浅谈井下隐伏型导水构造超前探测新技术.pdf

2 0 0 9年第 7期 煤炭工程 浅谈井下 隐伏型导水构造超前探测新技术 陈传绪，李德鹏 ，黄健 良 中国矿业大学 资源与地球科学学 院 ，江苏 徐 州2 2 1 0 0 8 摘要 重点评述 了隐伏型导水构造对煤矿水 害的影响 ，对旧有的探测方法的优缺点做 了详 细比较 ，并对当前煤矿 井下水害体的精细探测提 出了合理化建议。最后概要介绍 了井下隐伏型导 水构造精细探测的新技术 瞬变电磁 法和预报 隐伏型导水构造的地理信息 系统 G I S 技术。 关键词 煤矿水害；隐伏型导水构造 ；超前探测；瞬变电磁法；G I S技术 中图分类号 P 3 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 0 9 0 7 O 9 3 - 2 围绕煤矿水害防治的水文地质工作的核心内容就是探 测煤矿水害产生 的三大因素水源、水量和导水通道 ， 其中水源和水量的含水层及其补给和排泄条件具有区域性 和面状分布 的特点 ，往往 是易 于查 明和先 知 的 ，但 导水 通 道 断层、陷落柱、不良封闭钻孔等 具有极强的局部性和 难 以先知性 ，很多 的灾害性 突水 都来 自于对 导水通 道 的不 可预知性 ，因此研发 隐伏 型导水 构造 的精 细探查新 技术 将 成为煤矿水害 防治工作 的重 中之重 。 1 井 下隐伏 型导 水构 造对 煤矿水 害 发生 的影 响 由导水通道 的形 态可 知 ，隐伏 型导水 构造 主要 是指 矿 床充水天然通道 ，包括 点状岩 溶陷落柱 、线状断 裂 裂隙 带、窄条状隐伏露头、面状裂隙网络 局部面状隔水层变薄 或尖灭 和地震裂 隙等 。 总结近年来我 国煤矿水 害发 生 的基 本规 律 ，在矿 井 水 害发生位置方 面 ，主要发 生在 矿井采 掘巷 道 的迎 头 ，由于 掘进过程 中遇到 隐伏导 水构造 掘进前 未探 知 造 成不 同 水源 的水突入 矿井。其次 是采 煤工作 面突 水 ，主要 是 回采 过程中遇到工作面内部隐伏的点状导水构造陷落柱 、 封闭 不良钻孑 L 等和顶底板采矿扰动诱发的导水破裂带导通不 同水源水突入矿井 。其他采掘活动所引起的矿井突水灾 害较少。造成 这种现象 的主要 原 因就是井 下隐 伏型 导水 构 造精 细探 测技 术落后 ，导致不 能及 时准确 的探 测到采 掘过 程中遇到的未知隐伏导水构造。所以有必要加强对隐伏导 水构造精 细探查技 术与装备的研 发。 2 井下隐伏型导水构造现有探查方法的应用及不足 目前，国内外用于煤矿井下突水构造探测的物探方法 主要有矿井直 流电法 、无 线 电波透视 法 、音频 电透 视法及 矿井地质 雷 达法 等 。各种 方 法 的基 本 原 理 及 优 缺 点 比较 如下 2 ． 1 矿 井直流 电 法 1 基本原理 直 流电法勘探是 以煤 、岩层 的导 电性 差 异为基础 ，通过人 工 向地下 供稳定 电流 ，观测大 地 电流 场 的分布规律，从而确定岩、矿体物性 如贫、富水区域 的 分布规律或地质构造 如断层、裂隙发育区 的特征。 2 优点理论成熟、仪器简便、抗干扰能力强。 3 不足受体积效应的影响比较大；定向性差；探测 距离较小 ；工作 面 内部 煤层 及其顶 、底板 含水构 造 的探 测 精度小 。 2 ． 2无线 电波透视 法 1 基本原理 根据 电磁波 在地 下岩层 中传播 时 ，由于 各种岩层和煤层的电性 电阻率 P和介电常数 s 不同而对 电磁波的吸收不一致的原理，来探测待采工作面内的地质 异常体。在工作面的一侧向另一侧发射电磁波，当在波前 进的方向上遇到低阻异常体 如断层、陷落柱、含水裂隙 等 时，电磁波在界面上产生反射和折射作用，造成能量被 吸收或完全屏 敝 ，使信 号显 著减弱 或收 不到信 号 ，从而 形 成一个 “ 阴影 区 ” ，即为 所 要 探 测 的异 常体 的位 置 和 范 围 。 2 优点仪器轻便，便于携带，操作简单，透视距离 1 5 0～ 2 2 0 m 足以穿透整个工作面；对陷落柱的探测结果 精度很高。 3 不足 受井下工程环境 的于扰较 大；探测精度受所 探 地区的地质构 造 的影 响 大 ；难 以探 煤层 顶 、底板 内地质 异常。 2 ． 3矿 井地质 雷达 法 1 基本原理 采用高频脉 冲电磁波 定向发射 ，电磁 波 在传播 途中遇到不 同电性分 界面 或不均 匀地 质体产 生反射 回波 ，在时间域识别回波并确定其旅行时间，从而确定 界面或地质体的空间位置 。 2 优点 操作简单 、反映直观 、无损探 测 ，可在地下 实施全方位探测；定向好；探测精度较高。 3 不足探测距离有限，一般为几十米至百米左右； 收稿 日期 2 0 0 81 1 6 作者简介陈传绪 1 9 8 3一 ，男，山东菏泽人 ，现在中国矿业大学资源与地球科学学院在读地球物理学专业。 9 3 煤炭工程 2 0 0 9年第 7期 环境 的电磁场对探测结果有很大的影响。 2 ． 4 音频 电透视 法 1 基本原理 该方法是以岩石、矿石的电性差异为基 础的。其基本原理是，在井下工作面一条巷道的供电电极通 入地下的稳定 电流 ，流经不同的岩层 、矿体或地质构 造时 ， 在_T作面另一条巷道内观测到的电流场将发生变化。研究这 种 电流场的变化规律 ，便可以确定工作面底板 以下一定深度 内 约为工作面采宽的 1 ／ 2 不同地质构造的形态和规模 。 2 优点低阻反映敏感 、采集信息量和探测距离大、 频点可变、施工快捷工效较高；该方法能够探测到工作面 内部两顺槽之 间煤 层及其 顶 、底板一 定厚度 范围 内岩层 的 构造发育及富水情况 。 3 不足 只能 定性 反映 异常 区岩层 的电阻率 相 对大 小、裂隙相对发育和 富水程度 的相对强 弱 ，这种方法 定量 解释较困难；探测范围虽然比直流电法大，但仍是有限。 从上面的对比中可 以发现每种方法均有其独 到的特点 ， 在某一方面有很强的适用性，但每种方法都有其难以克服 的自身缺陷，主要体现在超前 含侧向 距离短、顶底板探 测无法准确定向、受井下工程环境影响较大等方面。 3 隐伏型导水构造精细探查新技术的发展和应用 3 ． 1 瞬变 电磁 法 瞬变 电磁法 T E M是 利 用不 接地 回线 大 回线 磁偶 源或接地回线 电偶源向地下发送一次场，在一次场的 间歇期间，测量地下介质的感应电磁场 二次场随时间的 变化，该二次场的大小及衰减快慢与地下地质体有关。根 据二次场衰减曲线特征，来分析、预测探测范围内隐伏含 水构造的发育情况。由于该方法是纯二次观测，故与其它 电性勘探方法相比，具有体积效应小 、纵横 向分辩率高、 对低阻体反映灵敏等优点。而且矿井瞬变电磁法定向性好， 可用于井下全方位探测 既可以用于掘进头前方 ，也 可以用 于巷道侧帮、煤层顶底板探测等 ，且探测距离大。 由以上的分析 ，可 以看 出，瞬变 电磁法 在井下 隐伏 型 导水构造的探测 中具有其 他物探方 法不可 比拟 的优 点 ，而 且经实际应用验证 ，采 用瞬变 电磁法在 煤矿井 下独头 巷道 进行超前探测隐伏型含水构造是有效的，可 以预见，随着 该探测方法技术 的进一步 完善 ，这种方 法在煤 矿含水 构造 探测 中将发挥重要作用 ，具有较广 阔的应用前景。 3 ． 2 预报 隐伏 型 导水构造 的地理 信息 系统技 术 已有的探测 技术 ，包括 瞬变电磁法 ，均 将 隐伏型 导水 构造孤立研究探测 ，但是煤矿水害的发生是多因素相互作 用的结果，所以应该将对隐伏型导水构造的探测置于整个 煤矿水害预测系统之下，结合各个方面资料 地震、电法与 水文地质等多源数据 ，相互补充，相互验证，以此来提高 煤矿隐伏型导水构造及水害发生的预测精确度。地理信息 系统 G I S刚好能处理这 种大量的 、空 间的、有 属性 的数 据 ，而且可方便地生成各种专题图件。 9 4 该技术运用现代先进的地理 信息 系统 G I S 知识 ，依据 煤矿生产过程中所能收集到的大量但廉价的煤层开采信息 和矿井构造分析与物探资料以及钻探成果等，采用了一套 全新的多源地学信息复合叠加研究思路，首次建立了矿井 小构造预报 的地理 信息 系统物理概 念模 型 ，总结提 出了具 体的预报工作程序和研究方法 见图 1 ，开辟了一个应用 潜力 十分广 阔的小构造预报的新 的研究领域 。 图 1 预 报隐伏型导水构造的地理信息系统 G I S 技术思路流程图 4结语 虽然井下瞬变 电磁 法在隐伏 型导水 构造超前 探测方 面 取得了较好的应用结果 ，但是由于井下环境的特殊性 既不 是半空间也不是全空间 ，结果的解释存在一定偏差。预报 隐伏型导水构造的地理信息系统 G I S 技术为综合利用各种 物探 资料和水文地质资 料进行煤 矿水 害及隐伏 型导水构 造 的预测提供了一中崭新的技术手段。 参考文献 [ 1 ] 董书宁，虎维岳．中国煤矿水害基本特征及其主要影响因素 [ J ] ．煤 田地质 与勘探 ，2 0 0 7 ，3 5 5 3 4～3 8 ． [ 2 ] 陈永新 ，李永军 ，李小 明 ．瞬变电磁法在矿井水害超前探测 中的应用[ J ] ．华北科技学院学报 ，2 0 0 8，5 1 1 7～ 2 0 ． [ 3 ] 孙吉 益．无 线 电波坑道 透视技 术地 质解析 的局 限性 [ J ] ． 河北煤炭 ，2 o o 8 ， 3 3～5 ． [ 4 ] 张根 良．音频 电透视法在 煤矿 防治 水 中的应 用 [ J ] ．河北 煤 炭 ，2 o o 7， 2 2 7～2 9 ． [ 5 ] 刘 树才 ，等．瞬 变 电磁法 在煤 矿 采 区水文 勘探 中的应 用 [ J ] ． 中国矿业 大学学报 ，2 0 0 5 ，3 5 4 4 1 5 4 1 7 ． [ 6 ] 武强 ，等．煤层底板突水脆弱性 评价 G I S与 A N N耦合技术 [ J ] ．煤炭学报 ，2 0 0 6 ，3 1 3 3 1 4～3 1 9 ． 责任编辑赵巧芝