申家庄煤矿巷道掘进超前探测研究.pdf

第 2 5 卷第 5期 2 0 0 4年 1 0 月 建 井 技 术 MI NE C0NS TRUCT1 0N TECHNOI Y Vo 1 ． 2 5 NO ． 5 0c t ． 2 O O 4 试验研究 申家庄煤矿巷道掘进超前探测研究 李世峰， 金瞰昆， 杨怀敏， 张学东 河北建筑科技学院， 河北 邯郸． 0 5 6 0 0 3 摘 要 全空间与半空间相结合， 用电法三极装置超前探测断层， 用单点供电电 压分布来控制工业电流造成的视电阻率畸变， 并采用形态解释法对物探 曲线进行解 释， 预测掘进工作面前方是否有断层等地质构造。申家庄煤矿用该方法成功地探测 出了巷道掘进工作面前方2 4 ． 5 m和2 6 ． 1 r n处的两条平行断层。简要介绍了超前探 测原理及物探 曲线的解释方法。 关键词 巷道； 超前探测； 视电阻率； 三极装置 中图分 类 号 P 6 3 1 ． 3 文献 标识 码 A 文章编 号 1 0 0 2 6 0 2 9 2 0 0 4 0 5 - 0 0 1 8 0 3 申家庄煤矿位于河北省南部 ， 现开采 2 号 煤， 煤层平均厚度 4 m。煤层顶底板为砂质泥 岩和粉砂岩。新采区运输大巷沿 2号煤上部 掘进， 巷道高度 3 m。为查清前方是否存在断 层， 减少因地质情况不明带来的经济损失， 在 开拓巷道掘进工作面采用电法物探超前探测。 物探工作 区在巷道 内。该巷道较长， 全 部采用锚喷支护， 基本能满足布线要求。巷 道中间有铁轨， 两侧有积水， 帮上有电缆、 水 管、 通风带等， 使物探工作受到一定的限制。 l 探测方法 由于巷道内全部为岩石 ， 电极难以打入， 故预先设 汁好电极位置， 用凿岩机预先 打好 眼 眼深 4 0 0 m m 左右 ， 在眼内放入粘土并 捣实； 然后将电极打入眼内， 使其产生较小的 电极电位。 在井下进行物探工作， 干扰因素较多， 如 地电干扰， 铁轨、 巷道浮煤、 巷道积水干扰等。 为了尽可能减少干扰， 采取提高供电电压、 供 收稿 日期2 0 0 3 1 1 1 0 电电极布置与铁轨平行、 重复测量等方法 ， 每 个测量极距点都重复观测 ， 观测值相对误差 不超过 2 。 为了施工方便及尽可能减小电极电位 的影响 ， 利 用 D D J 一 1型多功 能激 电仪 ， 采 用三极探 测装置 见 图 1 进 行物探测 量。 供 电极 A设在掘进工作面 ， 另一端 B设在 距掘进 工作面 2 5 0 r n处 相 当于无 穷远 。 保持电极 A、 B固定不动， 逐点同时移动测 量电极 MN， 并保持其间距为 5 r n ， 移动点 距 5 r n ， 从掘进 工作面开始 向外逐点 探测 ， 从而达到探测 目的。 图 1 探测装置示意 2 探测原理 在测点上通过扩大供电极距来探测地质 维普资讯 第 5 期 李世峰等 申家庄煤矿巷道掘进超前探测研究 体在垂向上的结构变化特征。如图 1 所示 当 装置沿巷道向左移动时， O A距离逐渐增大， 也就是探测的深度在加大。对于点电源场， 当 周围介质均匀时， 具有球对称性。为简便起 见， 其下半球电场分布用图2 表示。在三维空 间中， A点供电， 供电电流强度为 I ， 形成以A 点为中心的电场。其电场强度的分布与探测 点 到供电点 A的距离有着密切关系。在巷 道内探测时， 若极距 O A大于 5 m， 也就是大于 巷道的宽度和高度时， 巷道内的空气介质空间 对电流密度的分布影响就比较小 ， 可认为电 流是全空间 分布的。若极距 O A小于 3 m， 也就是小于巷道的宽度和高度时， 巷道内的空 气介质对电流密度的分布影响就比较大， 一般 认为空气的电阻是无穷大， 电流密度为半空间 分布。极距 O A在 3 ～5 m之间时为过渡带。 即便如此， 电流的分布仍以沿巷道走向 A B 轴线 垂直方向占主导地位， 其剖面见图 3 。 也就是说， 在均质介质中， 用测量极距 MN对 任意一点 0进行探测时， 实际上是探测以A 点为球心， A O为半径， 厚度为 MN的球壳体 积的介质电阻率。根据球对称原理， 在MO N Ⅳ 图2 探测原理立体示意 MOf N A’ l MON ● 图 3 探测原理剖面示意 处探测， 等同于探测对称供电点前方的MO N处的结构体的电性变化。依此类推， 可以 达到超前探测 目的。 3 资料整理与解释 为排除地形、 铁轨、 煤层的影响， 首先在 同一极距上对测量数据进行筛选， 将出现次 数最多的电位差值作为采用值。 并用下式计 算视电阻率 是 式中 为视电阻率， Qm； k为装置系数， k 2 丁 c ； △ V 为测 量 电压 ， mV； △ I 为供电电流， mA； A M、 AN分别为供电点 到两测量点的距离 ， m； MN为测量电极之 间的距离， m。然后对计算结果采用滤波 法进行修正。对巷道因积水影响而减少的 值采用对比法修正， 即在同一岩层内， 有 水与无水同时测量， 经多组数据统计后计 算出修正系数， 再将有水时的 值乘以相 应的修正系数后得到真实的 lD 值。上述 工作完成后， 以水平距离 和点号为横坐 标， 以相邻点修正后的电位和视电阻率为 纵坐标绘制出电阻率、 电位曲线 见图 4 ， 该图可以反映出超前不同位置的电位值和 视电阻率的变化。 图4 电阻率、 电位曲线 物探曲线解释， 不能只单纯地看绝对电 阻率数据； 要根据曲线类型， 综合考虑地层特 征、 含水性、 影响因素等特点进行分析， 也就 维普资讯 2 O 建 井 技 术 2 0 0 4 年第 2 5 卷 是采用“ 形态解释法l 3 _ ，’ 。 由图4 可见， 4 号点前的 曲线比较平缓， 略呈下降趋势； 到 5 号时发生了突变； 5 49 号点 之间的曲线与4号点之前的曲线类型相似， 只 是电阻率大小有所变化； 到9 号点附近出现局 部低值异常后， 又变为按4 5 。 斜率上升的规则曲 线； 说明在探测范围内存在两种地质结构。前 者在4 号和5 号点之间变化明显， 曲线呈“ 台 阶” 状， 且变化前后比较规则， 具有典型的断层 结构电性反映， 解释为断层， 其位置在掘进工作 面前方 2 5 m处， 高 值分布区为脆性岩层。由 于断层两盘岩性不同， 电流密度分布也有所差 异。至于断层的性质， 仅靠单根曲线不好判明。 根据井田构造发育规律和地层沉积特征， 结合 已揭露和探测的断层性质， 分析为正断层， 倾向 西。后者在9 号和1 O号点之间电阻值局部偏 低的原因是煤层与岩层的过渡带氧化造成了电 子导体增多， 导电性能增强。1 O 号点以后曲线 未出现拐点， 呈现峰值趋势异常， 分析为电流线 反复穿越倾斜的煤层所致。 起始穿越位置 初见 煤层的位置 在掘进工作面前方 4 8 m处。此范 围已超出探测的精度范围， 误差相对较大， 有待 于进一步验证。 仅根据P 曲线来解释地层结构难免会 出现偏差， 下面再用 △ V曲线加以佐证。 3 号点附近为 △ V曲线高值异常区， 是 探测时有钻机在施工引起的异常反应 ， 可以 不予考虑。9号点位置出现次高值异常点， 是氧化带内电位差减小， 电位增高所致， 与前 面的 曲线解释是一致的。 4 结 语 物探结束后， 巷道继续向前掘进． 分别在 原掘进工作面前方 2 4 ． 5 m 和 2 6 ． 1 m处发现 两条平行断层， 其性质与物探结论基本一致。 遇到断层后因煤层断失， 修改了巷道掘进设 计。原掘进工作面前方 4 8 m处的煤层未能 得到验证。 井下物探， 干扰因素较多， 所采集数据的 准确程度是影响物探结论准确性 的关键 ， 得 当的数据处理方法是正确解释的前提。不能 单纯靠测试数据来判断地质条件， 还要用相 对的形态解释方法， 客观地进行分析， 方能达 到预期 目的。 [ 参考文献] [ 1 ] 长春地质学院．水文地质工程地质物探教程[ M] ．北 京 地质出版社 ， 1 9 8 0 ． [ 2 ] 储绍良．矿井应用物探[ M] ．北京 煤炭工业出版社， 1 9 95 ． [ 3 ] 李树文， 郝 旭， 金瞰昆 ．激电异常的形态解释方法及 应用研究[ J ] ．地质与勘探 ， 2 0 0 1 ， 1 ． 作 者 简 介 李世峰 1 9 6 3一 ， 男 ， 硕士 ， 高级工程师。1 9 9 0 年毕业 于华北水利水电学院地质系． 现从事物探及地质方面的教 学与研究工作， 已发表论文 1 6篇。 上接 1 7页 6 经济效益 煤仓仓身改用锚网钢筋喷射混凝土支护 后， 取得 了很 好的经济效益 节省模板木材 6 5 m { ， 节省钢材 2 ． 5 t ， 节省混凝土 9 O m { ， 且提前 1 个月完工。此外， 预埋 1 条 1 8 ． 5 m长的8时 钢管通风， 省去1 条3 0 m长的立眼通风巷道， 节 资1 0 余万元。煤仓投入使用后， 未出现开裂和 变形现象， 完全能满足生产需要。 7 结 语 锚网钢筋喷射混凝土支护是软岩煤仓的一 种极为有效的支护方式； 对于简化施工工艺， 加 快工程进度， 降低造价， 减轻劳动强度具有明显 的效果； 在类似地层条件下有推广价值。 作 者 简 介 廖万生 1 9 6 3 ， 男， 工程师。1 9 8 2年毕业于江西煤 校， 1 9 9 0年毕业于淮南矿业学 院 函授 ， 现从事矿井开拓 延深技术工作， 发表过多篇论文。 维普资讯