采场底板破坏及底板水动态监测系统研究——电阻率CT技术在煤矿中的开发应用.pdf

山东科技大学 硕士学位论文 采场底板破坏及底板水动态监测系统研究电阻率CT技术在 煤矿中的开发应用 姓名翟培合 申请学位级别硕士 专业矿产普查与勘探 指导教师朱鲁 20050501 出东科教犬学硬士学位论文 捎要 摘要 工作面滞后突水严重威胁着矿井安全生产。本论文创造性地应用高密度电阻率技术， 开发出了采纫裁细叟朔陋底扳枢托监翔嵊统应用该系统能够动态监测工作面及其采空区底 板岩石的破坏深度以及底板水的运移过程，对工作面及其采空区的底板突水达N T “ 旱监 测、早预测、早防治的目的。 该系统由电阻率数据采集系统、数据接收转换系统和数据处理系统三部分组成，数 据采集系统使用W G M D ．2 高密度电阻率数据采集系统，数据接收转换系统使用 B T W 2 0 0 0 数据通讯系统，数据处理使用R E S 2 D I N V 和R E S 3 D I N V 电阻率反演程序。 应用该系统成功地监测到了良庄煤矿5 1 3 0 2 工作面突水的全过程，总结出了许多宝 贵的地质结论。 关键词底板突水，工作面偶极技术，三维电阻率数据体，动态监测 山东科技大学硕士学位论文 摘要 A b s t r a c t L a g g i n gw a t e r - i n r u s ho fw o r k i n gf a c et h r e a t e n st h es a f eo ft h ec o a l m i n e ．T h et h e s i s e x p l o i t e dt h ed y n a m i cs y s t e mo fm o n i t o r i n gt h ew a t e ro f b e d p l a t ea n da p i c a lp l a t ea p p l y i n g t h et e c h n i q u eo fh i g I ld e n s i t ye l e c t r i c a lr e s i s t i v i t y ．T h es y s t e mC a l ld y n a m i c l ym o n i t o rt h e w o r k i n gf a c ea n dt h ed e s t r o yd e p t ho fb e dp l a t eo fg o a t “ a n dt h em o v i n gc o u r s eo f w a t e ro f b e d p l a t e ．A n dt h et h e s i sc a l la h e a dm o n i t o r , p r e d i c ta n dh a r n e s s i n gt h ew a t e ro f b e dp l a t ei n w o r k i n gf a c ea n dg o a l ． T h es y s t e mi sm a d eu po ft h es y s t e mo fc o l l e c t i n gt h ed a t ao fe l e c t r i c a lr e s i s t i v i t y , t h e s y s t e mo f r e c e i v i n ga n dt r a n s f o r m i n gt h ed a t aa n dt h es y s t e mo f p r o c e s s i n gd a t a ．T h es y s t e m o f c o l l e c t i n gt h ed a t ao fe l e c t r i c a lr e s i s t i v i t y u s e sW G M D 一2h i 曲d e n s i t ys y s t e m ．T h es y s t e m o fr e c e i v i n ga n dt r a n s f o r m i n gt h ed a t au s e st h es y s t e mo fB T W 2 0 0 0d a t ac o m m u n i c a t i o n T h es y s t e mo fp r o c e s s i n gd a t au s e st h ep r o g r a mo fe l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yi n v e r s i o no f I t E S 2 D I N Va n dR E S 3 D I N V ． W es u c c e e dt om o n i t o rt h ew h o l ec o u r s eo fw a t e r - i r t r u s ho f5 1 3 0 2w o r k i n gf a c ei n l i a n g z h u a n gc o a l m i n ew i t ha p p l y i n gt h es y s t e ma n dd r a wm a n yi n v a l u b l e n e r sg e o l o g i c c o n c l u s i o n ． K e yw o r d s w a t e r i n r u s ho fb e dp l a t ed i p o l et e c h n i q u eo fw o r k i n gf a c e d a t ab o d yo f t r i d i m e n s i o n a le l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yd y n a m i cm o n i t o r i n g 声明 本人里交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名翟镶各 A F F I R MA T I o N Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t a t e ． S i g n a t a r e z 奴；弦；h e D a t e 2 汜f 。昏．1 t 山东科技大学硕士学位论文蜷论 1 绪论 1 ．1 课题的提出 1 ．1 ．1 中国煤矿水害现状 根据矿井突水水源划分，中国煤矿水害事故分为地表水体水害事故，占中国煤矿突 水事故典型案例的4 ．9 ％；冲积层水水害事故，占1 ．4 ％砂岩类含水层水害事故，占 1 ．4 ％；灰岩类岩溶水水害事故，占9 2 ．3 ％。可见，防治灰岩岩溶类突水是矿井水害工 作的重点。 中国具有开采价值的煤层主要集中在晚石炭世一早二叠世、晚二叠世、早侏罗世一一 中侏罗世、早像罗世一早自垩世4 个聚煤期。据不完全统计，含煤地层属晚古生代石炭 二叠纪的占3 8 ％，主要集中在中国北方，通称华北型煤田；属二叠、三叠纪的占j 0 ％， 主要集中在中国南方，通称华南型煤田；属中生代侏罗纪和白垩纪的占2 8 ％，主要集中 在中国北方和内蒙地区，通称华北、内蒙煤田；属新生代第三纪的占4 ％。由于华北型 的石炭系及华南型的二叠系多数形成于滨海、潮坪、泻湖等海相环境，含煤岩系中夹雨 厚度不～的多层碳酸赫岩，主要是石灰岩类和白云岩类。当它们的厚度大于4 m 时，就很 容易发育岩溶。特剐是当它们通过地质构造与煤层底板厚层、巨厚层碳酸盐卷的岩溶， 如华南型煤田的早二叠世的茅口灰岩 1 0 0 ～2 0 0 m 左右 岩溶、华北型煤田的基底奥陶系 灰岩 2 0 0 ～8 0 0 m 左右 岩溶，发生水力联系时，岩溶不仅更加发育，而且岩溶水的动储 量会变得十分巨大，从而使煤矿生产的安全性受到重大的水害威胁。 中国煤田经过近一个世纪的开采，多数煤层的开采已进入深层位，特别是华北型燃 田，大部分矿井已经开采石炭世煤层。在中国地质历史演化过程中，华北的石炭一二叠 世煤系地层绝大多数是直接沉积在奥陶系灰岩之上的。即缺失了早古生代的志留纪和晚 古生代的泥盆纪地层。奥陶纪碳酸盐岩困在地表裸嚣约9 亿年，不仅遭受到不同程度的 风化剥蚀，而且发育了程度不一的岩溶。这种初期的岩溶为以后的地下岩溶的发育奠定 了基础。由于石炭世煤层距奥陶系近，在构造作用下，底板灰岩的岩溶不仅发育，而且 往往和奥陶系灰岩构成统一的水力系统，因此煤矿受岩溶水威胁尤为突出。据不完全统 计，自1 9 5 6 年到1 9 9 4 年内、中国北方煤矿开采山西组与太原组煤层时，来自煤系吏露 1 生蔓型基苎鲎婴主竺生堡兰堡 灰岩和基底中奥陶统灰岩岩溶水的底扳突水1 3 0 0 余次，其中淹并2 C 0 余次，造成的经薪 损失数十亿元，因水害造成的人员伤亡达数干人。这些矿井底板廷水灾害主要采自于坚 j ￡大水煤矿，包括峰峰、邯邢、渭北、开滦、肥域等矿区 图1 ．1 。例如1 9 S 4 年6 月 开滦范各庄矿一次突水，突水量达2 0 5 3 m 3 ／m i n ，造成淹井，直接损失5 亿元以上。目前， 北方主要矿区受岩溶水威胁的煤炭储量占1 5 0 多亿吨，如何将这些煤炭从承压水上解放 出来，实现安全高效煤矿的生产，一直是中国煤炭行业的主要攻关误题之一。 图1 ．1 华北大水矿区分布示意图 F i gl lD i s t r i b u t i o no f c o a h n i n e sw i t hw a t e r - i n r u s hi nn o r t hc h i n a 11 ．2 课题宗旨 工作面滞后突水严重威胁着矿井安垒生产，滞后突水事故的发生轻者使突水工作蘸 关闭停产，造成矿井接续紧张，矿井排水费用急增，严重影响矿井正常生产；重者可能 会造成淹井事故，危及国家财产和人民生命安全。 本课题旨在建立起一套工作面网络电法动态监测系统，实现工作面底板运动的动态 监测，通过监测工作面开采过程中底板岩层的破坏以及灾害地质体的动态变化来预测预 报是否出现底扳突水 特别是滞后突水 、突水时间和地点、突水的强度，以期达到早监 测、早预测、早防治，保障矿井安全生产的且的。因此，本项研究具有重要的理论意义 和现实意义。 1 ．2 矿井直流电法勘探 电法勘探是以岩矿石的电学性质差异为基础，通过观测分析电场分布变化规律束解 决她质问题的一种地球物理勘探方法。按照场源类型，电法勘探分为宜流电法勘探和交 决地质问题的一种地球物理勘探方法。按照场源类型，电法勘探分为宜流电法勘探i n 交 山东科技大学硕士学位论文 绪论 流电法勘探两大类。8 0 年代咀来，随着经济建设和科学技术的迅猛发展，电法勘探作为 一种重要 的勘探手段，无论在方法理论还是在施工技术方面，都有了长足进步。矿井直流电法勘 探是电法勘探在地下采矿、隧道工程等应用领域中的新进展。 1 ．2 ．1 矿井地球物理勘探在煤炭开采中的应用 煤炭开采是一项复杂的系统工程，地质勘探是煤炭开采的基础工作。煤炭生产实现 采掘机械化、自动化，迫切需要在开采前查明所采煤层的变化，如断层、褶曲、煤层变 薄区、陷落柱等。与此同时，岩、煤采掘引起的岩体应力再分配，会诱发岩爆、瓦斯突 出、巷道底鼓与突水、顶板冒落、巷道片帮等灾害性地质现象。为了及时采取措旌消除 或减弱这些地质灾害，需要通过测定岩体应力状态及其物理性质的时空变化，来预测这 些动力地质现象是否会发生以及会在何处发生。上述地质问题普遍具有空间规模小、时 空变化大等特点，仅靠一种或几种传统地质手段已无法达到预期勘探基的。以先进的地 质理论为指导，采用现代化的勘探技术手段，采取井上、井下相结合的立体勘查模式， 从“宏观”到“微观”，从区域、矿区到采区、工作面不断细化探查工作，是妥善懈决煤 矿地质问题的必由之路 王桂粱，1 9 9 3 ；李竞生，1 9 9 7 。 矿井地球物理勘探，特指在地下巷道、采场中进行的以物性差异为基础，通过观测 地下地球物理场分布变化规律来解决地质问题的一类勘查技术。自2 0 世纪5 0 年代前苏 联将直流电法应用于煤矿井下和7 0 年代末联邦德国、英国提取与利用槽波的埃里震相探 测工作面内地质构造以来，经过多年努力，矿井地球物理勘探现已发展成为包括矿井地 震勘探、直流电法勘探、探地雷达法、无线电波透视法、微重力测量、磁法勘探、放射 性测量和红外测温法等多种分支方法的学科体系 表1 ．1 。作为应用地球物理学的一个 新学科生长点，矿井地球物理勘探在实践中取得了显著的社会和经济效益。 3 山东科技大学硕士学位论文 缭捷 表1 ．1 主要矿井物探技术及其应用 T a b l e l 。l M a j o rg e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n gt e c h n i q u ea n dt h ea p p l i c a t i o n 蓐皓毋萎 井下奠工方击墨囊蝇禽应用 。I 瞳空■蛞琦，州磕撕他俎拳电谶埠 岳；o ■蚺电一群崔；、4 ’■鼍担纳m 一 囊分宣t 鲁术疆．疆木艋．■窟古术屡和啊木疆的耳 l 童璜毫t 毫嚣罩磕厦置毫鼍；再蠢寰簟冀者者藩基{ ■定矗羞新盛，曩 鼙洼} 三■龟叠膏踌i 嚣龋爵■搽接 木 ●譬蠢●年量直尊水遗遵 r - n 参量耀■扭嗣重洼；尊喜t 难三量■窟磨簟蕾埋、囊奠窟膏带的位董．对茸口木缝忭出 井 越一鼍警●韫雎鲁量告；S 量奇对靠■精矗一 肼小拇蕾} ●定者盟饼肆艟盘立擅挂面r 井电翻蕾挂 直 西■勰时洼；岛■分捌一珐的位置 晨囊弹瞳 ～I j ●●I 瞎■辫艟r 罄疆■瑶■■挂 觚楠遗糠翊盘韩台摩性评酱描强艇●缸犀靖 电t 一 t l i 蝻埘■嗣t I 罹t ，；o 譬蚺僵叠 击 隹t l 芦藿曩 ；蓐■埔t 舟羹置I 懂挺■l ■吏书冉造．评愦者培音珠住l 期舟蔗簟台木 ■蕾崖电阻奉珐 ■ 量 i 雀■■三■饕I t 囊量 ∞蚺甚栩■木置‘■, 1 1 麓鞋糟爵置霄情境 兰■羹魁Bt t l 矗 I 定直■■电遗疆佳，譬定点三般毫 鼍规崔尊室点鲁量电矗机警；a j 村贵摊■工作一一小相量；挂蔓工柞膏疆庇t 内小杓蕾 一囊电量羹珐 ■电矗艟痿；喜辟步兰曩电矗撼氆‘译朴髓雷摩性 a ”耐步■韫电连蕾斑 ●定庭蜒舟甚埴摊{ 件竹■奉盛秘窟性；雇蚯小扣量 r 撵蠢 ●直■■■棵 I j 蕃1 u 性；兽反射法；二b 拆甜售 井 糟t ■l ■一、 ，反射击譬矗冀酱洲工作■冉■羼、麓并枉、障崩帮、小■■辱 矗 舟 ■舟誊■和蠢一曩矗越士靖屡置岢矗i 薯道擅士曩 ■■t ■摄 7 ’、■五睡； ■毒挂 辨 ■掉■小一蠢；撵叠工停置由小相逢 埴 O 直选城墙；鼍。厦射藏拄I 斩肿t 一宣者石力擘●量I 评估者体曩t ，一鬻和井蕃曩窘 声t 掉■■定性．埘岩体进行工程■盛廿盛；摄一井罄、■雀 l 斑㈨ 孔曩舯崔j 弭孔新舯垃摇 曩糟格曲奠狂瞄轴璩螭基砖庶螭捷奄皿扩麓请况鲁 ■ 研究者五t 辱蛙氆‘矗曩瓦断、燃垃叠出和疆曩稳定 摄 声芷讨与t t 拉幸‘r 一量直一瓷l 勰位t ■壤 性l 矗曩冲出r 珏善 矗一t 置曩毫t 置 亡作胥■宵小一艇．毫宝、空巷； 摄鼍■选墨 、C 翻■堆t 毒t 扣盛蠢■勰矗覃、鬟糟释牟．毫董蕊泰矗耳虚翱墓逼幡 相等 t 宜点量钟培I 普难膏势鹰；稿、精礴捧 王t 电t 蠢薯硅棵曩曩厦冉矗墓拄，挣一带、小一腻、小帽■再 洼l 呻鼻育幢一t 馥 u 雄格I 丹鼻青一■‘∞t 力量直■■■斑誓杓鼍、●定点扳鞋崖囊直分再瞄趣恹雕毒 辨下■t 七一■ 度■量；翱■瓣搏t 体帕龟秘方位，曩■岩■ 置舯性一■ l 、m 忙．4 悍盛l o 舢■t舞■奎棒量‘●定心鼍禽瘩性秘生术鼻t 矗 缸井■誊、I 定A 矗■镰‘，硼疆一羹磕摊■毫空最．巨井康■婪毒 矿井直流电法勘探是矿井地球物理勘探的重要分支。它以岩石导电性差异为基础， 通过测量和分析巷道或采场附近稳定电流场的分布变化规律来研究矿井地质闻题。由予 断裂构造、岩石孔隙度、含水量和矿化度、外界压力、温度等对岩石导电性影响很大， 因此矿井直流电法勘探在采区构造探测和矿井突水、瓦斯突出、冲击矿压等地质灾害的 预测预报中具有良好的应用前景 刘天放，1 9 9 3 ；储绍良，1 9 9 6 。以矿井突水预测为例， 我国在实践中形成了“以矿井直流电法勘探为主，辅以矿井高分辨地震勘探、无线电波 透视法、井下微重力测量、放射性测量和红外测温等技术”的综合物探技术体系，在调 查矿井水补给源、导水通道和隔水层稳定性及其厚度大小等方面已取得较好的应用效累。 4 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 ．2 ．2 矿并直流电法勘探的研究历史与现状 1 ．2 ．2 ．1 井下专用仪器设备 8 0 年代末，乌克兰矿山地质力学与测量科学研究所研制生产出第五代矿用防爆型电 法仪。9 0 年代初，煤科总院西安地勘分院与邯郸矿务局合作，研制出D zI I 型矿用防爆数 字电法仪。1 9 9 7 年煤炭工业部“煤田地质勘探设备标准化专业委员会”委托煤科总院西 安分院制定了矿用防爆数字电法仪生产的行业标准。近期，煤科总院殖安分院又推出了 专门用于井下直流电透视的新一代防爆数字电法仪，对推动我国矿井电法勘探的发展产 生了积极影响。 1 ．2 ．2 ．2 方法技术及其应用 早在五六十年代，苏联学者即将直流电法应用于煤矿井下勘探，经过多年探索，积 累了关于矿井直流电法勘探工作的丰富经验，采用矿井电法成功解决了与煤矿安全、生 产有关的多种地质问题，包括煤层小构造探测、矿井水文地质条件调查，煤层界面起伏 和煤层尖灭、冲刷带探测，顶板稳定性评价，以及矿压监测、岩煤突出预报、巷遵变形 监测等。8 0 年代初苏联制定了高阻煤层和低阻煤层的矿井直流电法勘探工作规范，并具 体规定了矿井对称四极和三极电测深法、矿井电剖面法和巷道间直流电透视法，以及点 源梯度法的施工方法与技术 M a T I O L R e q K H H ，1 9 8 6 ；q H p l a ．1 9 8 6 ；I a n c ，1 9 8 8 ；K o n q ， 1 9 8 9 ；H o gp e R a K u e f i ，1 9 9 4 F p a q e B ，1 9 9 5 。1 9 9 0 年以来，俄罗斯莫斯科大学地球物 理研究室为探测低阻无烟煤煤层中的小构造，开展了井下矢量电阻率法的研究工作，为 判定地电异常体的空间位置探索了一条有效途径，并在非接触式电法测量技术、总场测 深技术 T E S 、电各向异性特征研究等方面做了大量工作 M o d l i n ，1 9 9 4 a ，1 9 9 4 b ，1 9 9 4 c ． 1 9 9 5 ，1 9 9 6 B o l s h a k o v ，1 9 9 5 ，1 9 9 7 a ，1 9 9 7 b P e r v a g o ，1 9 9 5 。 匈牙利重工业技术大学J ．C s o k f i s 等熏点研究了用于探测离阻煤层内小构造的直流 层测深技术，在探测煤层含水构造、圈定煤层变薄区等方面取得了成功经验 C s o k f i S ， 1 9 7 4 ，1 9 8 6 B r e i t z k t ，1 9 8 7 G y u l a i ，1 9 9 0 。日本曾应用巷道与地面间的电阻率成像 技术研究断裂构造和金属矿床的赋存状态 S a s a k i ，1 9 9 3 。 1 9 5 8 年，煤炭部地勘司在京醒矿区万佛堂平硐首次进行了并下电法试验，之后北 京、淮北等矿务局相继开展井下试验工作 中国煤田地质总局，1 9 8 6 。7 0 年代矿井电涟 5 山东科技大学硕士学位论文绪论 的应用与研究～度中断。直到8 0 年代后期，由于矿井突水问题日趋严重，煤科总院西安 分院、唐山分院，淮北矿务局、峰峰矿务局、河北煤研所、邯郸矿务局、中国矿业大学 等才逐步恢复了矿井电法的研究工作。其问，邯郸矿务局申请获得了矿井电测深技术方 面的国家专利；煤科总院重庆分院左德坤翻译发表了许多反映阑外矿井电法新进展的文 章；中国矿业大学在淮北、徐州两矿区，煤科总院西安分院在焦作、肥城等矿区，河北 煤研所、唐山煤科分院在河北省多个生产矿区进行了大量井下技术试验工作 刘天放， 1 9 9 3 ；储绍良，1 9 9 6 。1 9 9 0 1 9 9 5 年问，以矿井突水探测为重点，国内各单位在我国东 部矿区进行了大量井下技术试验工作，积累了开展矿井电法工作的实践经验。此外，河 北煤研所、邯郸矿务局等单位还进行了矿井电法掘进头超前探测试验，地矿部岩溶地质 研究所在我国南方煤矿进行了矿井水譬合物探探测工作 李学军，1 9 9 2 ；程久龙，1 9 9 2 ； 侯克昌，1 9 9 3 ；岳建华，1 9 9 4 a ，1 9 9 4 b 。1 9 9 4 c ，1 9 9 4 d 中国地质信息研究院，1 9 9 5 a ， 1 9 9 5 b 。铁道部勘查院钟世航教授等在淮北矿务局进行了井下微分测深法探测残留煤厚 的试验工作 钟世航，1 9 9 6 。煤科总院西安分院与中国地质大学 北京 合作研究了井下 水平钻孔电法测煤厚技术。这一阶段，采前单巷道矿井电法工作渐趋规范，一些具有矿 井特色的方法与技术 如岩体电阻率法、层测深法、直流电透视法、超前探测技术等 开 始应用于井下实践。岳建华 1 9 9 6 系统阐述了这一时期矿井电法在煤层底板突水探测中 的应用与发展状况。 1 9 9 5 年以后，煤科总院西安分院矿井电法研究室开始研究巷道间直流电透视技术， 旨在探测工作面上、下方隐伏突水构造 韩德品，1 9 9 7 ；曾方禄，1 9 9 7 山东科技大学 于师建等将矿井电法应用于突水构造优势面理论研究中 1 9 9 6 。 1 ．2 ．2 ．3 基础理论和正、反演算法 1 9 9 3 年以前，人们通常以忽略巷道影响的全空间电流场理论或地下半空间电流场 理论为基础，建立矿井电法的正演计算模型和反演勰释方法。例如，J ．C s o k f i s 等在忽 略巷道影响的前提下给出了3 5 层介质模型巷道顶底板电测深、层测深理论曲线的计算 方法，并与德国R u h r 大学地球物理所合作研究了矿井电测深类曲线与V S P 资料的联合反 演解释方法 D o b r o k a ，1 9 9 1 。作者曾给出任意多层介质巷道顶底电测深曲线和煤层层测 深曲线的线性滤波正演算法 岳建华，1 9 9 2 ．1 9 9 7 a 。 1 9 9 3 年，中国矿业大学通过物理模型实验研究了巷道对矿井电法的影响特征，提 6 兰 查型茎奎篓堡主兰垒兰苎 釜燕 出了均匀介质中巷道影响的校正公式 岳建华，1 9 9 3 。但是，由于受实验条件的限制， 当时对中、大极距巷道影响规律的认识与实际情况存在一定偏差，致使在此基础上形成 的定量解释方法无法反演计算出合理的介质电阻率值 岳建华，1 9 9 5 ；刘树才，1 9 9 6 。 1 9 9 5 年起，煤科总院西安地勘分院和中国矿业大学开始进行矿井电法数值模拟技术 的研究工作。煤科总院西安地勘分院重点研究了水平钻孔电透视曲线的边界元正演计舅 方法，中国矿业大学则先后研究了考虑巷道影响的矿井电法3 D 有限差分法、有限元法和 边界元法数值模拟技术 赵海峰，1 9 9 5 ；岳建华，1 9 9 8 a ，1 9 9 8 b 。 7 山东科技大学硕士学位论文 2 矿井直流电法勘探麒理 2 矿井直流电法勘探原理 2 ．1 含煤地层的主要电性特征 岩层与岩层之间，岩层与煤层之间的电阻率差异是在煤矿井下巷道中开展直流电法 勘探的物理前提。了解岩石和煤的电阻率及其影响因素，对于合理布置矿井电法勘探工 作、正确解释实测电阻率法资料具有重要意义。 2 ．1 ．{ 岩石的电阻率 由均匀材料制成的具有一定横截面积的导体，其电阻R 与长度L 上成正比，与横截 面积S 成反比，即 R 一L ’S 2 1 式中，P 为比例系数，称为物体的电阻率。电阻率仅与导体材料的性质有关，它是 衡量物质导电能力的物理薰。不同岩石的电阻率变化范围很大，常温下可从1 0 “Q m 变化到1 0 “Q m ，与岩石的导电方式不同有关。岩石的导电方式大致可分为以下四种 1 石墨、无烟煤及大多数金属硫化物主要依靠所含的数量众多的自由电子来传导电 流，这种传导电流的方式称为电子导电。由于石墨、无烟煤等含有大量的自由电子，故 它们的导电性相当好，电阻率非常低，一般小于i 0 1 Q m ，是良导电体。 2 岩石孑L 隙中通常都充满水溶液，在外加电场的作用下，水溶液中的正离予 如K a 、 K 、C a ”等 和负离子 C 1 一、S O 。2 ‘等 发生定向运动而传导电流，这种导电方式称为孔隙水 溶液的离子导电。沉积岩的固体骨架一般由导电性极差的造岩矿物组成，所以沉积岩的 电阻率主要取决于孔隙水溶液的离子导电，一切影晌孔隙水溶液导电性的因素都会影响 沉积岩的电阻率，如岩石的孔隙度、孔隙的结构、孔隙水溶液的性质和浓度以及地层温 度等，都对沉积岩的电阻率产生不同程度的影响。 3 绝大多数造岩矿物，如石英、长石、云母、方解石等，它们的导电是矿物晶体的 离子导电。这种导电性是极其微弱的，所以绝大多数造岩矿物的电阻率部相当高 大于 1 0 。Q m 。致密坚硬的火成岩、白云岩、石灰岩等，它们几乎不含水，而其矿物晶体f } 勺 8 山东科技大学硕士学位论文2 矿井直流电法勘探骧理 离子导电又十分微弱，故它们的电阻率很高，属于劣导电体。 4 泥质一般是指粒度小于1 0 l im 的颗粒，它们是细粉砂、粘土与水的混合物。泥 质颗粒对负离子具有选择吸附作用，从而在泥质颗粒表磋形成不能自由移动的紧密吸附 层，在此紧密吸附层以外是可以自由移动的正离子层。在外电场作用下正离子依次交换 它们的位置，形成电流。这种以泥质颗粒表面的正离子来传导电流的方式与水溶液的离 子导电方式不同，称为泥质颗粒的离子导电，也称为泥质颗粒的附加导电。粘土或泥岩 中泥质颗粒的离手导电占绝对优势，由于粘土颗粒或泥质颗粒表面的电荷量基本相同， 所以粘土或泥岩的导电性能比较稳定，它们的电阻率低且变化范围小。在砂岩中，随着 岩石颗粒的变细，附加导电所起的作用将越来越大，特别是细砂岩和粉砂岩，附加导电 对岩石的电阻率影响很大。 2 ．1 ．1 ．1 岩石电阻率与矿物成分的关系 岩石电阻率与组成岩石的矿物的电阻率、矿物的含量和矿物的分布有关。当岩石中 含有良导电矿物时，矿物导电性能能否对岩石电阻率的大小产生影响取决于良导矿物的 分布状态和含量。如果岩石中的良导矿物颗粒彼此隔离地分布着，且良导矿物的体积含 量不大，那么岩石的电阻率基本上与所含的良导矿物无关，只有当良导矿物的体积含量 较大时 大于3 0 ％ ，岩石的电阻率才会随良导矿物的体积含量的增大而逐渐降低。但是， 如果良导矿物的电连通性较好，即使它们的体积含量并不大，岩石的电阻率也会随良导 矿物含量的增加而急剧减小。 2 ．1 ．1 ．2 岩石电阻率与其含水性的关系 沉积岩主要依靠孔隙水溶液来传导电流，因此岩层中水的导电性质将直接影响沉积 岩的电阻率。在其他条件相同的情况下，岩层电阻率与岩层中水的电阻率成正比。影响 水的导电性的主要因素是水中离子的浓度和水的温度。煤田中常见的岩层水一般台低或 中等浓度的离子，岩层中水的含盐浓度增大，离子数量随之增多，溶液导电性将变 好。同时岩层中水的导电性还与温度有关，它的电阻率将随温度的升高而降低。这是因 为，一方面水中盐类的溶解度随温度的升高而增大，致使溶液中离子数量增多；另～方 面，温度的升高还会降低 溶液粘度，加快离子的迁移速度。 9 堂至型苎丕堂堡圭兰堡笙茎。 茎苎皇堕皇婆垫堡垦堡 2 ．1 ．1 ．3 岩石电阻率与其孔隙度和孔隙结构的关系 由于地下水只充填在岩石的孔隙空间之中，因而岩石电阻率不仅与岩石中水的电阻 率有关，而且还与岩石的孔隙度和孔隙结构有关。岩石孔隙度的大小决定着岩石中水的 含量，从而决定着岩石中离子的数量；岩石孔隙的结构 包括孔隙通道的截面积大小、弯 曲程度以及连通程度等 则影响着离子的运动速度和参加运动的离子数量。 2 ．1 ．1 ．4 岩石电阻率与岩性的关系 含煤地层主要由砂、泥质岩和碳酸盐岩组成，它们的电性特征分别讨论如下。 1 砂、泥质岩砂、泥质岩包括碎屑岩类和粘土岩类。碎属岩由碎屑颗粒、胶 结物、泥质及含水孔隙组成，与碳酸盐岩相比，碎屑岩的孔隙度较大，孔隙结构较简单、 规则。一般碎屑岩的电阻率随其粒度的减小、分选性变好、泥质含量增高、胶结程度变 差和孔隙中水含盐量的增大而降低。砂岩电阻率在数十至数千欧姆米之间变亿。分选性 差、颗粒粗、胶结程度高的致密砂岩电阻率高；反之，分选性好、颗粒细、胶结程度低 的疏松砂岩电阻率相对较低。胶结物不同，砂岩电阻率也不同，钙质、硅质或铁质胶结 的砂岩电阻率一般比泥质、粘土质胶结的砂岩电阻率高。砾岩由于颗粒粗、分选性差， 故常具有比砂岩还高的电阻率。粘土、页岩、泥岩等粘土类岩石以泥质颗粒的离子导电 方式为主，因为泥质颗粒表面的电荷量基本相同，所以粘土、泥岩、页岩等的导电性比 较稳定，它们的电阻率一般在1 ～n l O Q - m 之间变化。 其中，页岩比粘土和泥岩更致密，故其电阻率稍高。当砂岩或砾岩含有泥质时，由 于增添了泥质的附加导电性，其电阻率也会降低。砂、泥质岩石电阻率由小到大的顺序 是泥岩或粘土一页岩一细砂岩或粉砂岩一中砂岩一粗砂岩一砾岩。 2 碳酸盐岩碳酸盐岩主要是以纯化学方式沉淀生成的。这类岩石的颗粒极细， 粒间几乎没有孔隙，故其电阻率通常很高，可达n l O3 ～l O 4o m 。然而，当碳酸盐岩 在外因作用下形成的裂隙或溶洞充水时，其电阻率将会明显降低。此外，如果碳酸盐岩 中含有泥质时，它的电阻率也会有所下降。 2 ．1 ．1 ．5 岩石电阻率与层理的关系 层理构造是大多数沉积岩和变质岩的典型特征，如砂岩、泥岩、片岩、扳岩以及煤 层等，它们均由很多薄层相互交替组成。这种岩石的电阻率具有明显的方向性，即沿层 l O 坐墨型垫查堂璺圭兰堡丝苎 苎皇堕生鲨塑堡璺型 理方向和垂直层理方向岩石的导电性不同，称为岩石电阻率的各向异性。岩石电阻率的 各向异性可 用各向异性系数 来表示，定义为 五f 笠 、f 岛 2 2 式中，p 。代表垂直层理方向上的平均电阻率，称为横向电阻率；P 。代表沿层理方 向的平均电阻率，称为纵向电阻率 图2 ．1 。由于岩层横向电阻率始终大于纵向电阻率， 所以岩石的各向异性系数九总大于l 。特别地，当 l 时，则为备向同性介质。组成煤 系的常见岩层中，石墨、碳质页岩和无烟煤互层时备向异- 陛最明显，烟煤或粘质页岩 次之，其他岩层更次之。一般地，岩层与夹层的导电性差异越大，互层越频繁，岩石的 各向异性越明显。 图2 ．1 层状结构岩石模型 F i g2 ．1 M o d e lo f t h er o c kw i t l lt h el a y e rf o r m 2 ．1 。1 _ 6 岩石电阻率与温度的关系 岩石电阻率随温度的变化遵循导电理论的有关定理。电介质中离子的能动性随温度 升高而增大，其运动能量积累到一定值时，很容易脱离晶格，因此导电性增强。半导体 的温度升高时，导电区电子浓度增大，导电性也相应增大。如前所述，在低温条件下， 含水岩石中水溶液的导电性随温度的升高而增大，这是由于温度升高导致水溶液浓度增 大和粘滞度降低，水溶液中离子数量增多、活动性增强的缘故；当温度继续升高时，因 水分蒸发，岩石电阻率略有增加，只有温度继续升高时，电阻率才开始减小。例如，对 油页岩进行加温实验时，温度升高到5 0 - - 1 0 0 “ 2 时，试样的电阻率减小；温度继续升高 至2 0 0 * 2 时，试样电阻率增大；温度继续升高超过2 0 0 * 2 时，试样电阻率急剧下降当温 度超过6 0 0 “ C 后，试样电阻率又星回升趋势。烟煤 褐煤、肥煤、气煤 电阻率与温度间 的关系与上述’隋形类似。 2 。1 ．1 ．7 岩石电阻率与压力的关系 岩石原生结构破坏是压力作用下岩石性质变化的主要原因。根据压力特征，这种破 生查型塾盔堂堡主兰焦堡苎 笪茎皇堕里堡塑堡堕些 坏可能是岩石的压实，孔隙收缩，颗粒接触厩积的增大，形成裂隙组，或是个别区域之 间粘结性减小等等。 静水压力对岩石的压实作用最大，在静水压力作用下，岩石内出现残余变形，从而 使孔隙度降低。此时压力对岩石电阻率的影响与岩石内液体和气体的含量有关，往往随 压力的增大，干燥或者稍许含水岩石的电阻率减小，这是由于孔隙度降低、颗粒间接触 良好的原因。除此之外，岩石中孤立的含水孔隙在压力作用下闭合并形成连续的导电 通路，也会使其电阻率减小。对于大多数岩石，当单轴压力由1 0 M p a 增加到6 0 M p a 时， 可观测到岩石电阻率的剧烈变化。但是，某些粘土在压力作用下，由于孔隙中的水分被 挤出，含水孔隙通道的截面缩小．从而使其电阻率增大。对于非常潮湿煤，压力增大时， 电阻率也增大。 相反，在应力弱化作用下，岩石颗粒之间内部粘结性降低，致使岩石强度变小，岩 石可碎性增强。当岩石内部裂隙发育但裂隙不充水时，岩石电阻率会增大，若裂隙充水， 岩石电阻率会显著减小。 2 ．1 ．2 煤的电阻翠 煤的电阻率与煤化程度、煤岩组分、矿物杂质含量以及水分等因素有关。 煤化程度很低的褐煤，常含有较高的水分和溶于水的腐植酸离子，故其电阻率较低， 一般仅为数十至数百欧姆米。随着煤化程度的加深，褐煤中水分和溶于水的腐植酸离子 含量将显著减少，因而褐煤的离子导电性减弱，其电阻率明显增高。烟煤常具有较高的 电阻率，但随煤变质程度的加深，电阻率减小，过渡至无烟煤，电阻率急剧下降。烟煤 电阻率的变化范围为数十至数千欧姆米．无烟煤常常具有趣好的电子导电性，因而其电 阻率很低，一般在1Q m 以下。 煤中矿物杂质的电阻率通常低于褐煤或烟煤中有机质的电阻率，而高于无烟煤中有 机质的电阻率。因此，褐煤或烟煤的电阻率随矿物杂质含量的增高而降低，而无烟煤的 电阻率则随矿物杂质含量的增高而增大。但当无烟煤层中含有大量黄铁矿时，由于黄铁 矿的电阻率很低，也会使无烟煤的电阻率降低。 煤的湿度分为内部湿度和外部湿度。煤的内部湿度是煤的电阻率随其变质程度变化