综合物探在掘进巷道前方水害体探测中的应用.pdf

煤 炭 科 技 7 6 C0AL S CI ENCE TECHNOLOGY MAGAZ I NE 2 0 1 1 年第 3 期 No ．3 2 01 1 文章编号 1 0 0 8 3 7 3 1 2 0 1 1 0 3 0 0 7 6 0 3 综合物探在掘进巷道前方水害体探测中的应用 范三阳 ， 王传勇 ， 王明耀 ， 祝云飞 1 ． 山东省朝 阳矿业有限公司 朝阳煤矿 ，山东滕州2 7 7 0 0 0 ；2 ． 福建华虹智能科技开发有限公司，福建 福州3 5 0 0 0 0 摘要 朝阳煤矿 3 2 0 5通道在掘进过程中即将遇到凫山支断层， 为了查明断层位置、 赋水和 导水情况， 采用了矿井瞬变电磁法和震波超前探测法 M S P 相结合的方法进行探测。通过 井下探放水 钻孔及 实 际揭露 资料验 证， 该 方法在巷道掘进 前方超前探 测 中应用效果 较好， 能为巷道 的安全掘进提供较可靠 的地质资料 。 关键词 矿井瞬变电磁法； 震波超前探测法； 超前预报 中图分类号 P 6 2 文献标志码 B 朝 阳煤矿 3 2 0 5通道在掘进过程 中即将遇到凫 山支断层 ， 该 断层落差为 3 0 0 m左右 。 由于施工巷道 底部距奥灰仅 1 0 0 多米， 受断层影响， 奥灰的顶部可 能会高于施工巷道 1 0 0多米 ，而奥陶纪灰岩的富水 性较强 ， 同时断层容易形成导水通道 ， 进而影响巷道 的正常掘进 。 为查 明 3 2 0 5通道迎头前方凫 山支断层 的位置及其富水情况，该矿采用了矿井瞬变电磁法 和震波超前探测法相结合的探测方法。 1 探测原理 1 ． 1 瞬变电磁探测原理 瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。其探测原 理是 在发送回线上供一个电流脉冲方波， 在方波后 沿下降的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一 3 局部 断层 附近 区域 ， 一般情况 下 ， 压性 、 压 扭性断层的两侧突出危险性增大。主要原因是 由于 在高 围岩应力区域 ， 采掘活动 突然破坏 了原岩的应 力平衡， 加上断层部位岩体的强度大大降低 ， 瓦斯 快速解吸， 导致突出发生。 据多年的生产统计， 落差 O ． 5 m的断层 ， 在断层两边 1 0 m范围； 0 ． 5～1 m落 差 的断层 ， 在其两边 2 0 m范 围； 落差 1 ～2 r n断层 ， 在其两边 3 0 m范围， 突出危险性均较大。 4 局部褶 曲轴线两侧 ，特别是呈封 闭型的背 斜或向斜轴部 ， 其轴线两边 3 O一5 0 m范 围瓦斯含量 相对富集， 突出危险性较大。 次磁场 ， 在一次磁场的激励下， 地质体将产生涡流， 其大小取决于地质体的导电程度 ， 在一次场消失后 ， 该涡流不会立 即消失 ， 它将有一个过渡f 衰减 过程 。 该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向工作面传 播 ， 由接收回线接收二次磁场， 该二次磁场 的变化将 反映地质体的电性分布情况。如按不同的延迟时间 测量二次感生 电动势 v t ， 就得到了二次磁场随时 间衰减的特性 曲线 。 良导体不存在时， 将观测到快速 衰减的过渡过程； 存在良导体时， 由于电源切断的一 瞬间， 在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断， 所观测到的过渡过程衰变速度将变慢 ，从而发现导 体的存在。瞬变电磁场在大地中主要以“ 烟圈” 扩散 形式传播 ， 在这一过程中 ， 电磁能量直接在导电介质 中传播而消耗 ， 由于趋肤效应 ， 高频部分主要集 中在 5 局部煤层产状及赋存变化区域。如煤层走 向、 倾向及倾角变化， 煤层变厚， 特别是构造煤增厚区 突出危险I生 较大。一般隋况下煤厚变化达 4 0 ％以上， 构造煤厚达 1 5 0 m m以上的区段突出危险I生较大。 作者简 介 吴斌 1 9 5 7 -- ， 男 ， 重庆 綦江 人 ， 1 9 8 0年 毕 业于重庆煤炭工业学校矿井地质专业， 1 9 8 9年毕业于河南 焦作矿业学院瓦斯地 质研 究生班 ， 松 藻煤 电公 司瓦斯地 质研 究院工程师。 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 1 2 2 2 0 1 1 年第 3 期 范 三阳 等 综 合 物 探 在 掘 进 巷 道前 方 水害 体 探测 中 的 应 用 7 7 地表附近， 且其分布范围是源下面的局部 ， 较低频部 分传播到深处， 且分布范围逐渐扩大。 1 ． 2 MS P探测原理 矿井震波超前探测 MS P ， 是应用地震波在传 播过程中遇到不均匀地质体f 存在波阻抗差异 时会 发生反射 的原理 ， 结合巷道的特点 ， 设计研制 的沿巷 道后方布置震源和传感器来探测巷道前方地质条件 和水文地质条件的观测系统。震波是由特定位置进 行小型爆破产生的 ， 爆破点一般是沿巷道左 右 帮平 行洞底成直线排列 ，这样 由人工制造一系列有规则 排列的轻微震源 ， 形成地震断面。 这些震源发 出的地 震波在遇到地层层面 、 节理面 、 特别是断裂破碎界面 和溶洞、 暗河、 岩溶陷落柱、 淤泥带等不良界面时， 将 产生反射波。 发点炮孔布置在巷 道右帮 ，总共 2 4炮 ， 检波点 2 个， 分别为 c 、 c ， 两个检波传感器 C 、 C 都布置在 右帮，其中c 。 传感器距离 P 拼 号炮点 1 5 in ， C 距迎 头 P 。 点 6 8 ． 9 5 113 。检波传感器及炮T L J I 序和方位如 图 1 所示。炮点 l 一2 4布置在右帮，设计炮间距 2 m。现场测量炮间距 ， 后续计算 以实 际距离计算。 图 1 3 2 0 5通道迎 头超前探测布置示意 本次探测于 2 0 1 1 年 1月 1 4 E t 完成现场数据采 集任务 ， 数据采集时设计 2 4炮 ， 废炮数为 3炮 ， 所 以 总共采集到 2 1 炮有效数据。 2 现场探测布置及信号采集 3 数据处理及结果解析 2 ． 1 瞬变 电磁法 2 ． 1 ． 1 工作装置的现场布置 根据多匝小 回线发射电磁场的方向性 ，可认 为 线框平面的法线方向即为瞬变电磁探测方向。 因此 ， 将发射、 接收线框平面对准迎头前方进行探测， 便可 反映迎头前方的地质异常。根据这个原理结合本次 探测的目的，对迎头超前探测时可将重叠回线装置 平行于巷道迎头 ， 使线框平面的法线与迎头垂直 ； 对 顶板和底板进行探测时可沿煤层将线框与迎头顺层 方向倾斜一定 的角度 ，确保线框平面的法线指向巷 道顶底板 。 2 ． 1 ． 2 探测 区域及 完成工作量 探测区域为 3 2 0 5 通道当日 迎头，共布置 1 1 个 测点 ， 每个测点探测 4个方 向 ， 分别为斜上 4 5 。 ， 顺 层 ， 斜下 4 5 。 以及垂直底板 。探测 4个方 向 1 0 0 m范 围内的富水情况。完成观测窗口数 4 0 ， 物理点数总 计 1 1 X 44 01 7 6 0 。 2 ． 2 矿井震波超前探测法 2 ． 2 ． 1 MS P测线布置与数据采集 2 0 1 1 年 1月 1 4日在 3 2 0 5通道迎 头完成数据 采集工作 ， 以前方断层为主要探测 目标 ， 采用 了矿井 震波超前探测技术 M s P ； 现场布置 2 4 个炮点和两 个检波点， 其中有效炮点数为 2 1 炮 ， 炮点和检波点 都布置在 3 2 0 5 通道的右帮， 共采集 1 2 6 组数据。 2 ． 2 ． 2 矿 井震波超前探 测 MS P 现场布置 本次矿井 MS P探测在迎头有 限空间内展开 ， 采 用炸药震源。受现场条件限制， 现场测线布置时， 激 3 ． 1 瞬变电磁法 3 ． 1 ． 1 瞬 变 电磁 数 据处理 本次瞬变 电磁探测数据处理采用 Y C S 4 0 A 型 矿井瞬变电磁仪配套 的 MT e m2 ． 0处理系统 ， 其处理 主要流程 为 数 据上传格 式转换一数据滤波 处 理一计算晚期视电阻率一正反演计算一结果成图。 3 ． 1 ． 2 瞬变电磁结果解析 通过矿井瞬变电磁专业软件处理后 ， 得到如图 2 的结果。这是 3 2 0 5通道当 E t 迎头前方视 电阻率拟断 面图， 图中不同的颜色代表不同阻值的变化， 表示迎 头前方一定深度上电性横向变化 的情况 ，遵循从冷 色调到暖色调表示阻值从低到高变化的一种趋势。 依据上述约定原则， 综合 3 2 0 5 通道迎头前方 4 个方向的瞬变电磁探测结果可以看出，低阻异常 区 迎头斜 上 4 5 。 方向探 测结果 迎头顺层探测结果 迎头斜下 4 5 。 方向探测结果 迎头垂直底板探测结果 0 1 ． 5 2． 5 3 ． 5 4 ． 5 6 ． 5 9 图 2 3 2 0 5通道迎头瞬变电磁探测 结果 7 8 煤炭科技 2 0 1 1 年第 3期 域主要集中在迎头顺层方向，并且主要集中在迎头 的左前方 向 3 0 m开始的位置 ，视电阻率值 在 1以 内， 定义存在富水的可能性较强； 在迎头正前方 4 0 m左右位置出现一视电阻率值和相邻区域相差较大 的区域，结合地震探测的结果分析可能是受岩性变 化引起的；在迎头探测的其他方向显示视电阻率值 相对较大， 存在富水性的可能很低。 3 ． 2 矿井震波超前探测法 3 ． 2 ． 1 矿井震波超前探测数据处理 数据处理时统一以 C 检波点对应巷道 的中点 为坐标原点 ， 巷道前方为 正方向， y正方向指 向顶 板 ， z方向指向左帮建立坐标系 ， 分别来确定炮点和 检波点的坐标。 现场采集到的物探数据经过处理方能转化为可 利用的物性 图件 ， MS P震波探测数据在 自行研制开 发的 M S P 2 ． 0软件平台上进行 ， 其处理流程 为 数据 预处理一频谱分析一直达波求取一反射波提取一速 度分析一深度偏移一界面提取。根据速度谱同时结 合现场岩性情况 ， 并参考以往探测的验证结果 ， 本次 M S P探测取综合速度 为 3 I l l ／ m s 进行 偏移处理 速 度 。 ． 数据预 处理 部分 主要完成 观测 系统 录入 ， 将 现场 实 际测量 的炮孔 、检波 点坐标 录入 MS P系 统 。基于上述观测 系统原则 ， 在进行数据处理时以 指向掘进迎 头方 向为 轴正方向， 垂直于顶板方 向 为 Y轴正方 ， 垂直于左帮为 z轴正 向， 建立直角坐标 系。为了便于建模 ， 以 c 点所在巷道位置的巷道 中心为原点 ， 建立炮检坐标 系。为利 于指导后续数 据的处理 ，通过频谱分析得出主频范围为 5 0～ 5 0 0 Hz。 深度偏移处理为 MS P处理的核心部分 ， 在给定 速度模型的条件将来自前方介质的反射能量偏移归 位至空间点上。以此成果图件为基础提取巷道前方 反射界面。 基于直达波速度 ， 本次均匀速度背景值取 值为 1 ． 5～3 ． 5 m／ m s 。本次探测 由于探测介质为 煤， 探测距离相对较近， 整体探测距离为 2 0 0 m， 其 中已揭露 区 6 8 ． 9 5 m， 未揭露区 1 3 1 ． 0 5 m。 3 ． 2 ． 2 矿井震波超前探测数据解释 图 3 为 3 2 0 5 通道反射界面提取剖面。 从反射异 常界面提取剖面中可以看出，在巷道前方共存在两 处反射异常带， 分别命名为 R 、 R 。 综合上述分析和现有地质资料对上述异常段作 如下推断解释 1 异常 R 。 在当日迎头 导线点 D ， 前 2 2 m 前 方 5 5 m附近 ， 该异常界面的影响范 围在 4 06 5 m， 结合地质资料分析为伴生断层或其他原因造成的岩 性变化产生的反射界面 ， 同时影响范围较大 ， 注意提 前预防。 图 3 3 2 0 5通道反射界面提取剖 面 2 异常 R 2 在当 日迎头 导线点 D ， 前 2 2 m 前 方 9 8 m附近。该异常影响的范围在 8 8～1 0 3 m之 间 ， 从波形的频率上分析 ， 该界 面的频率较低 ， 同时 反射能量较强 ，结合现有 的地质资料分析为凫山支 断层产生的影响。 4 探采对比 针对瞬变电磁探测的结果 ，分别对上述提出的 低阻异常区域进行打钻验证 ， 在 3 2 0 5探煤巷导 Z 1 5 点前 l l m巷 道 中间布置一钻 孔 ，钻孔方 位角为 3 0 3 。 ，钻孔设计角度 为仰角 3 。 ，钻孔终孔深度 为 3 3 ． 6 m， 钻 孔 因塌孔停钻 ， 本钻孔在该位置有滴水 现象 ；在 3 2 0 5通道导 3点前 3 1 ． 3 m巷道中间布置 一 钻孔 ， 钻孔方位角为 2 3 1 。 ， 钻孔设计 角度 为俯角 5 。 ， 钻孔终孔深度为 3 8 ． 6 m， 钻孔因掘进停钻 ， 本钻 孔有 出水现象 ， 与结果基本一致。 MS P探测结果 中 R。 异常界 面在巷道揭露过程 中遇到两条断层 ，一个是在当 13迎头前方的 3 7 m， 该揭露断层落差为 2 m；另一个在当 13迎头前方的 6 5 m处 ， 该揭露断层落差大于 3 m， 巷道正在掘进当 中， R 异常体待进一步验证 ，已揭露 的异常体及位 置同探测结果基本吻合。 本次探测取得 了较好的效果 ，为矿井巷道 的掘 进提供了可靠的地质条件参数。 作者简介 范三阳 1 9 7 5 一 ， 男， 山东枣庄人， 2 0 0 5年毕 业于山东科技大学采矿专业， 山东省朝阳矿业有限公司朝阳 煤矿工程 师。 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 4 1 5