矿井直流电法超前预报球体构造的初步理论及沙槽实验研究.pdf

2 0 0 9年第 3期 煤炭工程 矿井直流 电法超前预报球体构造的 初步理论及沙槽实验研 究 韩 光 ，庄德玉 ，田 勘 ，吴 淼 1 ．中国矿业大学 北京 机电与信息工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．中色镍业有限公司，北京1 0 0 0 5 5 摘要 针对矿井直流电法掘进超前探测技术理论发展不够完善的现状 ，建立了独头巷道掘 进面前方存在球体溶洞时的超前探测数 学模型 ，发展 了预报球体溶洞的超前探测理论 ，探讨 了溶 洞至掘进 面距离、溶洞半径、埋深等参数与视电阻率异常的联 系，给 出了相应理论 曲线或经验公 式，并采用沙槽模拟实验对理论进行验证 ，对完善超前探测的资料解释技术 ，提 高预报准确度具 有指导意义。 关键词矿井直流 电法；超前探测理论 ；沙槽模拟实验；球体溶洞 中图分类号T D 1 7 5 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 0 9 0 3 - 0 0 6 9 - 0 4 Pr i ma r y t he o r y o n t he mi ne di r e c t c ur r e nt me t h o d t o p i l o t p r e d i c t s p he r e s t r uc t ur e a nd s t ud y o n s a n t r o ug h s i mu l a t i o n e x p e r i me n t HAN G u a n g ，ZHU ANG D ey u ，T I AN J i e ，WU Mi a o ‘ 1 ． S c h o o l o f E l e c t r o me e h a n i c a l a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，B e i j i n g ，1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ． C h i n a N o n f e r r o u s M e t a l s N i c k e l C o r p o r a t i o n L t d ． ，B e ij i n g ，1 0 0 0 5 5，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e s t a t u s o f t h e n o t we l l d e v e l o p e d t h e o r y o n t h e mi n e d i r e c t c u r r e n t me t h o d p i l o t p r e d i c t i o n t e c h n o l o g y f o r mi n e r o a d wa y h e a d i n g ， t h e p a p e r e s t a b l i s h e d t h e p i l o t p r e d i c t i o n ma t h e ma t i c s mo d e l for t h e s p h e r e k a r s t c a v e a t t h e f r o n t o f t h e o n e wa y g a t e wa y h e a d i n g f a c e ． T h e p a p e r d e v e l o p e d the p i l o t p r e d i c t i o n t h e o ry t o p r e dic t t h e s p h e r e k a r s t c a v e ． Th e p a p e r d i s c u s s e d t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n the d i s t a n c e f r o m t h e s p h e r e k a r s t c a v e t o h a d i n g f a c e ． t h e r a d i u s o o f the c a v e ， d e p th h a n d t h e o t h e r p a r a me t e r s a s we l l a s t h e v i d e o r e s i s t a n c e r a t e a b n o r ma 1 ． T h e p a p e r p r o v i d e d t h e r e l e v a n t the o r e t i c a l c u r v e a n d e x p e r i me n t a l f o rm u l a ． Th e s an d t r o u g h s i mu l a t i o n t e s t wa s印 p l i e d t o v e r i f y t h e t h e o ry an d c o u l d h a v e t h e g u i d a n c e t o we l l i mp r o v e t h e i n f o rm a t i o n e x p l an a t i o n t e c h n o l o g y o f t h e p i l o t p r e d i c t i o n a n d t o i mp r o v e t h e p r e d i c t i o n a c c u r a c y ． Ke y wo r d s Mi n e d i r e c t c u r r e n t me t h o d； p i l o t s u rve y t h e o r y ； s a n d t r o u g h s i mu l a t i o ．n e x p e r i me n t ； s p h e r e k a r s t c a v e 如何有效预报矿井掘进面前方隐伏地质构造是煤炭生 产中急需解 决的问题 ，尤其是 独头 巷道 的超前 预报更 是重 大技术难题。针对此难题，国内学者研究较多的是矿井直 流电法、地质雷达法、地震勘探法中的瑞雷波、多波多分 量技术 ，几种方法各有利弊，都没有得到成熟推广⋯，本 文重点探讨矿井直流电法超前探测技术。目前直流电法超 前探测存在的最大问题是理论研究不够深入，使得资料解 释方法不够完善，造成了 “ 漏判”较少但 “ 误判”极多的 状况，久而久之井下掘进工人对勘探成果不再信任，容易 酿成重大事故。文章利用点源电流场理论 ，建立了煤矿井 下掘进面超前探测数学模型，计算 出掘进面前方存在不同 大小、不同位置的球体溶洞时视电阻率理论异常，给出了 相应曲线 ，并用沙槽模拟实验初步验证了理论的正确性。 1 矿井直流电法超前探测技术概述 矿井直流 电法超前探 测技术 是在 “ 三极 电测深 法” 基 础上发展起来 的，此方法勘探快速、简便、对水体敏感 ， 探测距离可达 6 0 m以上，目前已有大量应用实例。 通常采用 “ 球对称”原理 描述矿井直流电法超前探 测技术。在均质介质中，用测量极在巷道底板跑极测量时， 实际上是探测以供电极为球心，厚度为测量电极间距的球 壳体积范围内介质的电阻率，若供电极前方存在异常地质 收稿日期2 0 0 8 1 2 0 4 作者简介韩光 1 9 8 2一 ，男，吉林长春人，工程师，2 0 0 7年硕士毕业于中国矿业大学 北京 机电学院，现在中色 镍业有限公司工作，从事矿井超前探测技术研究工作。 6 9 煤炭工程 2 0 0 9年第 3期 构造，电流线将发生畸变，通过测量、分析由畸变所引起 的全空间视电阻率的相对变化来推断介质电性变化，进而 达到超前探测 目的。 “ 球对称”原理可以从宏观上形象的描述超前探测的基 本思路，球对称原理还不能较好的回答如下问题①整个 勘探空间内电场如何传播；②球体溶洞存在时引起何种畸 变；③如果前方溶洞大小、位置改变，所得视电阻率应该 呈现的变化；④溶洞内充满地下水和充满空气时，视电阻 率异常是会发生变化；⑤掘进面前方存在溶洞、断层、陷 落拄等不同隐伏地质构造时，视电阻率异常特性呈现的形 式 。 2 球体溶洞超前探测理论初步探讨 溶洞是煤矿井下掘进面前方经常存在的隐伏小构造 ， 如构造含水丰富，会造成发生突水事故的隐患，而地下近 乎等轴状的地质体在直流电法勘探技术 中是可以近似看作 球体进行研究的 J ，故本文探讨球体溶洞超前探测理论 以 球体存在时的全空间点源电流场理论为基础。 根据煤矿巷道实际情况 ，建立超前探测数学模型如图 1 所示。在均匀各 向同性煤层 中，有一半径为 。的球体溶 洞 ，煤层电阻率为P ，溶洞电阻率为P ；供电极 A放置在 掘进面位置且到球心的距离 A O 。 为 d ，供电电流强度为 ， ； 测量电极 M与 A点的距离为 R，与球心的距离 MO 为 。 此时，以球心 0 。 为原点 ，以 0 A为极轴，建立球坐标系， 取球心点电位为零。 p 图 1 超前探测原理数学模型示意图 根据全空间点源电流场理论，有球体存在时，球内、 球外的电位由正常电位和异常电位叠加而成，经运算 计算 过程参考文献 [ 3 ] ，可得 4 I P 仃 I F I c c o UO 4 t p 仃 , F 尺 1 而 P c 0 8 d ．y 埘 1 式中 ‘ 球 内电位 ； u ” 球外电位。 进行超前探测球体溶洞的研究时，关键是建立球体溶 洞几何特征与视电阻率P 的数学联系。首先以0点为原点 7 0 建立直角坐标系 ，0 为测量电极 M N中点，设 A O 为自变量 ，低阻球体球心在 x轴上的投影 0与供电极 A的距离 超 前探测距离 O A ，球体埋深 O 0。 h ，测量 电极 M、N 极间距为常数 b ，N O l ，LA O l M0 u，LA O l N0 x ， 令 l 2 p 2 ／ _p 1 。 根据球体构造影响下的全空间点源电流场理论，经计 算可得 p p [ 。 。 3 ， 一 { h 口 Ⅱ } h鲁嘉等 而 。 Ⅱ 0 6 耳 口 P ， ， 0 ， h ， 0 ， l 2 ， b 2 式 中 A N -AM ， l 2 p2 ／ pl 0 ， l 2 此数学模型建立起了整个勘探空间范围内视电阻率 P 。 与球体溶洞至掘进面的距离 、溶洞半径 、埋深h 、测量 电极间距 b 等参数的联系，进而建立了P 与溶洞尺寸、位 置等特性的联系。 3 重要参数与视 电阻率异常的关系 根据式 2 ，利用 MA T L A B编制计算、绘 图程序，分 别研究 o 、h 、 、 ． ， 、b各参数对理论模型异常曲线的影 响，除进行极间距 b与异常曲线关系的研究外，b皆为 4， P m in 代表低阻异常极小值 ，X m i n 代表其在坐标轴位置。 3 ． 1 球体 溶 洞至掘进 面距 离 口与 P 。 的关 系 煤层电阻率一般介于 1 0 2～1 0 6 fl m间，地下水的介 于 1 01～ 31 O 2 Q m间，故取 ， ， 0 ． O 1符合实际地质 状况。假定某半径为 2 m的低阻球体位于掘进面前方 n处、 偏下 0 ． 5 m位置，即 h0 ． 5 ， 02 ；取 0分别为 1 2 、2 0 、 2 8。 此超前探测模型的视电阻率异常曲线如图2所示。分 析曲线可得如下几点结论 1 超前探测距离 。越小，视电阻率极小值 p ； 越小， 即低阻异常越明显 。 2 P m ln 在横坐标 的位置并不能代表实际超前探测的 距离 n ，但两者间有一定对应关系，经反复试验，提出经验 公式 ；0 0 ． 8 X 一5 。 3 在井下实际超前探测工作中，为获得明显低阻异 常 ，不宜超前探测太大距离，且球体溶洞中含水越是丰富， 使用直流电法勘探效果越好。 3 ． 2 球 体溶 洞埋深 h与 P 的 关 系 假定某低阻球体位于掘进面前方 1 2 m、2 0 m位置，仍 然取 0 ． 0 1 ， 2 ，h分别为 0 ． 1 、6 、8 。此超前探测 2 0 0 9年第 3期 煤炭工程 图 2 超前探距离 。对探测 曲线影响结果 模型的视电阻率异常曲线如图3所示。由图3可知，埋深 h 变化时，对 P ； 的位置影响不如 。对其影响明显；h增大时 p ⋯值变大，视电阻率低阻异常极小值变得不明显；改变 的同时改变 n ，两参数对视电阻率异常的影响为互不干涉的 “ 叠加”效应 ；实际工作 中，在半径 。一定的条件下 ，使 用三极超前探测方法不宜勘探埋深太大的含水球体溶洞。 1 ．o0 O 0 ． 9 9 5 0．9 9 0 q 0．98 5 0 ． 9 8 0 O 50 1 O O 1 5 O 2 0 0 2 5 0 30 0 A0 ’／ m 图 3 埋 深 h对探 测曲线影 响结果 3 ． 3 球体溶洞半径 。 与 P 的关系 假定某低阻球体位于掘进面前方 1 2 m位置，仍然取 0 ． 0 1 ，此时 h3 ， 分别为 3 、4 、5 。此超前探测模型 的视电阻率异常曲线如图4所示。分析曲线可知 ，埋深 、 超前探测距离 a一定的条件下，溶洞半径 越大，视电阻 率异常极小值P 越低，低阻异常效果明显，但 。的改变， 对p ～在 x轴上出现的位置 X m in 影响不明显。 q 图4 半径 y 0 对探测曲线影响结果 3 ． 4 介质电阻率比 与 P 的关系 ，的物理意义是反映煤层电阻率与球体溶洞所含地下 水电阻率之间的关系， 越小 ， 说明煤层电阻率越大，地 下水电阻率越小。现选定 。 1 2 ， h 3 ， 。 1 ， ， 分别为 0 ． 0 1 、0 ． 2 、0 ． 5 ，视电阻率异常曲线如图 5 。曲线说明 越小，煤、水电阻率相差越大，勘探所得低阻异常效果越 明显 ，从而也从勘探原理上说明了矿井直流电法对于探测 含水丰富的小构造具有一定优势。 q q 图S 参数 n 对探测曲线影响结果 假设掘进面前方球体溶洞没有充满地下水而是充满空气 时，空气的电阻率可 以认为是无穷大，为方便运算 ，这里 。 1 0 0 0 0 。勘探结果如图6 ，视电阻率呈现出高阻异常。 图 6 高 阻球体超前探测结果 可见无论掘进前方球体溶洞含水与否，只要此溶洞整 体构造的电阻率与煤层电阻率相差足够大，皆可利用矿井 直流电超前探测方法预报隐伏地质构造。 3 ． 5 测 量 电极 间距 6与 P 的关 系 为研究测量电极 M、N的极间距变化对视 电阻率异常 的影响，假定低阻球体溶洞位于掘进面前方 1 2 m位置，取 0 ． 0 1 ，埋深 h 0 ． 5 ，溶洞半径 。 2 ，b 分别为 2 、6 、 8 ；异常曲线分别如图7 所示。由图 7 可见 ， 在其他参数不 变的条件下 ，改变 M、N极间距 b ，对异常影响不大。将曲 线放大分析 ，随着 6 的增大，视电阻率低阻异常极小值 P 会减小，异常更加明显，但其横坐标 X m i n 有向移动的趋势， 故 b不宜过大。但是如果 b 取得过小，一方面由于底板浮 煤电阻率不均匀性，将使 曲线产生锯齿跳跃 ，另一方面 b 太小也会使观测电位差发生困难 j 。 q 图7 极间距 b对探测曲线影响结果 7l 煤炭工程 2 0 0 9年第 3期 4 沙槽超前探测模拟实验 5 结论 为验证掘进面前方含球体溶洞的基本超前探测理论， 采用沙槽模拟实验进行验证，如图 8所示用金属球模拟球 体溶洞，沙槽模拟井下地质环境 ，沙槽长宽高为3 m 2 m l m，金属球距供电极 3 0 e ra，测量电极间距为4 c m。工作时 为模拟全空间环境，金属球应靠近沙槽一端并处于中心高 度位置，两供电极和两测量极与金属球中心位于同一平行 与沙槽底面的直线上。仪器为 D Z D一 6 A型多功能直流电法 仪。探测方法用三点极探测法，探测结果如图 8所示。 图 8 超前探测 3 0 c m勘探结果 实测曲线波形与理论波形形状吻合。曲线低阻异 常点处于横坐标约 4 0 e m位置，实际异常即金属球与供电极 间距离 n为3 0 c m，符合经验公式 。 一0 ． 8 一 5 ，初步 验证了矿井直流电法全空间点源电流场超前探测理论的正 确性。 上接 第6 8 1 基于全空间点源电流场理论的球体溶洞超前探测理 论经实验检验是正确的，但将其应用于实际，发展出成熟 的资料解释方法还需进一步研究。 2 视电阻率异常值P m i n 在横坐标上的位置 X m in 与超前 探测的距离 n并不相等，反映两者对应关系的经验公式为。 0 ． 8 一 5 。 3 埋深 h 、探测距离 n两参数对视电阻率异常的影响 互不干涉，溶洞半径 测量电极间距 b的改变，对p 在 横坐标上出现的位置 ； 影响不明显。 4 无论球体溶洞含水与否，只要此溶洞整体构造的电 阻率与煤层电阻率相差足够大，矿井直流电超前预报技术 皆适用。 5 研究中忽略了巷道空间对整个电场分布的影响，即 便如此，沙槽实验也完好地验证了理论的正确性，其中原 因值得进一步深入探讨。 参考文献 [ 1 ] 田劫 ，韩光 ，吴淼 ，等．矿井独头巷道掘进超前探测技术现 状 [ J ] ．煤炭科学技术 ，2 0 0 6 ，3 4 8 1 7～2 O ． [ 2 ] 程久龙 ，王玉和 ，于师建 ，等．巷道掘进 中电阻率法超前探 测原理与应用 [ J ] ．煤 田地质与勘探 ，2 0 0 0，2 8 4 6 0 62 ． [ 3 ] 傅 良魁．电法勘探教程 [ M] ．北京 地质出版社 ，1 9 8 3 ． 5 ． 责任编辑赵巧芝 图1 高密度三维地震成果剖面 右 ，左为常规三维地震成果剖面 进行采样 ，有利于室内去噪处理和改善成像效果 ，能够有 效提高地震资料的信噪比与分辨率 ，有效地提高勘探成果 的精度。从 目前应用效果来看，高密度三维地震勘探对于 复杂断裂区成像和小构造成像具有显著效果，有效地探测 到了落差为2 m的断层。但是，高密度三维地震勘探并不是 适合所有探区，需要从经济技术上综合考虑是否采用该项 技术 ，在地震地质条件好的地区采用该技术可以明显地提 高勘探精度；但是在地震地质条件复杂的地区还不宜推广 72 使用，因为地震地质条件复杂的地区首先要解决信噪比的 问题，而不是分辨率的提高。 参考文献 [ 1 ] G i j s J ． 0 ．V e r me e r ，3一D S e i s m i c S u r v e y D e s i g n ，S o c i e ty o f E x p l o r a t i o n G e o p h y s i c i s t s Tu l s a ， Ok l a h o ma，2 0 0 2 ． [ 2 ] 程增庆，廖萌，王志荣 ， 等．煤层地震反射波形成机理及特 征的模 型研究 [ C] ．岩性 勘探论文 集．北京 煤炭工业 出 版社，1 9 9 6 ． 责任编辑章新敏