资源整合矿井综合方法超前物探技术应用研究.pdf

第2 8 卷 7 期 2 0 1 6年 7月 中国煤炭地质 COAL GEOLOGY OF CHI NA Vo 1 ．28 I 1 ． 0 7 J u 1 ． 2 0 1 6 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ． i s s n ． 1 6 7 4 1 8 0 3 ． 2 0 1 6 ． 0 7 ． 1 3 文章编号 1 6 7 4 - 1 8 0 3 2 0 1 6 0 7 0 0 5 8 0 3 资源整合矿井综合方法超前物探技术应用研究 郝宇军 晋煤集团技术研究院， 山西 晋城 0 4 8 0 0 0 摘 要 某资源整合矿井， 可开采煤层为3 、 9 、 1 5 ， 3 煤层已属于老窑破坏区， 9 煤可采范围内也存在多处采空区， 1 5 煤比较完整。为安全开采9 煤层 ， 在该矿首采1 作面轨道顺槽采用了矿井瞬变电磁法 、 矿井直流电法、 矿井地震波 法一种厅法进行超前探测 其中横 、 纵向上的瞬变电磁超前探测结果表明， 巷道迎头前方4 5 n l 之外仔在低于2 5 n 1 3 1 的低阻异常； 直流电法超前探测在稍远处也显示了一低阻为2 0 ～ 4 0Q I l l 的异常 ； 同时矿井地震波法超前探测在 迎头3 0 ～ 4 5 il l 处存在一强反射界面 ， 综合解释为迎头前方存在采空积水区。经矿方钻探验证 ， 钻进至迎头正前力 ‘ 4 5 m及垂直右帮6 5 m处均有出水现象 ， 出水量达 1 0 IT I ／ h ， 经水质分析为采空区水 ， _口 丁 见综合探测结果 实际揭露 基本吻合。 关键词 资源整合矿井； 采空区； 超前探测 ； 瞬变电磁法； 直流电法 ； 地震法 中图分 类号 P 6 3 1 文献标 识码 A 0 前 言 了分析， 有效解决了对地质异常探查问题。 由于对资源整合前的开采情况不明及采空 区调 查不详等 ， 部分资源整合矿井存在许 多致灾隐患 ， 其 中采空 区积水 是矿井安全 生产的首要危 险源 。因 此 ， 对采空 区及积水情况 的准确探查 就成为资源整 合 矿井要解 决的主要 问题” 。 目前 ， 国内广 泛采用 矿井 电法进行超前探测 ， 但 由于该方法对现场干扰 比较敏感 、 误报率高 ， 因此需要采用多种方法组合探 测 ， 以便相互 印证 ， 有效探测地质异常 。本文以某资 源整合矿井为例 ， 介绍 了资源整合矿井综合物探的 方法选择 、 方案设计 、 施T方法 ， 并对典型案例进行 作者 简 介 郝 宁 军 1 9 8 1 m ， 男 ， 山西 晋城 人 ，L程 师 ， 1 - 程 硕 士 ， 2 叭4 年毕 业 于太原理 j 大学 ， 现在晋 煤集 团技术研 究 院 从事科研1 作 。 收稿 日期 2 0 1 6 0 3 0 8 责任编辑 孙 常长 1矿 井概 况 某资源整合矿井 ， 由多个地方小煤矿整合而成 ， 批准开采 3 ～1 5 煤层 ， 3 煤层属于古空及老窑破坏 区， 已无法正常布置 回采 作断 ， 9 煤可采范 内存 在多处采空区及老窑破坏 区， 1 5 煤 比较完整。先期 开采 9 煤层 ， 该煤层平均厚度 1 ． 8 4 l I 1 ， 倾角 6。 ～8。 ， 结构较简单 。因井 田周边生产矿井较多 ， 且已开采 多年 ， 已形成大片采空区 ， 为消除其对矿井安伞生产 的危 害。在 该矿首采 1 作 面轨道顺槽掘进 至 1 1 5 2 I n 时采用综合物探方案进行超前探测 。现场探测条 件为巷道锚杆 、 锚网支护 ， 巷高 2 ． 2 m， 巷宽 3 ． 6 I I 1 ， 沿 倾角 5。 上 山掘进 。迎 头有 3 5 0 m i l l 厚 的浮煤 ， 综{ I}} { 机距 迎 头 7 ． 5 m。 一 ～ 一 一 一 一 一 一 一 一 ～ 一 一 ～ 一 ～ 一 一 一 一 一 ． 一 ． 一 一 一 ～一～～一一一一一 一 一 ～一一一一一一一 ～ ～ 一 一一一一～一一～一 一 一 一 一一一一～一一一一 一 M _耋 _室 一 三三一 _薹．⋯_墓 ～ 一 一一一一一～一～～～一 叫 一 ‰ ～ 一一一一一一一一～一 星 ．～～ 一 ～ 一一一一～～一一一一 7 期 郝字军 资源整合矿井综合方法超前物探技术应用研究 5 9 2 矿井瞬变电磁法 2 ． 1施工 方 法 矿井瞬变电磁法采用重叠 回线装置 ， 线 圈大小 2 n l ， 发射 电流 3 ． 2 A。在迎头正前方分别进行横 向 探测与纵向探测方 向， 横 向探测方 向为从左 帮至右 帮 0 o～1 8 0。 ， 纵 向探 测方 向为 从底 板 至 顶 板 9 0。 一 9 O。 ， 每间隔 1 5。 布置一个测点 ， 探测深度 为 1 0 0 m， 如 图 1 所示。 ／ ， ， 纵 向 ＼ ／ 一 一， 一 - ‘ ， ／ ， ， ， 一 一 一 } ● 一 I 一 一 ／ ／ 二 1 f ～二 ／掘 ＼ ／ 图 1矿井瞬变 电磁 法施 工示意图 F i g u r e 1 A s c h e ma t i c di a g r a m o f mi n e TEM o p e r a t i o n 2 ． 2处理解释 由矿井 瞬变 电磁 场倍 数现象口 可知 ， 瞬变 电磁 场是介 于全空间和半空间之间 ， 与半空 间瞬变电磁 场的一些参数存在倍数关系 ， 因此矿井瞬变 电磁数 据解释可以采用地面半空 间瞬变电磁的方法来进行 解释， 但对某些参数需进行修正 。 。。。 数据处理方法采用 “ 烟 圈效应 r ’ 解释 ， 烟 圈垂 直运动速度为 {c l c [1 C 2 C 1 式 1 是在均匀的半空间中， 电磁场沿发射 回线 中心垂直方向的扩展速度 ， 利用求得的不同时刻的 视 电阻率值 ， 换算出不同深度的视电阻率值。 矿井井下导电介质 的不均匀分布 ， 与均匀介质 相 比， 也满足麦克斯韦方程组同 ， 磁场在发射中心处 的扩散速度与均匀介质相 比存在一定的比例关系。 卢 { C l c 2 l／z [1 C -c ／] } 2 式 2 中， 为转换常数 。早期“ 烟圈” 运 动速度 与介质的电导率成反比， 因此 ， 高阻介质中“ 烟圈” 向 下运动速度大于低阻介质 中运动速度 ， 采用该数据 处理方法盲 区较大 ， 等值线易出现交叉现象。 巷道掘进方向探测的瞬变电磁探测数据为联合 反演中瞬变电磁 的观测数据 ， 通过数据处理软件 ， 将 原始数据转换为联合反演程序可用 的数据 ， 按照数 据处理流程 图2 可将数据反演为最终的深度一视 电阻率文件 ， 使用 s u f e r 软件将 图形进行处理 即可得 到最终超前探测成果图 图 3 。 数 数 据 ◆ 据 ◆ 时 ■- - 深 ● 输 转 预 深 度 出 处 转 校 图 换 换 正 形 理 图 2 瞬变 电磁数据处理流程 Fi g u r e 2 TEM d a t a p r o c e s s i n g f l o w 由图3 可知 ， 在巷道迎头的正前方 、 右帮及顶板 处 ， 均发现低阻异常区。 3 矿井直流 电法 3 ． 1施工 方 法 矿 井直 流 电法 采用 三极探 测装 置 ， 供 电 电极 A ， A ， A 间距为4 m， 测量电极M、 N间距为4 m， 供电 电极 A 距掘进头 约 1 4 m， 测量 电极 M、 N移动次数 3 0 次 ， 每组 M、 N测量 电极对应 3 个供 电电极 A 。 ， A ， A ， 共 计 9 0 个 测点数据 ， 探测深 度为 1 0 0 m， 如 图4 所示 。 3 ． 2处理解释 直流电法超前探测数据处理方法采用有限差分 法 ， 即网格法 。将需要 解释区域采用数学方法离 散成若 干正方形 的网格 ， 用 网格节点参数值表征 电 场空间分布， 用电位函数来近似代替该点偏导素， 得 到一个关于网格节点电位值的高阶线性方程组， 据 此可以算出网格节点上的场参数值。利用集合交汇 原理 ， 可以得 出视 电阻分布 图 图 5 。由图可 以发 现迎头前方 5 5 m处有一低阻值带。 4 矿 井地震 波法 4 ． 1施工方法 矿井地震波法 MS P 采用锤击震 源 ， 锤击激发 点与检波器点均布置于巷道右帮 ， 采用三分量检波 器， 现场布置将 1 三分量检波器布置于迎头退后2 2 m位置 ， 2 三分量检波器布置 于迎头退后 2 0 m位置 ， 偏移距 采用 2 m， 锤击点 间距采用 1 m， 有效探测距 离为 8 0 m 图6 。 4 ． 2处理解释 采用能量分解与合成、 波场分离、 深度偏移等处 理技术 ， 对采用巷道多次覆盖观测 系统采集数据 ， 进 行不同界面波阻抗差异计算， 以获取巷道不同方位 78 中国 煤 炭地 质 第2 8 卷 标准体系。 标准体系构成包括 ， 1 数据描述标准 ， 包括各 种地理数据与信息的分类和编码 ， 基础地质数据信 息编码 ， 地层 、 岩石 、 构造等专业描述标准， 3 D ／ 4 D 地 质模型标准等 。 2 存储处理标准 ， 包括字符编码 、 数 据格式 、 多媒体信息标准 、 数据库和数据集成标准 等 。 3 信息交换共享标 准 ， 包 括数据交换 、 通信协 议 、 检索标准 、 加密 、 数字签名 、 水印 、 认证标准 、 语义 共享标准等。 4 J] E 务标准 ， 包括元数据标准 、 网络服 务标准 、 空间信息服务标准等。 5 系统维护管理标 准 ， 包括更新 、 备份 、 恢复等技术标准。 4 结语 当前， 大数据技术的广泛而深入应用 ， 并由此驱 动信息化发展与服务创新， 信息服务系统构建与系 列化的标准制定是实现地质大数据应用与服务 的关 键， 一方面， 需要充分运用大数据技术和云计算等信 息化手段 ， 以地质资料与数据信息资源为核心 ， 进一 步加强基于大数据环境下的地质数据资料的数据组 织与管理 ， 增强数据分析能力 ， 提升主动服务经济社 会发展需求的能力 ， 使地质调查工作进入地球科学 与大数据融合 的新时代 。另一方 面 ， 建立完善标准 体系 ， 制定有关技术标准 ， 按照规范对地质资料数据 进行整合集成和深度加工 ， 构建地质资料信息服务 平 台， 对海量多源异构 的地质资料和数据统一存储 、 管理和共享， 实现地质资料信息多元化 、 信息化、 知 识化和智能化服务 ， 面向社会提供高水平服务 。 参考文献 [ 1 ] 李 国杰 ， 程学 旗． 大数据 的研究 现状与科 学思考 【 J 1 ． 中国科学 院院 刊， 2 0 1 2 ， 2 7 6 ． [ 2 ] 朱月 霞 ， 侯建 光． 基于 大数据 的地 质数据存 储与管理研 究． 江 苏省 测 绘地理信息学会 2 0 1 4 年 学术 年会论文集 ， 2 0 1 4 ． 【 3 ] 王登红， 刘新星 ， 刘丽君． 地质大数据的特点发其在成矿规律 、 成 矿系列研究中的应用『J 】 _ 矿床地质， 2 0 1 5 ， 3 4 6 ． 『 4 ] 颜世强， 王黔驹 ， 丁克永 ， 等． 地质资料信息服务集群化产业化的 理论与实践【 M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 1 4 ． [ 5 ] 黄少芳， 刘晓鸿． 基于大数据的地质资料档案信息化与服务【 J 1 ． 资 源产业 ， 2 0 1 5 ， 1 7 6 ． 【 6 】 黄 少芳 ， 刘 晓鸿． 大数 据时代 地质 资料信 息化发 展探讨 ⋯． 中围 土资源经济 ， 2 0 1 3， 1 0 ． 上接第 6 0 页 根据 图7 矿井地震波法超前探测成果 图可 以看 出， 在迎头3 O ～ 4 5 m位置形成强反射界面， 解释为 地质异常。 结合地质勘探 与矿井开采资料 ， 推断迎头前方 的异常区为采空区积水区。 后经矿方钻探验证 ， 在巷道正前方 4 5 m附近钻 孔 出水 ， 垂直右 帮钻孔 6 5 m出水 ， 出水量为 1 0 1 T I ／ h ， 水质化验分析为采空区水。 本次矿井采 空区积水综合勘探说 明 ， 矿井瞬变 电磁对异常 区探 测范围和位置反映较好 ， 矿井直流 电法 、 矿井地震波法对掘进前方异常探测位置与实 际揭露位置基本吻合 。 6 结 论 本次资源整合矿井采用综合物探 ， 获得 了很好 的应用效果 ， 该实例说 明综合探测方法在解决采空 区积水方面具有 以下优势。 ① 矿井 瞬变 电磁法具有较其他方法更 为灵活 、 针对性强 的施工方案设计 ， 可以根据矿井 的探测需 求做到定制施工， 且对低阻异常高度敏感， 在探水方 面优势 明显 。但“ 烟 圈” 效应 明显 ， 探测结果 因受巷 道金属构件的干扰存在多解性 。 ②矿井直流电法施工方法简单， 对低阻异常和 高阻异常比较敏感， 但其成果图反映信息有局限性 ， 可作为补充手段佐证探测结果的可靠性。 ③矿井地震波法作为近年来发展起来的超前探 测新技术， 具有施工简单， 抗干扰能力强， 尤其对地 质构造 、 采空区界面探测具有明显优势 ， 结果直观 。 ④联合物探方法是今后矿井超前探测 的发展方 向， 多种方法的应用可相互验证 和弥补短项 ， 增强 了 解释结果的可靠性 。 对于井下超前探测 ， 不同的物探方法组合可 以 适用于不同的探测 目的和地质条件 。资源整合矿井 由于其 自身 的复杂性 ， 建议采用综合物探方法 ， 地质 条件简单 ， 无采空区威胁矿井可以采用 电法探测 ， 对 于构造探测可以采用矿井地震法。 参考文献 [ 1 ] 石君华． 综合物探技术在山西某整合矿井的 用【 J 1 ． 中国煤炭地质 2 0 1 2 ， 2 4 1 0 ． [ 2 】 王 长青 ， 祝西里． 瞬变 电磁场[ M] ． 北京 北京 大学出版社 ， 2 0 1 l [ 3 ] 梁庆华 ． 矿井 全空 I- 1 4 线 圈瞬变 电磁探测 技术 及应用研 究[ D1 ． 中 南大学 ， 2 0 1 2 ． [ 4 ] 马延君 ， 孟 明． 瞬 变电磁法在 矿井水 害预测 防治 中的应用I J 1 ． 【 业 技术 2 0 1 3 ． [ 5 】 王大设 ， 汪志军 ， 刘 盛东 ， 等． 基于烟 圈效应 的 1 1 点超前 探观测 系 统设计【 J ] ． 煤田地质与勘探 ， 2 0 1 1 ． [ 6 ] 刘 天佑 ． 地球物理勘探概论【 M] ， 北京 ． 地质出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 7 】 岳建华， 刘志新． 井一 地 维电阻率成像技术『 J I _ 地球物理学进展 ， 2 o o 5 ． [ 8 】 陆基孟地 震勘探原理 第■版 【 M】 ． 北京 石油大学出版利 ．