综合物探技术在煤矿岩巷掘进超前探测岩溶中的应用.pdf

2 0 0 7 年 6月 矿 业安 全 与 环 保 第3 4卷增刊 综合物探技术在煤矿岩巷掘进超前 探测岩溶 中的应用 邵 雁 ， 邓春 为 ， 孙胜利 ， 王 秀萍 1 ． 煤炭科学研究总 院重庆 分院， 重庆 4 0 0 0 3 7 ； 2 ． 西 山煤 电集团公 司， 山西 太原 0 3 0 0 5 3 摘 要 介绍 了采用 D T C一1 5 0型防爆地质超前探测仪 与 s i r 一1 0 H型探地 雷达仪综合物探技术在煤 矿岩巷 掘进 超 前探 测 岩溶 中的应用 情况 ， 以及 两种 物探方 法 的原理 及 工作 方法 ， 通过 实例 说 明采用 综 合 物探 手段在 煤 矿岩 巷 掘进超 前 探测 岩溶 可 以达 到仅 采用 一种 物探 手段 而 不能达 到 的效 果 。 关 键词 综合 物探 ； 巷道 掘 进 ； 超 前探 测 ； 岩溶 中图分 类 号 T D 1 6 6 ； T D 2 6 3 文献 标识 码 A 文 章编 号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 0 7 S 1 0 0 2 50 3 我 国煤 矿 岩 溶水 害 分 布 广 泛 ， 主 要 有 华 北 石 炭 二叠系岩溶一裂隙水害区和华南晚二叠统岩溶水水 害 区。在 这些 矿 区水 文 地 质 条 件 复 杂 ， 每 年 由于 岩 溶水的存在造成出水 突水 事故频繁发生 ， 造成人员 伤亡及重大财产损失。随着开采深度的加深， 岩溶 水 对煤 矿安 全生 产造 成 的压力 与威 胁 越来 越大 。 目前我国煤矿的水害防治需坚持” 预测预报、 有 疑必探、 先治后 掘” 的方针 ， 落实” 防 、 堵 、 疏、 排、 截” 五位一体的综合防治措施 。这就要求煤矿在巷道掘 进前进行水文地质分析 ， 对可能存在岩溶水害威 胁 的灰岩巷道要采用物探 、 钻探等先进的综合探测技 术查明巷道区水文地质条件 ， 对具有突水危险隐患 的巷 道进 行 有效治 理后 方 可掘 进 。物 探 手 段具 有 快 速、 经济、 方便的特点 ， 在 煤矿灰岩巷道掘进超前 探 测岩 溶水 方 面 的应 用 越 来 越 广 泛 ， 但 是 由于 物探 技 术 的特点 决定 探 测 准 确 性 不 能达 到 1 0 0 ％ 。为 了 提 高探测的准确率 ， 通 常采用 两种及两种以上 物探 方 法进行综合探测 ， 多种物探手段取长补短 ， 这样就可 以大大提高探 测准确性 ， 以确保巷道安全掘进。笔 者通过实例说明综合物探手段在煤矿灰岩巷道掘进 中进行超前预报岩溶水 中的应用。在实际工作中根 据物探方法各 自的特点选用地震弹性波超前探测技 术 ， 使用仪器为 D T C一1 5 0型 ， 以及 电磁波探地雷达 超前探测技术 ， 使用仪器为 s i r 一1 0 H型。 1 D T C一1 5 0及 s i r 一1 0 H的工作方法原理 1 ． 1 D T C一1 5 1 1 型 防爆地质超 前探测仪 工作方法原 理 D T C一1 5 0型防爆地质超前探测仪 由煤炭科学研 究总院重庆分院生产， 其工作原理方法与瑞典生产的 T S P隧道地 震超前 预报 系统 工作原理 方法相类 似。 收稿 日期 1 2 0 0 61 21 3 该探 测 系统 是 根 据 地 震 波 的 回 波 原 理 ， 如 图 1 所示 ， 人 工制 造一 系 列有 规则 排 列 的轻 微 震 源 ， 形 成 一 个 地震 源 剖 面 ， 震 源 所 发 出的 地 震 波 沿 巷 道 前 方 及 四周 区域 传播 ， 当遭 遇 如 地 层 层 面 、 节 理 面 ， 特 别 是断 层破 碎带 界 面 和 溶 洞 、 暗 河 、 陷 落 柱 、 淤 泥 带 等 不 良地质 体界 面 时 ， 产 生反 射 波 被反 射 回来 ， 返 回 的 地震波数据同时被 由计算机监控下的三维地震波传 感器接 收并采集 。这些 回波信号 的传播速度、 延迟 时间、 波形 、 强度和方向是与相应 的不 良地质体的性 质和分 布 状况 紧密 相关 的 。通 过 反 射 波数 据 分析 系 统 对 接 收的数 据 进 行 分 析 计 算 ， 得 出相 关 巷 道 剖 面 及 围岩相关 的物理 力学 参 数 。 图 l D T C一1 5 0型防爆地质超前 探测仪探测原理 图 现场工作需通过打炮眼进行 放炮 ， 炮点布置在 巷 道壁 的一 侧 ， 共 2 4个炮 点 ， 炮 孔 深 度 1 ． 5 m， 间 距 1 ． 5 m， 炮眼从碛头 向后布置 ， 炮孔孔位应尽 量保持 在与 巷 道 中心线 平行 的一 条 直 线 上 。接 收 反射 波 振 动信号的传感器 布置在 与巷道轴 线垂 直的铅垂 面 上 ， 因为要提高对从远距离 反射 回来 的 P波的接收 效果 ， 须将测线布置在界面与巷 道碛头前进方向的 夹角 大 于 9 O 。 的巷 道 壁 一 侧 。如 果 现 场 通 过 地 质 分 析调 查 可 以确 定需 预 测的 岩 层 面或 其 他 不 良地 质 体 界面的产状 ， 可以根据 以上原则单壁 布置传感器 ， 否 则最好双壁布置传感器。传感器钻孔孔位为与距其 25 维普资讯 2 0 0 7 年 6 月 矿 业安 全 与 环 保 第3 4卷增刊 最 近 的 炮 孔 排 列 最 后 一 个 炮 孔 位 置 2 0 m处 ， 孔 深 2 ． 0 m， 与炮 孔成 一 条直线 。 在 D T C一1 5 0探 测 中 ， 炸 药 是人 工 激 发 地 震 波信 号的来源， 震源炸药的选择应保证炸药有较高的爆速 和与待测的岩石介质有相匹配的波阻抗 ， 同时， 炸药 的用量应 在满 足地 震波能 量 的条件 下严 格 控制 ， 以避 免产生不必要的噪声信号和对高频信号的抑制 。 炸药的选 择原则应符合煤矿安全生产的需要 ， 一 般 选用 一级 或 二级 岩石 乳化 炸药 。 填装炸药应力求 与钻孔紧密接触 ， 必要时 向钻 孔内注水 ， 一则保证炸药密实 ； 二则保证炸药与钻孔 有 良好的耦合 ， 减少能量的损耗 。 在 数 据 采集 时 ， 触 发 器 的功 能 是 保 证 炸 药 的 引 爆 和主机 的采 集 信 息 能 同步 ， 这 里 有 个 假 设 条 件 是 炸药的引爆不需要时间 ， 但实际并非如此 ， 电雷管的 工作原理是 电流的热效应。根据焦 耳定律， 达到一 定 的温 度需要 有一 定 的时 间 ， 这 个 时 间 会 造 成 主 机 采 集数 据与 引爆 震 源 的不 同步 ， 或 者 说 是 主 机 用 于 真正采集数据的时间减少 ， 会造成探测距离降低 ， 同 时采集 的数 据质 量也 差 。因此 ， 在 雷 管 的选 用 上 ， 应 尽量选用高灵敏度的电雷管， 这种雷管延期小 ， 延期 误差小。除了以上 的要求外 ， 雷 管的选用应符合煤 矿安全生产 的需要。在实践 中一般选用瞬发 8 0煤 矿用 的电雷 管即 可 。 D T C一1 5 0系统 主要从 以下几个 方面对 所探测 的介质进行解译 1 P波 、 S波及 反射振 幅 a ． 反射振幅越高 ， 反射系数和波阻抗的差别越大。 b ．正 反射 振 幅表 明正 的反 射 系 数 ， 也 就是 刚 性 岩层 ； 负 反射 振 幅指 向软弱 岩 层 。从 相 同 的构 造 中 ， 比较 P波 和 S波 反射 振 幅的 特殊作 用 。 c ． 若 s波反射比 P波强 ， 则表 明岩层饱含水或 盐水 。 d ．f p ／ v 较 大 的增 加 或 突 然增 大 ， 常 常 是 因 流体 的存 在 而引起 。 e ． 若 下降， 则表 明裂隙密度或孔 隙度增加。 2 P波与 S波 的速 度 比 a ．固结 的岩石 v r ／ 2 ． 0 ， 2 ． 0 。 3 横波分裂与裂隙发育带 在各向异性介 质中， 波沿各 个方向的速度 是不 同的。研究结果表明 ， 介质的各 向异性对 P波影 响 不大 ， 但对 S波 ， 特别是 S H波的影响是可观的。在 裂隙发育带中， 介质表现出明显的各 向异性 ， 即在与 裂隙的走向垂直或平行 的两个 方向上 ， 介质 的性质 2 6 存 在较 大 的差 别。 由于 在各 向异性 介 质 中 S波沿 不 同方向的传播速度 明显不 同， 所 以当地震波通过裂 隙发育带后 ， 会 出现 s波分裂现象。根据 s波分裂 程度就可以判断裂隙的方向和发育程度。 4 沉 积 岩 的泊松 比 a ． 未 固结 的浅 层 盐水 饱 和 沉 积 岩 ， 往 往 具 有 非 常高 的 0 ． 4以上 。 b ． 常随 的 减小 及 沉 积 物 固结 而 减 少 变 化 对 影 响 很小 。 C ． 高 的盐 水 饱 和 砂 岩 往往 具 有较 高 的 0 ． 30 ． 4 。 d ． 气饱和高 9砂岩往往具有较低的 低到 0 ． 1 。 1 ． 2 s i r 一1 0 H型 探 地雷 达 系统 工作 方法 原理 s i r 一1 0 H型探 地 雷达 由美 国 G S S I 公 司制 造 。探 地 雷 达是基 于 电磁波 的反 射 原理 。在 系统 主 机 的控 制下 ， 发射器通过天线 向介质定 向发射超高频 电磁 波， 频率一般在几 十兆赫 至几 百兆赫。定 向传播 的 电磁波当遇 到因地 层层 面、 节理 面、 断层破 碎带界 面、 溶洞、 暗河 、 陷落柱、 淤泥带存在产生的电性差异 介电常数、 电导率、 磁导率不同 界面或 目标体时即 发生反射 ， 反射波被天线接收进入 接收机 ， 并传到主 机 ， 主机对从 不同深度返回的各个反射波进行放大、 采样、 滤波 、 数字迭加 等一 系列处 理， 可在显示器上 形成一种类似于地震反射时间剖面的地质雷达连续 探测数 据剖面。探地 雷达波传 播也属 波 动理论范 畴， 因此它的显示及 处理技术绝大部分来 自于地震 勘 探 方法 。 探地雷达使用 的是 电磁波传播理论 ， 它有不 同 于弹性波独特的工作原理。当电磁波由介质 1 传播 至介质 2时 ， 界面对 电磁 波的反射强度是 由反射 系 数 R决定 ， R由下式确定 R Z。 一 Z ／ Z。 Z 1 式中 z。 为介质 1的波阻抗 ； Z 为介质 2的波阻抗。 波 阻抗 z 可 由下式 表示 Z 2 式中 j ／ 一1 ； O J 2 角频率 ； 为介 质磁导 率 ； 盯为介质电导率； e为介电常数。 若考虑以位移电流为主， 则 R可简化为 R ／ ／ ￡ 。 一 ／ ／ e 2 ／ ／ ／ e l ／／ e 2 3 式中 e 。 为介质 1 的介电常数； e 为介质 2 的介电常数。 雷达波在介质 中以一定 的速度传播 ， 一般情况 下， 雷达波在介质中的传播速度由下式确定 c ／ 4 式中 c3l 0 s r r d s ， 是光在 自由空间的传播速度 ； e 是介质的相对介电常数 ， 对于大多数地质环境 ， 此 值一般在 5 2 5内变化。 维普资讯 2 0 0 7年6月 矿 业安 全 与 环 保 第 3 4 卷增刊 通过 对 回波 的分 析 找 出 目标 反 射 波 ， 读 出 雷达 记录中反射波的双向传播时间 t ， 然后用下式即可计 算 出 目标 体的 埋深 r r c t ／ 2 5 可见 介质 的介 电常数 e 在探 地 雷达探 测 方 法 中 是非常重要的一个参数 ， 既是决定雷达波传播 的速 度 ， 又是决 定 界 面 对 雷 达 波 反 射 强 弱 的 重 要 参 数 之 一 。常用介质的介 电常数与电阻率见表 1 。 表 1 常用介质的介电常数与电阻率 2综合 物探 技 术在 煤 矿 巷 道 掘进 超 前 探 测 的 实际应 用 重 庆某 煤矿 向南 扩建 矿井 ， 5 2 3 r n S茅 口大 巷 向南掘 进将 要 穿 过 两河 口河 ， 两 河 口河 自东 向南 垂 直 茅 口灰 岩地 层 流 过 ， 形 成 深 切 河 谷 ， 形 成 大 峡 谷 。 河面岸边⑤号测点标高为 5 6 1 ． 5 7 3 r n ， 河 面宽度仅 有71 0 r n 。 而两岸陡峭 的茅 口石灰 岩 山最 高可达 4 3 9 r n 。煤系底板茅 口灰岩地层的产状为 2 7 8 。 L4 8 7 ， 而穿过两河 口河的 5 2 3 m S 大巷高3 ． 53 ． 9 r n ， 宽 5 r n ， 巷道顶 板标 高为 5 4 1 ． 5 r n ， 距 河面 标 高仅 有 2 0 r n 的深度。如果再减去最低河床 的深 度， 则 只有 几 米 的 间 隔 岩 柱，其 间 岩 溶 发 育 如 何 ， 这 是 5 2 3 m S 大 巷能 否安 全通 过 的关键 问题 。 D T C一 1 5 0系 统 具 有 探 测 距 离 远 探 测 距 离 1 5 0 m 、 探测精度较高的特点， 但是该方法现场探测 一 次辅 助工作 较长。s i r 一1 0 H系统 探测距 离较 近 探测距离3 0 r n 左右 、 探测精度高 ， 该方法现场工作 时间 短 ， 能 机 动 灵 活 地 进 行 多 方 向 探 测 。 在 完 成 D T C一1 5 0一 次探 测后 ， 再 采 用 s i r 一1 0 H进 行 多 次 跟 踪 探测 ， 不 仅 完全覆 盖 D T C一1 5 0超 前探 测 预 报探 测 的范 围 ， 而 且在 进 行 每次 s i r 一1 0 H探 测 时 还 覆 盖 本 方法 的5 r n 预 留岩 柱 。 D T C一1 5 0 探 测 以掘 进 头 为0 r n 位 置 ， 探 测 结 果 见图 2 。 r 1 L r1 ．n 一 4 几 一 ’L门r J U U ．n 一4 j_ _ 【 ’ u 3 0 - _ 2 0 - 7_ l 一 一 一1 0 - 一2 O ． ．3 O 二 ． 4 O一 一 ． P 1 ． ． ． 2 lo ． 1 ⋯q ⋯ ． ． ． ． I3 0 ． ． ． ． ． ． ． ． I7 0 ． ． ． ． ． ． ． t ,o ／ ,1 7 o 图 2 【 ．C一1 5 0系统超前预报二维结果 图 下转 第 3 2页 2 7 维普资讯 2 0 0 7 年6月 矿 业安 全 与 环 保 第3 4卷增刊 2 ． 2 ． 3 瓦斯抽 放泵 的选 型 根据 上 述 计 算 结 果 ， 查 对 各 瓦 斯 抽 放 泵 的性 能 特性曲线或主要技术指标 ， 选择适合参数 的瓦斯抽 放泵 。 3瓦斯抽放泵站 根据 矿井 采掘 的具 体位 置 及布 置 ， 一 般 2 B E 1 系 列水 环 真空 泵将 泵 站 设 在 地 面 井 下 ， 瓦斯 抽 放 泵 房围墙 棚栏 的圈定范围应保障抽放瓦斯泵房周围 5 0 m范 围 内无 居 民 ， 2 0 IT I 范 围 内 无 明 火 ， 不 得 有 易 燃 、 易 爆 物 品 ， 并 安 装 4 只 干 粉 灭 火 器 和 不 少 于 0 ． 5 r I l3 的黄 沙。 泵站 周 围设 有 消 火栓 。瓦 斯抽 放 泵 房 采用 不燃 型材料 建造 。 泵 房进 出端 管路 上设 置 有 防 回火 、 防 回气 、 防爆 炸 、 汽水 分离 器 、 放 空 管 等 装 置 ； 泵 房 内 的所 有 设 备 和 监测 仪器 仪表 均应 防爆 ； 同 时 ， 在抽 放 站应 设 置避 雷 系统 ， 达 到 防雷 目的。应 由 具 有专 业 资 质 的相 关 部 门或设 计 单位进 行设 计 、 安装 。 为保证 瓦 斯抽放 系统 的安 全 运行 和矿井 的安 全 生产 ， 瓦斯抽放系统必须具备完善 的安全监测系统 ， 对泵站运行 的环境瓦斯浓度 、 供水 、 抽放 瓦斯浓度、 抽 放 量 、 排 放 口瓦 斯 浓 度 等 参 数 进 行 监 测 ， 如 有 条 件 ， 可 通过 挂靠 进入 矿井 环境监 测 系统 。 4 结 语 经 过 多 次在 煤 矿 瓦 斯抽 放 的应 用 证 明 ， 此 水 环 真空 泵 的选 型方 法简单 易行 。 正确 地选 型防 止 了煤 矿瓦 斯抽 放设 备 能 力 不 足 造 成 的 瓦斯 安 全 隐 患 ， 并 提高 了水 环真 空泵 的运 行效 率 。 参考文献 - [ 1 ]国家安全 生产 监 督管理 局， 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， 2 0 0 4 ． [ 2 ]抚顺矿务局 ， 等 ． 煤矿 瓦斯抽放手册[ M] ． 北 京 煤炭 工业 出版 社 ， 1 9 8 0． 责任 编辑 吕晋英 上接 第 2 7页 从 探 测 结 果 看 ， 前 方 大 约 9～1 6 m， 5 2～5 4 m． 1 1 41 2 0 I T I ， 上方 大约 2 6～3 4 I I 1 ， 7 7～8 5 I T I 处反 射 信 号较 强 ， 推 测为受 岩溶 裂 隙发育 的影 响 。 D T C一1 5 0 探 测后 ， 再 采 用 s i r 一1 0 H探 地 雷达 进 行 多次 超前 跟 踪超 前 探测 。s i r 一1 0 H探 地 雷 达每 次 预报 3 0 I T I ， 允 许 掘 进 2 5 IT I 。通 过 近 6次 超 前 探 测 预 报前方 并 没 有 大 的 岩 溶 构 造 存 在 。 只是 在 D T C一 1 5 0发现 的 异 常 区有 少 量 裂 隙 存 在 ， 并 被 方 解 石 充 填 ， 不含水 。图 3为 s i r 一1 0 H型 探 地 雷 达 超 前 探 测 碛头前 方 有 少 量 被 方 解 石 充 填 的裂 隙 雷 达 数 据 灰 度图 。 图 3 s i r 一1 0 H型探 地雷达系统超前预报数据 剖面图 3 2 3 结束语 使用 两 种 或 两 种 以上 物探 技 术 ， 应 用 在 煤 矿 岩 石巷 道超前 探 测岩 溶 中是行 之 有效 的。在 选 用 每种 手 段 时一定 需 要 结 合 各 自的 特 点 ， 相 互 印 证 并 互 相 补 充 ， 这样 才 能 达 到 预 期 的 效 果 。另 外 在 超 前 预 报 工 作 之前及 工 作 过 程 中进 行 地 质 及 水 文 地 质 调 查 、 现 场 观测 、 并 进 行地 质力 学分 析 ， 往 往对 物探 资料 进 行 正确 地 质 解 释 至 关 重 要 。 当 然 物 探 不 能 代 替 钻 探 ， 在 进行 超前 预报 后 ， 还必 须按 设 计 打一 定 数 量超 前 钻 孔进行 验 证后 方可 确定 是否 继续 向前 掘进 。 参 考文献 [ 1 ]戴前伟 ， 何刚 ， 冯德 山． T S P一2 0 3在巷 道超前 预报 中的应 用[ J ] ． 地 球物理学进展 。 2 0 0 5 ， 2 0 2 ． [ 2 ]蔡 因康 ， 刘秀 蜂， 宋思强 ． T S P地质 超 前预 报系统 在煤 矿 生产 中的运用[ J ] ． 西部探矿工程 ， 2 0 0 5 ， 2 0 5 4 ． [ 3 ]邵雁 ． 地质 雷达方法在 引黄工程 岩溶探 测 中的应 用[ J ] ． 矿业安全 与环保 ， 2 0 0 3 ， 3 0 2 ． 责任编辑 吴 自立 维普资讯