矿井直流电法勘探技术应用与分析.pdf

2 0 1 1 年第 8 期 中州煤炭 总第 1 8 8 期 矿 井直流 电法勘探技术应 用与分 析 黄 军辉 郑煤 集团公 司 超 化煤矿 ， 河南 新 密4 5 2 3 8 5 摘要 郑煤集 团公 司超 化煤 矿应用矿用 Y D Z A 数字直流 电法仪进行老 空积水边 界 、 导水构 造破碎 带、 富水 区探 测， 指导 回采工作 面底板预 注浆加 固处理工作 ， 取得 了 良好的效果 。实践应用表 明 直 流 电法仪 勘探 方 法针对 性强， 可节 省大 量的钻探 工程， 并 能有效 防止 矿井水 害的发生。 关键词 矿井直流 电法勘探 ； 超前探测 ； 测深 ； 相对低 阻异 常 区； 防治水 中图分类号 P 6 3 1 ． 3 文献标识码 B 文章 编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 1 0 8 0 0 5 0 0 3 矿 井 直流 电法 勘探通 过 在井 下巷 道周 围岩 层 中 建立全空间的稳定人工 电场 ， 测量该电场的变化规 律 ， 求取岩层 的视电阻率 ， 绘制视 电阻率 曲线图 ， 从 而 达到 了解 巷道 周 围岩层 中的导水 和 含水 构造 的 目 的⋯ 。为了科学有效地进行水 害防治 ， 超化煤矿应 用矿用 Y D Z A 数字直流电法仪 ， 采用直 流电法三 极 超前 探 、 三极 测深 及 四极 测 深 技 术 进行 了大 量 的 勘探工作 ， 取得了良好效果。 1 基本 方法 1 ． 1超 前探 测 超 前 探测 主要 为 三 极超 前 探 测 ， 应 用 于掘 进 工 作面 ， 探测巷道前方含水断层和富水 区范围， 其探测 距离不超过 8 0 IT I 。施 工方法 布置供 电极 A 、 A 、 A ， 间距 4 1 1 3 ， B为无 穷远极 ， 放线 直线距离不小于 3 0 0 1T I ， 接收极 、 Ⅳ间距 2～ 6 n “l ， M、 N交替移动， 进 行 测量 。理论上 、 Ⅳ 电极 间距 2 m测 量 密度 大 ， 探 测 准确 率 高 ， 但 在实 际应 用 当 中发 现 、 Ⅳ 间距太 小 则 容易 受 到环境 干扰 ， 而 、 Ⅳ间距 6 m则 测点 密度 低 ， 因此现在普遍采用 、 Ⅳ间距 4 m， 既提高 了测 量时的抗干扰性 ， 又兼顾了测点密度 ， 达到了最佳的 探 测效 果 图 1 。 I i ． ． 一 一 一 一 一 ． 一 一 一 一 ． ． ． ． 量 Al A 2 A 3 M Ⅳ M ‘ Ⅳ’ 图 1 三极超前探施工布置示意 1 ． 2 测 深 测 深 法 有 三极 测 深 和 对称 四极 测 深 ， 探测 距 离 收稿 日期 2 0 1 1 0 4 2 2 作者简介 黄军辉 1 9 7 5 一 ， 男 ， 河南 郾城人 ， 助 理工程 师 ， 1 9 9 6年 毕业 于河南 省化工 学校 ， 现从事 地质及 防治水工作 。 5 O 均不超过 8 0 m， 主要用于巷道底板破碎带 ， 隐伏构 造及顶、 底板 ， 侧帮富水区的探测。①进行三极测深 图 2 时， 接收极 、 Ⅳ固定不动 ， 间距 8／ 1 “1 ， B为无 穷远极 ， 放线直线距 离同样不小 于 3 0 0 m， A为发射 极 ， 距接 收极 M 或 Ⅳ4 m， 按 A ， 、 A 、 A ， ⋯ 间距 4 m依 次进行跑极 ， 进行视 电阻率的观测 。②对称 四极测 深 图 3 是 在巷道 中以 A、 B为 发射 极 ， M、 Ⅳ为 接 收 极 ， 在测量过程 中， A、 B分别 以 4 m为间距逐渐增大 供电电极间距 ， 、 Ⅳ分别以 I n l 为间距逐渐增 大接 收电极问距 ， 对应的垂直勘探深度将不断增大。 图 2 三极 测深 施工布置示意 ． 4 IT I 4 m ． r_ - i ■叩■ ‘ 一A j lf O Ⅳ 口 图 3对 称 四极 测 深 施 工 布 置 示 意 需说 明 的是 ， 进 行 测深 施 工 时 ， 根 据 探 测 顶 板 、 底板或侧帮异常体 的不 同， 要相应地将电极打在巷 底 、 巷顶 或侧 帮上 。三极 测 深 对 地 下 地 电异 常体 的 电性响应最强 ， 其异常分辨率 比对称装置高， 施工时 基本可达到无盲 区， 适用于较短巷道 内施工。但 由 于是单点供电， 所以测量信号较弱， 探测深度相对较 浅。四极测深 的优点是采集到的信号强 、 信噪 比高 ， 探测能力强 ； 缺点是施工时存在较长的探测盲区。 2 应用实例 2 0 0 5年 ， 郑煤集 团超化煤矿应用矿用 Y D Z A 数字直流电法仪进行老空积水边界 、 导水构造破碎 带 、 富水 区探 测 ， 指导 采面底 板 加 固工 作 。 2 0 1 1年第 8期 黄 军辉 矿 井直流 电法 勘探 技术 应用 与分 析 总第 1 8 8期 2 ． 1 复采 工作 面掘进 期 间超前 探测 老空 积水 边界 超化矿 2 1 0 5 2工作 面全 区位 于原 2 1 0 5 1综 采 面 采空区内， 根据工作面及四邻的水文地质条件分析 ， 2 1 0 5 2工作面内不存在 大面积 的老空积水 ， 但不能 排 除局 部存在 少 量老 空积 水的可 能 。超化 矿 防治水 部 门提出了对 2 1 0 5 2运输巷、 回风巷先以直 流电法 超 前探 找 出巷道 前 方 的相 对 低 阻 异 常 区 ， 确 定是 否 存 在 老空积水 ， 从 而进 行 有 针 对 性 的钻 探 验 证 。如 图 4所示 ， 回风巷 掘进 面前 方 6 4 m 范 围内无相 对低 阻异常区 ， 经分析无须进行钻探 ， 可继续掘进。 g 4 氲3 2 嚣 1 0 画苴 1 2 熊 超前探测距离， m 图 4 2 1 0 5 2回风巷第 3回次直流电法超前探测 曲线 如 图 5所 示 ， 运 输 巷 掘 进 面 前 方 1 5～1 8 m、 4 7 ～ 5 5 m段 为相对低阻异常区， 但经分析 ， 前一处相 对低 阻异 常 区可 能 为底 板 抬 升 所致 ， 后一 处 相 对 低 阻 区可 能为积 水边 界 ， 前方 可能有 老空 积水 ， 随后 进 行了钻探 ， 钻进 至后一处低 阻区时放 出约 5 0 m ／ h 的老空积水 。由于使用 了勘探手段 ， 使 2 1 0 5 2工作 面掘 进期 间钻 探 的工 程 量 大 大减 少 ， 节省 了钻 探 时 问 、 人力 和物 力 ， 并 缓解 了采 掘接 替 紧张 的局面 。 吕 窝 图 5 2 1 0 5 2运输巷第 6回次直流电法超前探测 曲线 2 ． 2岩巷 掘进 中超前 探 测导水 构造 破碎 带 、 富水 区 对岩 巷 或 煤巷 掘 进工 作 面而 言 ， 通 过先 施 工 直 流 电法 超前 探 ， 可发 现 前 方 发 育 的地 质 构 造 异 常 或 底 板 富水 区 。 在 超化 矿 3 1胶带 下 山 、 3 1轨 道下 山 的掘进 中 ， 主要施 工层 位 为 L 7 _ 8 灰 岩 ， 其 水 压在 3 ． 0 MP a以上 ， 施 工 中有 约 1 0 m ／ h的底 板 涌水 ， 随着 掘进 的深人 ， 底板水有增大的趋势 ， 且如果掘进中误揭断层 ， 则有 可能会造成突水 ， 经研究决定先对 3 1下山进行预注 浆堵水 ， 再进行掘进。根据直流 电法勘探 结果 ， 对 3 1 下 山施 工前方 的低 阻 区进 行超 前 预 注 浆 治理 ， 有 效治理底板 L 1 一 灰水， 并防止了断层突水 。 超化 矿 2 3 0 7 1 A 工 作 面 掘 进 切 巷 时 ， 在 下 切 口 处向南进行了超前探测 ， 发现下切 口南 1 8～ 2 2 m段 为一处相对低阻区 图 6 ， 分析可能有导水构造存 在 ， 经施工探巷证实 ， 此区域发育 1条落差达 5 0 1T I 的导 水 断层 ， 据 此 工作 面切 巷 向 西 迁 5 0 m 预 留 了 4 0 m 的安 全煤 柱 ， 工作 面安 全 回采 。 童 嫠 熏 图 6 2 3 0 7 1 A切巷直流电法超前探测 曲线 2 ． 3 在 采面预 注 浆加 固 中的指导 及验 证作 用 在超化矿 ， 对于底板承压水水压小于 3 MP a的 回采工作面， 如 2 1 0 9 1 东工作面， 利用直流电法勘探 进行底板测深 ， 仅对勘探成果显示 的相对低阻异常 区进行钻探验证及注浆 治理 ， 既有效地 防治 了底 板 突水 ， 又减 少 了底板 注浆 治理 的钻 孔工 程量 和费 用 。 当 回采工作 面 底板 承 压 水水 压 大 于 3 M P a时 ， 在 对 底 板进 行金 面 预注 浆 加 固 的 同 时 ， 将 勘 探 成 果 显 示 的低阻区作为重点治理对象， 极大地 提高 了防治水 工作成效。如 2 2 1 0 1工作面， 工作 面底板充水含 水 层 主要 有 石 炭 系 L L 、 L 薄 层灰 岩岩 溶 裂 隙 含 水 层 和奥 陶系 中统 马家 沟组 0 m 厚 层 灰岩岩 溶 裂 隙含水层。底板直接充水含水层 灰岩含水层通 过 断裂 带与 下 伏 C t 、 L 灰 岩 ， 甚 至 0 m 灰 岩 发 生 水力联系时， 会对二 煤层开采造成较大影响。 2 2 1 0 1 工作面贯通后 ， 对此工作 面实施 了直 流 电法测 深探 查 ， 工 作 面西部 1 0 0 m采 用三 极测 深 ， 东 部 采用 对称 四极 测 深 。勘 探 最 小 测 深 6 IT ／ ， 最 大 测 深 4 5 1T I 图 7 、 图 8 。 从图 7可以看 出， 巷道底板中深部低阻区较多 ， 且部分电阻率较低 ， 应为底板较为富水所致。从 图 8可 以看 出， 东段 阻值 较高 ， 低阻 区主要分 布在 中 段 ， 且中深部阻值小于 4 0 n m的区段较多， 可见 中 段 底板 富水性 较强 。 结合直流电法勘探结果 ， 对 2 2 1 0 1工作面进行 底板注浆以改造 L L 、 L I _3 灰岩含水层 ， 将勘探结 果中显示的构造破碎带和岩溶裂隙等导水通道作为 重点治理对象 ， 以期达到预防 0 m灰岩水 突水的最 终 目的 。 注浆加 固结 束 后 ， 重 新 以 电法 测 深 对 2 2 1 0 1工 51 ． 2 0 1 1 年第 8 期 中州煤炭 总第 1 8 8 期 作面底板的富水性进行了探查 ， 通过 比较发现 ， 视电 阻率整体较原来提高 了 2 05 0 n 1／ 1 ， 特别是低 阻 异常区有 明显的增大。2 2 1 0 1工作面在底板带压条 件下安全 回采 ， 带来了可观的经济效益和社会效益。 图 7 2 2 1 0 1回风巷直流 电法探 测剖面 图 8 2 2 1 0 1运输巷直流 电法探 测剖面 3施工注意事项 1 在干扰信号较强时 如 电车开动 、 胶 带及 刮板输送机运转 、 附近变压器工作等带来的 电场干 扰 ， 需避开此时或此地进行测量 。另外 ， 电极要安 设牢固， 并尽量远离巷道中的铁轨 、 胶带架 子、 刮板 机槽、 工字钢等金属干扰物。 2 发射电流较小 小于 3 0 m A 时 ， 应 检查发 射 电极是否接地良好 ， 若巷底过于干燥 ， 则需在电极 周 围浇水 。 3 发射 电极应安设在 比较潮 湿的地方 ， 但 是 一 定要注意电极不能被地面 的水导通 ， 发射 电极导 通会使发射电极没有距离差别 ， 接收 电极导通会使 测量电压值偏小。 4 在施工前要注意检查 电线是否绝缘 ， 避免 线路漏 电 。 4资料分析解释 1 成 果剖 面采 用 的 是视 电 阻率 梯 度 比值 处 理 结果 ， 数值 的高低反映的是相对 电性变化情况 ， 不代 表地层介质的真实电阻率。 2 成果剖面上“ 低阻” 数值 的高低预示了前方 介质含水性的强弱 ， 但这种关系并不是绝对 的比例 关系 ， 而是与整个工作 区域 的背景值有关 ， 分析时要 引 入“ 相 对 ” 的概 念 。 3 直流电法超前探测成果 对前方界面的变化 反映明显 ， 但当异常的规模较大时， 成果剖面可能只 ． 5 2 ． 反映进入异常体位置和穿出异常体位置。 4 含水导水构造异 常在成果 剖面上呈现 “ 低 阻” 反映， 包括前方断层导水 、 陷落柱、 老空积水区、 地层裂隙水等 ； 空洞 、 干燥破碎带呈现“ 高阻” 反映， 因此资料解释时对异常区判断具有多解性 ， 这需要 紧密结合地质及水文地质资料 ， 作出具体 的分析 ， 才 能 得 出理想 的结 果 。 5 结 语 目前 ， 郑煤集团公 司在 回采工作面的水 害评价 中， 已将直流电法勘探结果作为一项衡量底板含水 层是否具有突水性 的一项重要指标 ， 如工作面存在 相对低阻异常区， 则必须采取相应的防治水措施 ， 以 保证工作面正常 回采 。如工作面在 回采前不对底板 施 工直 流 电法探 测 ， 则 不 予验 收通过 。 可 以看出， 井下直流电法勘探是一种实用性 、 经 验 性很 强 的行之 有 效 的矿井 防 治水 技 术 ， 其 自身 有 一 定的弱点， 在应用实践中还需不断探索规律 ， 改进 工艺方法 ， 使该技术能更好地服务于煤矿 的防治水 工 作 。 参考文献 [ 1 ] 王秀明． 应用地球物理方法 原理[ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 0． [ 2 ] 侯宏亮 ， 苏伟 ， 沈秋华 ． 郑 州矿 区太灰水 患及井 下直 流电法 探 测技术研究[ J ] ． 能源技 术与管理 ， 2 0 0 7 6 8 2 - 8 4 ． 责任编辑 梁郁鑫