利用发射电流可计算出 MN球环上的视电阻 率 。通过 在巷道 掘进 面 后 方布 置 电 极 ， 从 而可 探测 出掘进面前 方 的异 常情况 ， 其工 作原理 如 图 2所 示 。 图 2超 前 探 测原 理 示 意 2 应 用 实例 某 工 作面 轨 道巷 ， 由于岩 层部 分 主要 为砂 质 泥 岩 和粉 砂岩 ， 为低 电阻率特 征 ， 而 煤层为 相对高 电阻 率特 征 ， 可 以选用 电法 勘 探来 查 明全 岩段 的 展布 情 况 。为查清 主要含水 、 导水 构造 的分布规 律 ， 评 价掘 进 面前 方 富水 性及 裂 隙含 水 性情 况 ， 预测 潜在 导 水 通道 ， 采用高分 辨 电阻率法 进行井 下数据 采集工 作 。 2 ． 1 地质及地 球物理 前提 不 同岩性 的地 层 具有 不 同 的导 电性 能 ， 即不 同 地层具 有不 同的视 电阻率 。对于煤 系地 层 ， 横 向上 ， 由于煤 系地层 的层状 分布 ， 其导 电性相对 均一 ； 纵 向 2 6 ． 电阻率 的变 化规 律 基本 一 致 。横 向上 ， 导 电性含 水 性好 ， 与 围岩有 明显 的 电性 差 异 。煤 系 地层 这种 重 要特 性 ， 使 得高分 辨 电阻率法 在这些 地 区应 用 ， 可取 得较好 的使 用效果 。 2 ． 2施工 区地质概 况与 地 电特 征 巷道 的不均 匀 性造 成接 地 电阻变 化较 大 ， 阻值 在几 十至 几 百 欧 姆 间 变 化 。基 岩 是 一 套 含 煤 泥 岩 系 ， 岩 层平缓 ， 倾 角 3 。 左右 。所 采 煤 层厚 2 ． 5 m， 煤 层稳定 。煤 层顶板 为粉砂 岩 、 砂 质泥 岩 ， 底板 为粉砂 岩 、 砂 质 泥岩 ， 顶底 板 比较 稳定 。根据 局部钻 孔资料 可 知 ， 施工 区煤层 电阻率 较 高 ， 其他 碎屑岩 的 电阻率 较低 ， 且 随着岩层 的粒度 变粗 而增 大 ， 即 由泥岩到粉 砂 岩 、 细砂 岩 、 中粗砂岩 电 阻率 依次 增高 。煤层被采 出留下 的空洞 如果不 充水 ， 其 电阻 率 比煤层 高 ； 如 果 空 洞 、 裂 隙 或 断 层 充水 ， 其 视 电 阻 率相 对较 低 。 因 此 ， 施 工 区具备利 用 高分 辨 电 阻率 法 探 测采 空 区 的 物性 前提 。 2 ． 3对探 测环境 条件 要求 1 探 测巷道 的掘进 长度 一般情 况下 要大 于 6 0 m， 如果 巷道 掘进过程 中起 伏较 大 ， 那 么将 影 响探 测 精 度 。 2 发 射 电极 、 接 收 电 极 要尽 量 布置 在 一 条 直 线 上 ， 尽量 避开水 体 、 铁 器等 物体 。 2 ． 4 施 工布置 超前 探测 前方含 水异 常 方法 为 “ 三 点点 源法 ” ， 即首先 布置第 1个供 电 电极 A ． ； 然 后 在第 1个 电极 后方 同一 直线 上等 间距布 置第 2个 A 、 第 3个 电极 A ， ， 形成 3个 供 电点 ， 测量 供 电 电 极 A ， A ， A 间距 为 4 m， A ． 距掘进 面 1 4 m； 另 外再 布置无 穷远 电极 曰 和接 收电极 M、 r ， 接 收 电极 间 距 为 4 m， 探 测 距 离 1 0 4 m， 如 图 3所 示 。具体 施 工 时供 电 电极 、 无穷 远 电极及 仪器 均不动 ， 接收 电极 、 Ⅳ根据设 计 的观测 系统 由仪器 自动切 换 。 圈 3 轨道上 山超前探测施工布置及成果解释示意 2 ． 5探 测 结果分 析 由探测 结果 图 4 可 见 ， 煤 层段 及 全 岩段 表 现 为高 视 电阻率 区。 图 4中 5 4～5 7 m 处 ， 7 4～7 7 m 处段 为视 电阻率最 低 区段 。 下转第 4 1页 2 0 1 1年第 5期 王 文 良等 兼并 重组煤 矿测 量工 作存在 问题 及解决 方案 总第 1 8 5期 一 的 1 9 5 4北 京 坐 标 系 统 。 即在 3 。 带 投 影 基 础 上 ， 建立 C级 G P S控 制 网 ， 再 根据 需 要 ， 解 算各 地 转 换 参数 ， 最终 完成 1 9 5 4北 京 坐标 系 向 1 9 8 0西 安 坐 标 系 的转换 。 2 在 统 一 坐标 系统 的 基础 上 ， 搜 集 各 地 区 的 现有控制 资料 ， 经过 检核 后 ， 利用 G P S评 差 软 件 ， 结 合 投影带 的划 分标 准 ， 设 置 不 同 的 中央子 午 线 1 l 1 。 和 1 1 4 。 ， 按 3 。 带 投 影 ， 分别 求 出各 个 区域 相 应 的 控 制 点平面 直角坐标 。 ， 带 号分 别为 “ 3 7 ” 和 “ 3 8 ” 。 3 逐渐 规范 采矿 证 坐标 系 统 。按 照煤 矿 测量 相关 要求 ， 结合实 地测 量结果 ， 对原 有采 矿证批 复坐 标 不合理 的提 出 申请 ， 建立 统一坐标 系 ， 统一 投影带 划分标 准 ， 报 上级 管理部 门协 商解决 。 实 地测量 和分 析研 究 ， 可 以解决 许 多 兼并 重 组 矿井 的测量问题 ①建立统一坐标系统 ， 便 于管理， 便 于 查 找矿 井对应 位置关 系 以及确定 与大 中型 矿井 的相 对位置关系； ②分区处理成果， 建立不同区域的分带 成果 ， 提 高各 区内部相 对精 度 ， 保 证生产 与安 全措施 的顺利实施 ； ③根据不同区域的起算成果 ， 实现了高 精度 的跨 带计算 及 不 同椭 球 之 间 的坐 标 换算 ， 解 决 了不 同 区域不 同椭 球参 数 成 果 统一 应 用 的难 题 ； ④ 绘制 了高精 度 的采 掘工 程 平 面 图及 井 上 下对 照 图 ， 满足 了矿井 信息 化管理 要求 。 参考 文献 [ 1 ] L 祥元 ， 郭际明 ， 刘宗泉． 大地测量 学基础 [ M] ． 武汉 武汉大 学 出版 社 ， 2 0 0 1 ． 4 结 吾 [ 2 ] 李征航， 黄劲松． G P S 测量与数据处理[ M ] ． 武汉 武汉大学出 版 社 ， 2 0 0 5 ． 由于 义煤 集 团兼 并 重组 煤 矿数 量 多 、 分 布范 围 [ 3 ] 李青岳 ．工程测量学[ M] ． 北京 测绘出版社 , 1 9 8 4 ． 广 ， 而且 原来地 方 煤 Y - N 量 基 础差 ， 资料 缺 失 严 重 ， 责任 编辑 梁郁 鑫 数据不准 确 ， 影 响 兼 并重 组 工 作 的顺 利 进 行 。通 过 上接 第 2 6页 由图 4可知 ① 工作 面前 方 探 测 区域 内 出现 2 处异 常 区 ， 1号 异 常 区 位 于 T 作 面 前 方 5 4～5 7 m 处 ， 2号异 常 区位 于工 作 面前 方 7 4～7 7 m 处 ， 可 能 为含 水段 ； ② 两处 异 常 区宽 度均 为 3 m左 右 ， 1号异 常 区幅值相 对较 小 ， 推 断 1号 异 常 区工 作 面 前方 存 在裂 隙发 育带 ， 富水 性 相 对较 弱 。2号 异 常 区幅 值 相对较 大 ， 推 断异 常区段 存在 裂隙发 育或岩 性变 化 ， 裂隙发 育 区岩 层 相 对 富水 ， 富 水 性 相对 较 强 。其余 段视 电阻率相 对 较 高 ， 且 较 为 均一 ， 可能 为煤 层段 、 全岩段 或煤岩 交互段 。 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 45 5 O 55 6 0 65 70 75 80 8 5 9 0 95l o0 距起 始点距离， m 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0O 1 2 0l 3 O】 4 0l 5 0 图 4超 前 探 测 成 果 示 意 根 据超前 探 测 解 释 成 果 ， 建 议 通 过 1号 、 2号 异常 区段 时进 行 钻探 验 证 确定 其 异 常性 质 ， 并 加 强 地质水 文观测 T 作 。在上 述 推 断 位置 ， 经钻 探 及 掘 进证实 ， 推断结 果 正 确 。此 次 高分 辨 电 阻率 法 探 查 异常全 部得 到 了验 证 ， 地 质效果 十分 显著 ， 不仅节 省 了时间 ， 而且 降低 了勘察 费用 ， 探查结 果对 煤矿 巷道 治理 设计 与施 工起到 了重 要的指 导作用 。 3 结 语 上 述 勘探 工 作证 明 ， 高 分 辨 电阻 率法 对 于煤 矿 巷道水体探测十分有效 。该技术不但可以在煤矿采 空 区探 测 中发 挥 积极 作 用 ， 而 且 对煤 矿 裂 隙发 育 区 域 以及 溶洞发 育地 区的不 良地 质体 的探测 也有 良好 的使 用效 果 。 采用 高分 辨 电阻率法 可探 测巷道 工作 面一定 范 围内导水 裂隙 带发育 位置 、 范 围及隐伏 构造 ， 为防 治 顶底 板水 提供 决 策依 据 。通 过 上述 工 作 发 现 ， 进行 高分 辨 电阻率法 探测 ， 还 可在 生 产 中进 一 步 探 索施 工参 数对勘 探精 度 的影 响程 度 ， 以扩大探 测范 围 ， 提 高解 释精度 ， 准确 判定 含水构 造范 围及 富水性 。 参考 文献 [ 1 ] 李华 ， 张寰． 高分辨地电阻率法在高速公路 下伏采空区勘察 中 的应用 [ J ] ． 陕西煤炭 ， 2 0 0 8 ， 2 7 4 5 8 - 5 9 [ 2] 于庆坤． 高分 辨地 电阻率法 在工程 中的应 用 [ J ] ． 煤 炭技术 ， 2 0 0 4 1 9 4 - 9 6 ． [ 3 ] 王素贞． 高分辨直流 电法 在矿井水文 地质探测 中的应用 [ J ] ． 江西煤炭科技 ， 2 0 0 5 3 1 7 - 1 8 ． [ 4 ] 郭剑锋 ， 李耀伟． 高分辨 电法仪在巷道超前探 测中的应用 [ J ] ． 水力采煤与管道运输 ， 2 0 0 8 1 6 4 - 6 6 ． 责任 编辑 梁郁 鑫 ． 41