直流电法技术在矿井防治水中的应用.pdf

第 7卷第 1 期 华北科技学院学报 2 0 1 0年 1 月 直流 电法技术在矿井防治水 中的应用① 李永军 ’2 ② 朱丽 李小明 1 ． 华北科技学院， 北京 东燕郊1 0 1 6 0 1 ； 2 ．中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 北京1 0 0 0 8 3 摘要 介绍了矿井直流电法超前探测技术的原理与方法， 并以晋城凤凰 山矿北翼探巷矿井直流电法探测 为例， 分析了矿井直流电法在探测巷道前方岩层富水区中的应用。通过井下探放水钻孔及实际揭露资料验 证， 该方法探测采掘工作面前方富水位置和范围是非常有效的物探方法之一， 能为井下水害预报和防治提供 可靠依据。 关键词 关键词 凤凰山矿； 直流电法； 超前探测； 富水区 中图分类号 T D 7 4 5 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 27 1 6 9 2 0 1 0 0 1 一 0 0 1 2 0 4 引言 水 害是 影 响矿 井 安 全生 产 的五 大灾 害 之 一 。在矿井开采过程 中 ， 查 明采掘 工作面前 方 及顶板富水异常区位置是煤矿安全生产亟待 解决的水 害问题 。钻探方 法准 确但速度慢 、 成 本高 ， 难 以圈定 富水 区 范 围， 且 打钻 时存 在危 险 ； 利用物探方法对煤矿水 文地质 条件进行研 究具有投 入少 ， 见 效 快、 效 率高 等特 点。近几 年 ， 井下直 流 电法探 测巷 道顶 、 底板 隔水 层厚 度、 断裂破碎 带 、 含 水 和导水 构造 等 取得 了明 显的地 质效 果 。由于岩 石 电阻 率大 小 主要取 决于空隙内的富水性 和孔隙空 间特性 ， 所 以电 阻率成象对于识别采煤工作 面 隐伏 断层 、 破碎 带、 陷落柱 ， 尤 其含 水 、 导 水破 碎带 ， 甚 至 潜在 的突水点都有明显 的地质效 果 ， 已成 为煤 矿水 害探测 的最佳选择⋯ 。 笔者在山西晋城凤凰 山矿北翼探巷超前预报 中采用了矿井直流电法探测技术 ， 对该矿北翼探 巷掘进头前方一定范围内的富水 区进行 了探测 ， 探测结果与钻探验证结果基本吻合， 取得 了良好 的应用效果。 1矿井直流 电法工作原理 J 矿井 直 流 电法属 全 空 间 电法 勘探 。它 以 煤、 岩层的导电性差异为基础， 与地面电法不 同， 在全空 间条 件下 建场 ， 在地 下巷 道 中进行 电法测量工作 ， 地 下 电流通 过布置在巷 道 内的 供 电电极 在巷 道周 围岩 层 中建 立起 全空 间稳 定 电场 ， 该稳定 电场特征取决 于巷道周 围岩石 的电性特征及其赋存状 态 ， 测 量该 电场 的变化 规律 ， 使 用全 空 间电场 理论 处 理和解 释 ， 就可 找到巷道周围岩石 中引起 电场变化 的水文 、 地 质构造等规 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 。 井下电法是把直流 电法探测技术 引用到煤 矿井下 的电阻率探测技术 ， D Z I I A防爆数字直 流电法仪 以下简称 电法仪 是井下 电法勘探 仪器 ， 也 可用 于地 面进行 电法探 测地 质 构造 。 由 9节 1 ． 8 A h锂 电池组成 5 ． 4 A h 1 0 ． 8 V电池 组 ， 逆变 电路 ， 整流滤波 电路 ， 极性变换发射 输 出 ， 单片机控制 电路 ， 接 收电路 ， 显 示、 存 储 、 通 讯等电路组成 。 电法仪的各功能板如图 1 所示， 电池输出的 直流电压经逆变升压 电路产生 7 0或 1 0 0 V的高 压， 经整流滤波、 极性变换输 出， 通过 A B供人大 地 ； 同时通过 MN接收大地 的感应信号 ， 经 A ／ D 转换器放大并转换成数字后送给单板机存入存储 器。存储器中的数据通过 R S 2 3 2串行通讯 口进 行数据交换 ； 供 电时间有可选。供 出的电流在显 示 器 匕 显示 。 ①收稿日期 2 0 0 9 0 9 - 1 2 。项目基金 “ 9 7 3 计划” 2 0 0 6 C B 2 0 2 2 0 8 ， 华北科技学院优秀人才科研启动基金 A 0 8 0 0 2 。 ②作者简介李永军 1 9 7 5一 ， 男 ， 山西永济人 ， 博 士， 中国矿业大学 北京 在 站博士后 ， 华北科技 学院副教授 ， 从事矿井 地质的 教学和研究。 1 2 第 1 期 李永军等 直流电法技术在矿井防治水中的应用 图 1电法仪的组成 2 地球物理响应特征 从 电性上分析不 同地层 的电性分布规律为 煤层电阻率值相对较高， 砂岩次之， 粘土岩类最 低。由于煤系地层 的沉积序列 比较清晰 ， 在原生 地层状态下 ， 其导电性特征在纵 向上 固定变化规 律 ， 而在横 向上相对 比较均一 。当存在构造破碎 带时 ， 如果构造不含水 ， 则其导 电性较差 ， 局部电 阻率值增高；如果构造含水 ， 由于其导电性好 ， 相 当于存在局部低 电阻率值地质体。综上所述 ， 当 断层、 裂隙和陷落柱等地质构造发育时， 无论其含 A B M N 水与否 ， 都将打破地层 电性在纵 向和横 向上的变 化规律。这种变化规律的存在 ， 为以岩石导电性 差异为物理基础的矿井直流电法探测提供了良好 的地质条件。 3 矿 井直流 电法超前探测施 工技术 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。超前探测井下施工装置示意图 如图 2所示 ； 迎 B MN移动方向 M N ～ A3 A2 A1 头 丫 、 1 ． r 1- r 丫 1 - r 1． r ／ 图 2 超前探测井下施工装置示意图 超前探测井下施工 ， 无穷远电极 固定在距离掘进 头 3 5 倍的勘探距离外 ， 在巷道掘进头附近以 一 定间距布置供 电电极 A 1 、 A 2 、 A 3 ， 各供 电电极 间距为 4 m， 测量电极 MN在巷道 内按键头所示的 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 、 A 2 、 A 3所对应 的视 电阻率 值 。依次移动 MN电极直到测量完所有测点。 4 典型 实例 本文以晋城凤凰山矿九五北翼巷掘进前方岩 层的富水性探测为实例来介绍矿井直流电法在矿 井防治水中的应用 。矿井直流电法探测采用的仪 器为煤科总院西安研究院研制生产的 Y D Z A 原型号 D ZI I A 数字直流电法仪 ， 它是我国 目 前唯一 的防爆直流电法仪 ， 曾被煤炭部列 为重点 推广的科研成果之一 。该仪器具有抗干扰 、 轻便 、 自动化程度 高等特点。数据采集 由微机控制 ， 自 动记录和存储。 4 ． 1 9 5北翼探巷概况 晋城凤凰山矿九五北翼巷沿 9号煤岩顶板掘 进， 巷道充水源主要为上部 3号煤小窑采后老塘水 及上部地层层间裂隙水下渗， 由于上覆含水比较丰 富， 且小窑已进人 9号煤层和 l 5号煤层。探巷二 掘至距九五北翼皮带巷向里 6 1 5～ 6 9 5 m范围有青 年煤矿 2个废弃井筒。由于地面为青年煤矿 已关 闭 及春城煤矿， 采掘范围不详。据调查青年煤矿 已进入 9号及 1 5号煤层。所以， 水文地质条件 比 1 3 第 7卷第 1 期 华北科技学院学报 2 0 1 0年 1 月 较复杂。为防治可能的突水事故 ， 保证巷道掘进安 全 ， 在掘进头处利用超前探测装置进行了直流电法 超前探， 探测迎头前方岩体的赋水情况。 4 ． 2 探测方案 本次探测所采用的超前探测井下施工装置如 图2所示。布置供电电极 A 1 布置在迎头附近， 电极 A l 、 A 2 、 A 3间距 4 m； 测量 电极 N布置在距 供电电极 A 1 1 4 m的位置， lV I N之间距离 4 m； 电 极 B为无穷远。探测方案如下图 3 、 图4所示。 彦 声 产 ＼ ／ 有效探测范围 一，， 一M N 移动 的方 向 笛 ， l ／ 迎头I ● ● 右邦 图3 九五北翼探巷左邦斜3 o度方向直流电法超前探测方案布置图 图4 九五北翼探巷迎头正前方直流电法超前探测方案布置图 4 ． 3 探测成果分析 本次超前探测所采用的直流电三极探测方法 采用高密度采集数据方式， 数据采集密度为 2 m 。 探测成果如下图5 。 1 5 2 O 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 O 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5 1 o 0 i雕 1 5 2 0 25 糜 一 翟黜一圆圈■ 啊 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5 量兰量墨垦兰0誊墨 昌昌昌 2撂昌器吊 ■●■■匿 [ [口工] 星 l I 图5 九五北翼探巷迎头前方 a 、 左邦斜3 o度方向 b 直流电法探测成果图 图5横坐标为超前探测距离， 纵坐标为探测角度； 不同色界代表视电阻率相对高低， 数值越小， 视电阻率越低， 富水性相对也越强。 探测结果显示 图 5 ， 在迎头正前方存在大 的低阻异常区， 即前方可能有大的含水体。前方 3 5 m左右可能是小窑采空积水 区。低阻 区电阻 率值为4 0 Q～ 4 5 Q， 为多次探测结果的最低值， 需引起注意。 左邦斜 3 0度探测方向 在探测前方前 1 7 m 段及6 2 6 4 m段， 出现视电阻率低阻区， 当采掘 到此处时， 可能会出现煤岩体潮湿、 滴水、 淋水等 现象。在 8 1 8 4 m处 ， 出现高阻异常区， 可能为 1 4 岩体松散区等。 为验证物探结果并指导巷道设计 ， 在采取相 应措施下打钻探验。朝巷道正前钻探时， 进尺到 2 0 ． 5 m处钻孑 L 出水 ， 水量在 5 0 m ／ h以上。与探 测结果基本相符， 从而避免了水害的发生， 确保了 矿井的生产安区。 5 结论 1 通过矿井直流电法在晋城凤凰 山矿九五 探巷的示范性应用 ， 证实该方法在探测掘进巷道 第 1 期 李永军等直流电法技术在矿井防治水中的应用 前方岩层富水性方面是非常有效的物探方法。能 为布置探放水钻孔位置提供依据， 并通过探放水 钻孔提前疏放异常区内裂 隙水 ， 为水害预报和防 治措施的提前制定提供可靠依据 ， 从而确保掘进 巷道安全工作 ； 2 矿井直流 电法勘探中稳定 电流场 的分布 特征有别于地面直流电法勘探 ， 由于全空间电场 分布特性 ， 当煤层顶板和底板同时存在采空区时， 识别位置困难， 需要辅助瞬变电磁法等其他物探 方法进行联合探测， 并紧密结合水文地质资料， 多 种手段并用 ， 相互取长补短 ； 3 尽可能 减少 各种 金属 物 品和水 沟 等 连 续低阻体及巷道底板干湿不匀等环境 的干扰 和影 响 ， 使其对所采 集数据 的影 响减小 到最小 程 度。 参考文献 [ 1 ] 岳建华， 刘树才． 矿井直流 电法勘探[ M] ． 徐 州 中国矿业大学出版社， 2 0 0 0 [ 2 ] 李志聃． 煤田电法勘探[ M] ． 北京 煤炭工业出 版 社 。 1 9 91 [ 3 ] 于景村 ， 李志聃． 高分辨率三极电测深法探测 煤矿突水构造[ J ] ． 煤田地质与勘探， 1 9 9 7 5 3 840 [ 4 ] 关永乾 ， 麻新堂， 蔡寒宇， 等． 矿井直流电法在 煤矿水害预测 中的应用[ J 】 ．中州煤炭， 2 0 0 7 3 7 3 7 4 [ 5 ] 李文军， 郭纯． 井下直流电法技术应用中的问 题[ J ] ． 中州煤炭， 2 o o 6 3 6 3- 6 5 [ 6 ] 侯宏亮， 苏伟， 沈秋华． 郑州矿 区井下工作面直 流电法超前探水的实践 [ J ] ． 煤炭科技， 2 0 0 7 3 8 18 3 App l i c a t i o n o f M i ne DC El e c t r i c a l M e t h o d i n Fo r e c a s t i n g M i n e W a t e r L ／Y o n g ] u n ， Z H U ， L I X i a o m i n g 1 ． N o a h C h i n a I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Y a n j i a o B e i j i n g - E a s t 1 0 1 6 0 1 ； 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o a l R e s o u r c e s a n d S a f e E x p l o i t a t i o n C U MT ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， t h e p r i n c i p l e o f mi n e DC e l e c t r i c a l me t h o d i s i n t r o d u c e d ．An d thr o u g h t h e a p p l i c a t i o n e x a mp l e s o f the Mi n e DC El e c t r i c al Me tho d d e t e c t i o n of t h e s u r v e y t u n n e l i n F e n g h u a n g s h a n Mi n e ， t h e a u t h o r a n aly s e d the a p p l i c a t i o n i n d e t e c ri n g f u l l of w a t e r a r e a b o t h a h e a d of the t u n n e l i n g a n d the roo f ．P r a c t i c e s d e mo n s t r a t e tha t t h e me tho d i s a n e ff e c t i v e me ans t o d e t e c t h e p o s i t i o n a n d e x t e n t o f mi n e wa t e r a h e a d o f t h e t u n n e l i n g a n d the r o o f ．I t als o p r o v i d e s r e l i a b l e b a s i s f o r p r e d i c t i o n an d p ro- v e n t i o n o f mi n e wa t e r d i s a s t e r s ． Ke y wo r d s F e n g h u a n g s h a n Mi n e ；Mi n e DC e l e c t r i c al me thod ；F o r e c ast i n g ；F u l l of wa t e r 8 r e a 1 5