物探技术在矿井防治水中的应用.pdf

第 44 卷增刊 煤 炭 科 学 技 术 Vol. 44Supplement 201611 月Coal Science and TechnologyNov．2016 物探技术在矿井防治水中的应用 郭子鹏 神华神东煤炭集团有限责任公司 地测公司， 陕西 神木719316 摘要 针对黄玉川煤矿的带压开采情况， 存在奥灰水突水隐患， 并且该矿煤层中断层比较发育， 发育 有陷落柱， 巷道掘进过程中必须开展巷道超前探测工作， 确保巷道安全掘进。介绍了采用直流电法、 瞬变电磁法和瑞利波法 3 种井下物探技术综合利用来解决富水区、 断层、 裂隙发育带等问题。综合应 用 3 种物探技术在黄玉川煤矿二水平辅运大巷开展工作， 探讨了综合物探技术在巷道超前探测中的 应用， 并分析了单一物探技术的局限性。通过在巷道内布置钻孔， 确定异常的性质， 说明了井下综合 物探技术在探测巷道掘进工作面前方富水异常、 断层和裂隙发育带是行之有效的， 在地质防治水工作 中发挥重要作用。 关键词 物探技术; 超前探测; 直流电法; 瞬变电磁; 地质防治水 中图分类号 P62文献标志码 B 文章编号 0253－2336 2016 S1－0184－05 Application of geophysical technology in mine water prevention Guo Zipeng Geodetic Company， Shenhua Coal Group Co．， Ltd．， Shenmu719316， China 收稿日期 2016－07－08; 责任编辑 曾康生 作者简介 郭子鹏 1980 ， 男， 内蒙古鄂尔多斯人， 硕士。Tel 15391263033， E－mail 232677634 qq. com 0引言 矿井水灾隐患是煤矿巷道掘进过程中经常遇到 的矿井致灾隐患中的最重要的 1 种。黄玉川煤矿二 水平煤层属带压开采煤层， 煤层处于奥灰水水头之 下， 且黄玉川煤矿煤层中断层比较发育， 煤层中还赋 存有陷落柱， 巷道掘进中存在潜在的较大危险。水 害隐患成为制约矿井安全生产的一个重要因素。为 了认真贯彻落实 煤矿防治水规定 ， 黄玉川煤矿执 行 “物探先行、 钻探验证、 化探跟进” 综合探测验证 制度。矿井物探技术作为 1 种矿井超前探测的方法 也被提出更高的要求， 但是单一的矿井物探方法在 巷道超前探测技术上存在一定的局限性。通过不断 的探索研究， 利用综合物探技术能够更准确地预报 巷道掘进工作面前方富水性、 地质构造等。笔者通 过对黄玉川煤矿二水平辅运大巷开展巷道超前探测 工作， 通过打钻验证及结合地质资料分析， 说明井下 综合物探技术在地质防治水工作中起到了重要的 作用。 1地质概况及地球物理特征 1. 1地质概况 二水平煤层位于太原组上部， 上覆第四系和石盒 子组地层， 至地表垂距为 240～422 m， 上覆地层较厚。 黄玉川煤矿所在区内断层较多， 对开采有影响的断层 主要为 DF5 N50E， SE∠45， H7 m; DF6 N20E， SE ∠63， H4～25 m ， DF23 N73W， SW∠65， H 8. 5 m; 有褶曲 SB2， 受其影响， 煤层顶底板较为破碎， 裂隙 较为发育。 根据 勘 探 资 料 分 析 奥 灰 承 压 水 位 标 高 为 872. 500882. 525 m， 工作面煤层底板标高为 835960 m， 北部皆低于奥灰承压水位标高， 高 差为 0～47 m， 该区域煤底板至奥灰顶界面距离为 40～60 m， 正常情况下奥灰水对掘进无影响， 但在存 在断层、 裂隙、 导水陷落柱等垂向导水通道的区域 时， 存在奥灰突水可能。 1. 2地球物理特征 从不同岩性地层的物性差异的角度来分析所关 481 郭子鹏 物探技术在矿井防治水中的应用2016 年增刊 注的地层， 可知其一般变化规律为从泥岩、 粉砂岩、 细砂岩、 中砂岩、 粗砂岩、 砾岩到煤层、 灰岩， 电阻率 值逐渐增高。 在构造发育带附近， 或者出现层位错动、 或者是 地层产生褶皱变化， 这种变化一般都伴随着一定范 围内地层裂隙发育， 从而为岩层水体的富集提供了 有利空间。一旦裂隙充水， 即相当局部出现有明显 的含水构造， 由于矿井裂隙水体的导电性良好， 在纵 向与横向上都打破了原有电性的固有变化规律。 上述物性变化的存在为以电性差异为应用前提 的直流电法、 瞬变电磁及瑞利波勘探技术的实施提 供了良好的地球物理条件。 2物探技术 物探技术经过多年的发展日趋成熟和完善， 其 在矿井地质、 矿井水文地质探查中的地位和作用越 来越明显、 越来越重要。目前黄玉川煤矿巷道超前 探测中主要使用的物探方法包括 直流电法探测技 术、 瞬变电磁 TEM 探测技术、 瑞利波探测技术。 2. 1直流电法探测技术 2. 1. 1直流电法探测技术简介 电法勘探是勘探地球物理学主要学科之一。电 法勘探是以研究地壳中各种岩石、 矿石电学性质 导电性、 介电性、 导磁性、 激电性 之间的差异为基 础， 利用电场或电磁场 天然或人工 空间和时间分 布规律来解决地质构造或寻找有用矿产的一类地球 勘探方法。 电法勘探和其他物探方法相比具有研究参数 多、 场源和装置形式多样化的特点， 因而派生出适用 于不同探查目标和不同地质地电条件的多种方法。 在实际应用中已有 20 余种， 不过到目前尚无一个统 一的分类方案。常用的分类方法是按电磁场时间特 性分类， 通常可分为 3 类， 即直流电法、 交流电法和 瞬变场法。 矿井直流电法属于直流电法勘探的范畴， 矿井 直流电法勘探将地面电法勘探技术率先引入井下， 开创了电法勘探由地面的半空间勘探到井下全空间 勘探的先河。该技术通过在井下巷道周围岩层中建 立起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， 绘制视电阻率曲线或剖面 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。该项技术在 20 多年的勘探应用中， 取得 了良好的效果， 为矿井安全生产提供了一种可靠勘 探手段， 是一种可供推广的成熟技术。 矿井直流电法勘探主要用来解决矿井的导水和 含水构造问题。由于岩石电阻率大小主要取决于孔 隙内的富水性和孔隙空间特性， 利用这种电性的差 异， 结合全空间电场理论以及相应的资料解释处理 系统， 就可以使用直流电法进行探测。 2. 1. 2直流电法探测原理 直流电法以岩、 矿石的导电性、 激发极化特性、 介电性和导磁性的差异为物质基础， 这里主要通过 岩、 矿石的导电性的差异; 通过观察和研究地壳周围 物理场 这里指电场 的变化和分布规律， 进而达到 解决地质问题的目的。 2. 2瞬变电磁探测技术 2. 2. 1瞬变电磁探测技术简介 瞬变电磁法是近年来发展很快的电法勘探分 支， 由于它是一种无损高分辨率电磁探测技术， 它利 用电导率数据成图， 可解释出地下埋藏的金属物体 及相关信息。瞬变电磁法是以地壳中岩 矿 石的 导电性与导磁性差异为主要物质基础， 根据电磁感 应原理， 利用不接地回线或接地线源向地下发送一 次脉冲磁场， 在一次脉冲磁场的间隙期间， 利用线圈 或接地电极观测二次涡流场， 并研究该场的空间与 时间分布规律。瞬变电磁法对低阻体特别灵敏， 主 要探测含水层及其富水性、 构造及其含水情况、 老窑 及其积水范围。 2. 2. 2瞬变电磁探测原理 瞬变电磁法测量装置由发射回线和接收回线 2 部分组成， 工作过程分为发射、 电磁感应和接收 3 部 分。在导电率为 σ、 导磁率为 μ 的均匀各向同性大 地表面， 敷设面积为 S 的矩形发射回线， 在发射回线 中通以阶跃电流 I， 电流断开之前， 发射电流在回线 周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场。当发 射电流突然由 I 下降到零， 根据电磁感应理论， 发射 回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场， 该磁 场称为一次磁场。一次磁场在周围传播过程中， 如 遇到地下良导电的地质体， 将在其内部激发产生感 应电流， 又称涡流或二次电流。由于二次电流随时 间变化， 因而在其周围又产生新的磁场， 称为二次磁 场。由于良导电地质体内感应电流的热损耗， 二次 磁场大致按指数规律随时间衰减， 形成瞬变磁场。 二次磁场主要来源于良导电地质体的感应电流， 因 此它包含着与地质体有关的地质信息， 二次磁场通 过接收回线观测， 并对观测的数据进行分析和处理， 581 2016 年增刊煤 炭 科 学 技 术 第 44 卷 对地下地质体的相关物理参数进行解释。 2. 3瑞利波探测技术 2. 3. 1瑞利波探测技术简介 瑞利波探测法是近年来工程地震勘探兴起的方 法之一。瑞利波的存在是 1887 年由英国物理学家 瑞利 Ｒayleigh 在理论上确定的。因当时技术条件 所限， 直到 20 世纪 60 年代后期， 随着数字计算机在 地球物理勘探领域中的应用， 对瑞利波频散特性的 研究有了较大发展。20 世纪 80 年代初日本人佐藤 以瑞利面波传播特征为基础， 研制成功了利用稳态 激振法的 GＲ－810 佐藤式全自动地下勘探机， 目前 美国和其他一些国家也在使用瑞利波法， 并在工程 地质勘探中的许多领域应用。 2. 3. 2瑞利波探测原理 瑞利波探测技术是通过采集人工地震波所携带 的地下信息来分析地层结构， 目前有 2 种方法， 一种 是面波变频探测法， 亦称稳态法， 其基本思想是利用 某一波长的瑞利波相速度来表征深度小于该波长一 半 λ/2 的地层平均剪切波速度 用 VＲ－λ/2 曲线 表示 ， 改变激振器的频率从而得到不同波长的瑞 利波， 当曲线形态发生异常， 在曲线异常处的深度上 就可能存在地质异常体或岩性界面。这种方法由于 激振器较笨重， 在某些工程场地使用困难， 特别是煤 矿井下无法采用。另一种方法是面波频谱分析法， 也叫瞬态法， 它是由震源产生一定带宽的脉冲， 通过 测线上相距震源不同距离的多个接收传感器， 把信 号采集到瑞利波仪的记录中， 利用 FFT 快速傅里叶 变换 和频谱分析技术， 通过相干函数的互功率谱 相位展开谱， 从而得到两个记录信号在不同频率下 瑞利波在传播过程中由于时滞而产生的相位差， 根 据多路不同频率信号的相位差就可计算出传播时间 和速度。由已知多个接收传感器的安装距离， 便可 求得不同频率瑞利波的相速度， 同时得到该测点的 频散曲线。由于瞬态法在理论上考虑了层状介质中 瑞利波的传播理论， 其探测精度高于稳态法。 瑞利波探测对象主要是断层、 陷落柱、 岩浆岩侵 入体等构造和地质异常体， 以及煤层厚度、 相邻巷 道、 采空区等， 探测距离有效距离为 50 m， 可进行井 下全方位超前探测。 3物探技术应用 3. 1数据采集 1 直流电法超前探测采用点电源三极装置进 行井下数据采集工作， 即固定供电电极而移动测量 电极 M、 N 的三极装置形式。直流电法超前探测井 下施工装置如图 1 所示。 图 1直流电法超前探测施工装置示意 直流电法超前探测井下施工， 无穷远电极固定 在距离掘进头 500 m 外， 在巷道掘进头附近以一定 间距布置供电电极 A1、 A2、 A3， 各供电电极间距为 4 m， 测量电极 MN 在巷道内按箭头所示的方向以一 定的间隔 4 m 移动， 每移动一次测量电极 M、 N， 测 量一次 A1、 A2、 A3 所对应的视电阻率值。依次移动 M、 N 电极直到测量完所有测点。 2 瞬变电磁法通过布置在巷道内的发射线框 在巷道周围岩层中建立起脉冲式一次电磁场， 用接 收探头观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的 二次电磁场， 通过对该二次场的空间和时间的分布 分析来认识有关地质问题。 在做井下瞬变电磁超前探测工作时， 掘进工作 面面积很小， 往往采用扇形探测技术， 如图 2 所示。 111 为线圈探测方位 图 2井下超前探测扇形测点布置示意 数据采集过程中对于每个发射点， 也可调整天线 的法线与巷道底板的夹角大小， 以探测巷道顶板、 顺层 和底板方向的围岩变化情况， 其探测方向如图3 所示。 图 3井下超前探测方向 3 瑞利波探测仪采用了瞬态法瑞利波勘探方 法， 瞬态法瑞利波勘探的工作过程是在放炮点上产 生一个瞬态冲击振动作为震源， 该震源产生一定频 率范围的瑞利波， 不同频率和振幅的瑞利波叠加在 一起向前传播， 在距震源 Δx 处的测线上， 采用纵观 681 郭子鹏 物探技术在矿井防治水中的应用2016 年增刊 测系统， 即震源和传感器排列在一条直线上， 以道间 距 Δx 为安置有两个或两个以上单分量加速度传感 器， 对于布置传感器的道间距 Δx， 理论上讲 Δx 越 大， 所接收瑞利波频谱的低频成分越丰富， 对加大勘 探深度非常有利。由于施工现场条件限制， 应视施 工现场场地大小来决定 Δx， 在施工过程中， 道间距 Δx 布置约为 50 cm 左右。震源激发点距第一个传 感器 Δx 也布置约 50 cm 左右， 如图 4 所示。 图 4瑞利波施工示意 3. 2数据处理解释 3. 2. 1直流电法数据处理解释 首先对探测所采集的原始数据进行编辑和整 理， 剔除错误和多余的数据。根据测量方法对原始 数据进行处理， 形成绘图数据文件。用绘图处理软 件进行处理， 形成探测成果图。然后判断分析异常的 大小和性质， 最后结合已知地质资料， 把电法探测出 的异常转化为地质异常。图 5 为黄玉川煤矿二水平 辅运大巷直流电法探测成果图。根据视电阻率大小 分布等值线图; 分为视电阻率低值异常区 相对富 水区 ， 相对高阻区 不富水或弱富水区 ， 其他表示 过渡区。此次直流电法施工时在掘进工作面前方共 发现 1 处视电阻率相对低值异常区， 1 号异常位于 掘进工作面前方 74－80 m 掘进工作面位置在探测 成果图 13 m 处 。 图 5二水平辅运大巷直流电法探测成果 3. 2. 2瞬变电磁数据处理解释 首先对采集的数据进行编辑和整理， 通过解释 软件形成图形文件， 用白化处理软件对图形文件进 行处理， 形成扇形平面图。 瞬变电磁超前探测预报巷道掘进前方 20～100 m 范围内水文地质异常。图 6 为黄玉川煤矿二水平 辅运大巷瞬变电磁探测成果图。此次瞬变电磁探测 巷道掘进前方顶板、 顺层、 底板方向在掘进前方 30～ 80 m 附近有一处视电阻率相对低值异常区， 命名为 ①号异常。 图 6二水平辅运大巷瞬变电磁探测结果 3. 2. 3瑞利波数据处理解释 瑞利波采用测线连续测点勘探方式施工， 在资 料处理完成后， 经瑞利波成图软件图形处理， 形成每 条测线的瑞利波剖面图， 结合地质资料绘制进行推 断， 最终形成瑞利波地质剖面图。图 7 为黄玉川煤 矿二水平辅运大巷－21 盘区联巷瑞利波探测结果 图。此次瑞利波超前探测掘进前方发现有 2 处异常 区， 其中 1 号异常位于掘进前方 24～28 m 附近， 异 常范围中等， 强度相对较弱， 2 号异常位于掘进前方 35～45 m 附近， 异常范围较大， 强度相对较强。 图 7瑞利波探测结果 4实际应用效果评价 直流电法超前探测出的 1 号异常位于掘进工作 面前方 74～80 m。通过在掘进工作面前方布置钻孔 P7－2 号， 该钻孔在巷道掘进工作面前方 79 m 处出 水， 初始水量 3. 0 m3/h， 终孔水量 21. 9 m3/h。瞬变 781 2016 年增刊煤 炭 科 学 技 术 第 44 卷 电磁法基本上也探测出了异常位置， 但纵向分辨率 不是很高。 黄玉川煤矿二水平辅运大巷－21 盘区联巷瑞利 波探测出两处异常区。通过在迎头前方布置钻孔 D3－1 号， 该钻孔在巷道掘进工作面前方 40 m 处出 水， 初始水量 4. 0 m3/h， 终孔水量 41. 0 m3/h。通过 钻孔岩屑判断及结合地质资料综合认为此处应为断 层赋存位置。 5单一物探技术评价 直流电法优点为纵向分辨能力强， 对低阻异常 体定位较精确。缺点是对后方、 前侧方信号屏蔽， 横 向分辨率较差; 防爆设备， 功率受限制， 探测深度一 般不超过 100 m。瞬变电磁优点为施工简单; 探测 时呈扇形扫描， 对前侧方异常体有反应， 横向分辨率 高。缺点是纵向分辨率差、 不能精确定位异常体; 受 金属体、 电器影响大; 浅部有盲区。 瑞利波可对煤矿井下进行全方位探测， 具有简 便、 快速、 应用范围广的优点。缺点是瑞利波的功率 密度谱分布不均， 许多频率能量大小随机干扰大， 以 致于频散曲线与理论相差太大， 常常无法利用。 6结论 通过 3 年来多种物探方法在煤矿井下巷道超前 探工作中的的应用， 得出以下几点认识。 1 单一的物探技术都有其一定的局限性， 通过 多种物探技术对同一工作面探测能够扬长避短， 更 能准确的解释各种异常体， 确定异常体的位置， 为井 下钻探施工提供靶点， 确保巷道安全掘进提供帮助。 集多种物探技术与一体的综合物探技术正在成为一 种井下物探新方法， 广泛应用于矿井井下物探。 2 任何物探技术都有其适用性， 在巷道超前探 测中， 找出最适合探测区域地质构造的方法非常 关键。 3 物探资料的解释分析很重要。由于物探技 术手段具有多解性， 这就要求物探技术人员要有很 高的业务水平及探测经验， 同时要科学运用构造发 育规律和地质分析预测方法， 综合分析、 科学推断、 去除多解， 结合地质资料判断水文地质异常区。 参考文献 ［ 1］国家煤矿安全监察局．煤矿安全规程［M］．北京 煤炭工业出版 社， 2004． ［ 2］虎维岳．矿山水害防治理论与方法［M］．北京 煤炭工业出版 社， 2005． ［ 3］王佟， 蒋泽泉．榆神府区矿井水文地质条件分类研究［J］．中 国煤炭地质， 2011， 23 1 21－24． ［ 4］虎维岳， 田干．我国煤矿水害类型及其防治对策［J］．煤炭科 学技术， 2010， 38 1 92－96． ［ 5］缪协兴， 王长申， 白海波．神东矿区煤矿水害类型及水文地质特 征分析［J］．采矿与安全工程学报， 2010， 27 4 285－291， 298． ［ 6］李貅．瞬变电磁测深的理论与应用［M］．西安 陕西科学技术 出版社， 2002． ［ 7］薛国强， 李貅， 底青云．瞬变电磁法正反演研究进展［J］．地球 物理学进展， 2008， 23 4 1165－1172． ［ 8］王益．瑞利波技术在煤矿井下超前探测中的应用 ［J］．现代 矿业， 2013 10 74－75． ［ 9］李貅， 戚志鹏， 薛国强， 等．瞬变电磁虚拟波场的三维曲面延 拓成像研究［J］．西安交通大学学报， 2010， 53 12 3005－ 3011． ［ 10］薛国强， 宋建平， 闫述， 等．瞬变电磁探测地下洞体的可行性 分析［J］．石油大学学报 自然科学版， 2004 5 135－138． ［ 11］祁晓雨， 张胜业， 石砚斌．大功率激电测深在内蒙古某铅锌矿 的应用［J］．工程地球物理学报， 2008， 5 6 719－723． ［ 12］李艳梅．直流激电测深法在石灰岩区找水中的应用［J］．地质 与物探， 2012， 30 2 29－30． ［ 13］尹金柱， 吴有信．煤矿水害防治中的综合物探技术应用［J］．矿 业安全与环保， 2011， 38 5 55－57， 61． ［ 14］付玉刚， 张宏．综合物探方法在煤矿防治水中的应用［J］．西 部探矿工程， 2012， 24 1 159－162． 881