井下直流电法在掘进工作面超前探测中的应用.pdf

第3 1 卷 专 辑 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 3 年8 月 井 下 直 流 电法 在 掘 进 工 作 面 超 前 探 测 中 的应 用 王国华，杨居友，于景泉 开 滦 集 团 有 限责任公 司 唐 山矿 业分公 司 ，河北 唐 山o 6 3 o 0 o 摘要 阐述 了矿 井直流 电法 的工作 原理 、解释方 法，应用过程 中的探 测方法 、步骤及 应用 效果。 关键词 井下直流 电法 ；探 测 ；应用 中图分类 号 T D1 7 5 文献标识 码 B 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 0 3 S O一0 0 4 20 4 Ap pl i c a t i on o f m i ne DC c ur r e nt me t ho d t o pi l o t pr o bi ng i n mi ni ng g a t e wa y e x c a v a t i on’ f a c e W ANG Gu o h u a，YANG J u y o u，YU J i n g q u a n T a n g s h a n C o a l Mi n i n g B r a n c h， Ka i l u a n G r o u p C o r p ．1_ g 1 ． ，T a ngs h a n 0 6 3 0 0 0，C h i n a 唐 山矿业分公 司 T ． 4 5 1工作 面开采 5煤层 ，位 于原京 山铁路煤 柱铁 一 区南 部 ，北 与 T ． 3 5 4、8 4 5 5 已采 相 邻 ，南 为 本 煤 层 未 采 掘 区域 ，东 部 与 T ． 3 5 0甲边 眼相邻 ，位 于一小 向斜轴部 附近 。 在 T ． 4 5 1工作 面运输巷顺煤 层掘进 过程 中 ，掘 进工作 面前 方发生煤层缺 失 、出现顶板 破碎岩石等 地质异 常 现象 ，分 析 推 断 为类 似 陷落 柱地 质异 常 体 ，但该 异常体 的分 布范 围、上下联 通情况及富水 性强 弱不明 ，为了保 证巷道安全 掘进和矿井 的生产 安 全 ，本着先物探后 钻探 ，以物探 手段确定 异常体 性 质 、位置后 ，再应用有效 手段进行 防治水 。本 次 对 T ． 4 5 1巷道异常 附近进行 井下 电法超前 探测 。 本次探 测的地质任务 是 1 探 测 T 。 4 5 1巷道工 作 面前方 6 0 m 内地 质 异常 体的含水 、导水 构造发育情况 、分布范 围及其 具 体位置 。 2 在 9煤层 已知 巷道 T ． 3 9 0泄水道侧 向探测 上述构造异 常往下 的延伸情 况及其分布形 态。 1方 法原 理 概 述 矿井 直流 电法属全 空间 电法勘探 。它 以岩石 的 电性 差异为基础 ，在全空间条件 下建 场 ，使用全空 间电场理论处理 和解释有关矿井 地质问题 。矿井 电 法通常采用对称 四极和三极装 置进行测量 。在本 次 井下施工过程 中，应用三极 装置对井下 电性 变化进 行超前和测 深 。 与地 面电法不 同 ，井 下 电测深是 以全空间 电场 分布 理论 为基 础 。在 地 下巷 道 中进 行 电 法测 量 工 42 作 ，地下 电流通过布置在巷道 内的供 电极在巷道周 围岩层 中建立起全空 间稳定 电场 ，该稳定场特 征取 决 于巷 道周 围岩石 的电性 特征及其赋存状 态。 一 般地 ，煤矿井 下巷道顶 、底板 和煤层 是 由电 性 不同的层状介 质组 成 ，对于二层 和三层 水平层状 介 质组成 的简单地 电模型 ，点 电源在全空间 中的电 位表达式可 用镜像 法求解 ，对 于如图 1 所 示的地 电 模 型 ，通 常采用全空 间拉普拉 斯方程 的方法 ，建立 多层水平层 状介质 的电位 表达式 。 己 2 P2 己 3 忍P3 Zi l Ul j z i pl ● Z l ‘ 己 图 1 井下多层水平层状介质地 电模 型 设第 i 分层为煤 层 ，电阻率为 ，顶 、底板 由 不同 电阻率 水平介 质 组成 ，而 p 。 和 p 层 厚 度 为无 限大 ，点源 A置于 p f 层 中 ，选取 点 A为坐标原点 ， 各 电性层 电位 函数 表 达式 可 写 成 不 考 虑 巷道 影 响时 。[ c q e x p 一A a q e x p 一A z b q e x p A z ] J o Ar d A 1 式 中 口 ，b ，c 与 地 层 参 数 有 关 的 待 定 系 数 ，可 由边界条件求取 ； 维普资讯 第3 1 卷 专 辑 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 3 年8 月 第 层点源在第 层的电位 ； r 偶极距 ； ， l_一 供电 电流 ； _ ， 0 电流密度 ； A 系数 ； z 深度 ； 供 电极 A在 p 介质 中 ，i 1 ，2 ，⋯ r t ； j ．-观测点 P在 p 介 质 中，J 1 ，2 ，⋯ r t 。 对于 图 2所示 的 3层 地 电断面 ，椐 式 1 可 求得在 p 。 顶 板 和 p ， 底板 介 质 中的 电位 函 数 。 。 P点在顶板 和 ， P点在底 板 ，其 表 达式 为 l h ’ Z 图 2 井下3层介质地 电断面 顶板 4 ,tr l ／ r 2 z 2 1 ／ 2 2 n 1 h [ r2 。 一 z ] J 式 中n 层数 ； h 第 1 层厚度 ； 第 i 层介质对第 J 层介质的反射系数。 底板 U3 3 { 1／ r2 z2 v2 K 12 - l 3 [ ／ ．2 2 n1 1一z ] J 把顶底板 电位值 代入视 电阻率计算 公式 ，就可 很容易地得 到探 测方 向上视 电阻率 的变化 。对 于 4 层 以上 多层介 质 ，有类似 的电位表达式 。 2 井下直流 电法探测方法方法 、仪器选择、 探 测 工 作 布置 2 ． 1 井下直流 电法探测 方法的选择 根据本次 井下直流 电法勘探 的任 务 ，结合煤矿 井下实际地质情况 ，为确保 T 。 4 5 1 巷道的安全掘进 和矿井 的生产安全 ，拟采 用 T 。 4 5 1巷道 掘进工 作面 供 电极点 A 。 、A 、A ， 三点 一三极 超前探测法和在 9 煤层 T 。 3 9 0泄水 巷 道 内侧 帮使 用 三极 侧 帮 超前 探 测法进行 电法超前探测工 作 ，井下 工作 布置如 图 3 所示 。 2 Z ≥ ． 1 ． 1 工作面 ⋯一三极 测深 点 ⋯ 一超 前探 测 点 A3 A2 AI 图3井下电法工作布置示意 2 ． 2井下直流 电法探测仪器选择 本 次井下 直流 电法 探测选 择 的仪 器 是 D ZI I 数字 直流 电法仪 。 2 ． 3 T ， 4 5 1巷道工作面超 前探测 一 般 在 巷 道 掘 进 工 作 面 以 一 定 间 隔 布 置 A 、 A 、A ，三个供 电 电极 ，测 量 电极 MN在 巷 道 内按 键头所示方 向以一 定间隔移动 ，每移 动一 次测量 电 极 MN，测量一次 A 、A 、A ，所对 应 的 电阻率 p 。 、 p 、p 3 值 。测量 电极 MN的 间距根 据地质任 务和勘 探的详细程度而定，同时也要考虑信噪比的大小。 超前 探测井下施工方法 如图 4所示 。 顶 板 工作 面 二兰 星 底 板 图4 T ． 4 5 1井下超前探测施工布置 本次井下 电法超 前 探 测选 定 MN3 ． 0 m，这 样就可 以探测到跨度 ≥1 ． 5 m 的低 阻异 常构造 。 由 于 D ZI I 型数字直流 电法仪 的最 大供 电电流为 1 3 0 m A，限定 了超 前探 测 的距 离不 可 能很 大 。根 据 近 几年 的实 际应用 ，探 测深度一般在 5 01 0 0 m。 2 ． 4 T 3 9 0侧 帮超前 探测 井下 三极侧帮探测装 置如 图 5所示 。 巷道o 。 A 底板 ” X 图5 T 。 3 9 0井下三极探测装置 示意 三极探 测装置 以 MN的 中点为记录 点 ，以一定 的间隔 移 动供 电 电极 A，另一 个 电极 放 到 “ 无 穷 远”处。根据勘探地质任务要求确定最大极距的 43 维普资讯 第3 1 卷 专 辑 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 3 年8 月 长度，同时也要考虑井下施工方便和可能，最大极 距一般不小 于预定勘 探深度 的 2倍 。最 小极距视浮 煤厚度 和巷道 顶 、底 板岩石破碎程 度而定 。测量 电 极 MN的选择要考虑有效信号和干扰信 号的强弱 ， 供 电电极 A的移动 间隔应尽 可能小 。 在 9煤 层巷 道 侧 帮南 侧 1 0 8 m范 围 内布置 了 1 2个侧 帮探测 点 ，测点 间距 9 m。在 5煤层工作 面 后方 3 2 m范 围内 ，布置测点 6个 ，测点 间距 6 m。 通过井下 侧 帮 探 测 可 搞 清侧 帮 4 0 m 内构 造 含 水 异常 的分布形态 。 3资料解释 井下 电法超前探测 所采集 的数据经计 算机处理 后 ，得到供 电电极 A。 、A 、A ，所对 应 的 A、 、c 三组 曲线 。通 过各 个 掘进 工 作 面 A、 、c组 第 3 条 曲线 的跟 踪对 比 ，可确定 电性 异常范 围和离掘进 工作 面的距 离 。对 于三极测 深 ，可形成视 电阻率低 阻异 常断面 图，通过对 断面 图的分析可确定 异常区 域 的位置和性质 。 3 ． 1井下 3点 一三极直流 电法超前 探测 井下直流 电法超前探测数据 采集 完成后 ，经矿 井 电法专用软件 处理后可得如 图 6所 示的井下 电法 超前探测 成果 图。 本 次井 下超前探测 A。 、A 和 A ，电极 分别 布置 在工作 面后方 3 m、6 m和 9 m 的巷道侧 帮 。从 图 6中可以看出掘进工作面前方存在 2个低阻异常区 段，① 第一个物探异常区段位于工作面前方 9 ． 5 m 附近 ，宽约 1 0 m；② 第二个物探异区段位于前方 2 0～2 4 ． 5 m 附近 ；在 这 2个 物探 异 常 区段 中 ，以 ①号异常区的异常幅度较大，②号异常区较小 。 异 常起 始边 界 宽 约 l O m 图 6井下 直流 电 法超前 探 测成果 在工作 面后方巷道 内有约 2 m 的异 常区 ，结 合 已知地质资料，推断工作面前方①号 一2～ 9 ． 5 m为明显异常区，宽约 1 0 m；②号 2 0～2 4 ． 5 m 为较 小异常 区，宽约 4 ． 5 m。 3 ． 2井下侧 帮三极探测 井 下侧帮三极探测数 据经井下 电法专用软件处 理后可得 图 7所示 的 5煤 层 、5煤层 煤南侧 视 电阻 率低 阻异常剖 面图。从 图 中可 以看 出 5煤 层煤 南 侧 5～ 9号点 2 0 m以内，存在一低阻异常区，可能 是小断层影 响所致 ，同时也说 明该处顶板砂 岩层 段 内存在局部 含水 ；在 5 ． 5～1 0号点间 ，距 5煤层 巷 道 3 0 m 以远存在一 不规 则 圆形低 阻异 常 区 ，东西 长约4 5 m，南北宽大于 4 0 m 。其中部视电阻率相 对较高，周围视电阻率较低。 5煤层侧帮电测资料表明，在靠近工作面的 1 号点附近 ，存在一低阻异常区长约 4 0 m，与 5煤 层巷道揭露 的地质异常体位置吻合 。 9 煤层 南侧 帮超 前探 测结 果 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 图7 5煤层、9煤层侧帮视 电阻率低阻异常平面 维普资讯 第3 1 卷 专 辑 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 3 年8 月 范 各 庄 矿 水 平 大 巷 受压 变 形 损 坏 分 析 及 治 理 李艳国，于景泉 开滦精煤股份有限公司 范各庄矿业分公司，河北 唐山o 6 3 1 o 9 摘要 对开 滦范各庄矿 业分公 司二水平大巷 受压 变形损 坏情况进行 了分析 ，找 出了原 因，提 出 了 治理措施 。 关键 词 水 平巷 ；变形损坏 分析 ；治理措施 中图分类号 T D 3 5 3 文献标识码 B 文章编号 0 2 5 32 3 3 6 2 0 0 3 S o一 0 0 4 50 2 Anal y s i s a nd c o nt r o l o f pr e s s ur i z e d de f or m a t i on 僦 l ur e i n m i ne r o adwa y o f Fa ng e z hua ng M i ne L I Ya h - g u o．YU J i n g - q u a r t F a n g e z h u a n g C o a l Mi n i n g B r a n c h， K a i l u a n G r o u p C o r p ．L t d ．，T a n g s h a n 0 6 3 1 0 9，C h i n a 1 概 况 范各庄矿业 分公 司煤层埋 藏 较 深 ，赋存 有 5 、 7、8 、9、1 1 、1 2等 煤 层 ，为 近距 离 煤 层 群 开 采 。 开拓方式 为立井多水平集 中运输大巷集 中上山分区 石 门的开拓 方式 ，矿井划 分为 4个开采水平 ，一水 平 已接近收尾 ，二水 平为主要开采水平 。该矿运输 大巷均布置在 1 2煤层底板砂 岩中 ，距 1 2煤 层法线 距离 2 5米 。现 一 水 平 大巷 状 况 良好 。二 水 平 甲、 乙大巷 随着 开 采深 度 的增 加 ，大 巷变 形 越 来 越严 重 ，尤其 自井 口保护煤柱 至南 三石 门 ，均有不同程 度 的变 形 损坏 ，主 要 表 现 为上 顶 掉 渣 、掉 块 、开 裂 、两帮挤压 向外 凸起 ，断 面变 小等 现象 。因此 ， 保证 行人行车安全 ，对 甲、乙大巷 变形 损坏情况进 行分析及治理是非 常必要 的 。 2 甲、乙大巷变形 损坏 调 查情况 见 表 1 、2 表 1 甲巷变形损坏位置与采掘活动关系 结合 已知 地 质 资料 、5煤 层 侧 帮探 测 结果 、5 煤层 帮探 测结 果 、5煤层 工作 面超前探 测结 果综 合 分析 ，推断该异 常可 能为类 似 陷落 柱地 质异 常体 。 从电性分析认为 ，其含水性相对较差。 4结 论 通 过 对 5煤 层侧 帮 、9煤层 侧 帮 、5煤 层工作 面超前探 测结果 的分析 和解 释 ，可得如下结论 。 1 在 5煤 层 掘 进工 作 面 前方 存 在 两组 低 阻 异 常段 ，分 别 位 于 工 作 面 前 方 一29 ． 5 m ① 号 、2 0 2 4 ． 5 m ② 号 。推断 工作 面前 方① 号 和②号异常为明显构造或裂隙发育区段 ，其中①号 异常较大 。 2 5煤层侧 帮 、9煤 层侧 帮探测 表 明 ，在探 测范围内发现一处视电阻率低阻异常区，在 5煤层 5 ． 51 0号点 间 ，距 5煤 层 巷道 约 3 0 m存 在 一 不 规则 圆形低 阻 异 常 区 ，东 西 长约 4 5 m，南 北 宽 大 于 4 0 m，推断该异常可能为类似陷落柱地质异常 体 ，含水性相对较差 。根据钻探证实其含水性差。 作者简介王 国华 1 9 6 4一 ，男 ，河北丰润人 ，高 级工程 师，现在开滦 集团有限公司唐山矿业分公司地测科工作。 收稿 日期2 0 0 30 5一o 8 ；责任编辑王宗禹 4 5 维普资讯