井下探放水中的直流电法应用探析.pdf

2 0 1 4 年第 1 1 期 西部探矿工程 1 2 3 井下探放水 中的直流 电法应用探析 李 尚军 太原市地质环境监测站 ， 山西 太原 0 3 2 0 0 0 摘要 通过分析 太原矿 区水 害情况与地质条件 ， 探析 了直流电法超前探测技术在防止煤矿水 灾的 方面的应用 ， 并利用该技 术对 太原矿 区水文地质情况进行 了超前探测分析。根据探测结果 ， 预测预 报 了掘进 工作面前方的富水区， 而且根据该矿的地质水文特征 ， 提 出了探放水措施 ， 对预防和治理煤 矿水灾有着深刻的现 实意义。 关键词 煤矿水 灾； 井下直流电法超前探测技术 ； 防治水 中图分类号 P 6 3 1 ． 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 5 7 1 6 2 0 1 4 1 1 0 1 2 3 - 0 3 伴随着煤炭工业的飞速发展 ， 各个矿区的开采深 度也都在增加 ， 在 开采过程 中 ， 承受 的水压越来越大 ， 矿井水灾事故频频发生 ， 造成 了严重经济损失 和重大 的人 员伤亡 。为 了预 防制止矿井水 灾事故 的频繁发 生 ， 目前 常用 的解决方法是利用 物探手段在煤矿井下 的掘进工作面上对超前水文地质进行预测预报 。 最近几年来关于这方 面的研究成果取得 了重大突 破 ， 而其 中瞬变 电磁法 和直流 电法被广泛应用在井下 水文 、 地质特征预测预报 中。尤其是工作面前 方介质 的视电阻率出现异常时， 可以由直流电法仪测得， 分析 所测结果便 可知前方水文地质状况 ， 从而很好 地防治 水 灾 。但 是 ， 由于井下 机 电设 备 比较多 ， 磁 场较 为复 杂 ， 本文重点解决的 问题将是如何去采用正确方法来 排 除干扰 、 确保测试结果 的准确性和为防治水工作提 供可靠的依据。 由于太原矿 区水文地质条件复杂 ， 水害严重 ， 各矿 发生井下充水事故频频发生 。随着矿区开采水平 的不 断提高 ， 与此 同时 ， 太原矿 区矿井水害防治难度也在不 断越 大 ， 为有效探测工作面太灰水的存在情况 ， 笔者通 过在太原下属各煤矿采用直流电法等物探手段探测 了 其采掘工作面 ， 通过分 析 比较钻探验证结果与探测结 果基 本 吻合 。 1 矿井直流电法探测的工作原理及其方法 叫 1 ． 1 矿井直流电法分类 由于划分依据 的不 同 ， 矿井直流 电法 的分支 比较 多 ； 根 据布极方式来 划分 ， 可分为对称 四极和单 极 、 偶 极法； 根据观测方式来划分 ， 可分为测深法、 剖面法和 透视法。他们都是 以全空间电场分布理论为基础 ， 讨 论不同的电性层或者不均匀地质体引起的变异场分布 规律， 从而推断地质异常体的赋存状态及性质。因矿 井直流电法理论成熟 、 层位反映清晰和对含水构造反 映敏感等特点而得到非常广泛应用 ， 其 中主要应用 于 巷道底板测深及探测迎头前方的含水构造 ， 可以有效 分析解决层位划分与富水体 圈定 问题 即直流 电测深 和超前探测 。 1 ． 2 矿井直流 电法基本原理 矿井 直流 电法 属 于全空 间电法勘探 是根据煤 层 、 岩层及其富水带导电性差异 ， 通过向地质体供人稳 定 电流 ， 观察 和测量 电场的分布情况 ， 从而确定岩体 、 矿体物性及其贫富水性分布规律。直流电法基本原理 如图1 所示 其中B是无穷远处 。 超前探测一般会在距巷道掘进工作面一定距离的 A布置供电电极 ， 另一供 电电极在无穷远处 B， 在巷道 内测量 电极MN 每 以一定 的间隔移动一次 ， A、 B之间 的视电阻率测量一次， 通过分析视电阻率的异常情况 来预测前方富水性和含水情况。 1 ． 3 直流电法仪的构成 井下 电法是将直流电法探测技术移植应用到煤矿 井下的电阻率探测技术 。具体说来 ， 就是以煤层与岩 层的差异导电性为基础 ， 在全空间建立电场 ， 在地下巷 道 中进行电法探测工作 ； 通过巷道内的供 电电极 ， 产生 的 电流在巷道 周围岩层 中建立起相对稳定 的电场 ， 测 }收稿 日期 2 0 1 4 0 1 0 6 修回 日期 2 0 1 4 一 O 卜 1 5 作者简介 李尚军 1 9 7 7 一 ， 男 汉族 ， 山西应县人， 工程师， 现从事水 、 工 、 环地质等方面的研究工作。 1 2 4 西部探矿工程 2 0 1 4 年第 1 1 期 电流 褥 圈 露 含水溶洞 超前距离 图 1 直流 电法原理示意图 量 、 记 录该电场的变化规律 ， 并利用空间电场理论对其 进行处理和解释 ， 就可以分析 出岩石中引起 电场变化 的水文、 地质构造特征， 从而确定贫、 富水区域的分布 规律和断层 、 裂隙发育区的特征。 YDz A型 防爆数字直流 电法仪是既可以可用于 地 面电法探测地质构造也 可以用于井下 电法探测 地 质 构造 的 电法勘 探 仪器 。其 主要是 由锂 电池 组成 5 ．4 A h ／ 1 0 ． 8 V的电池组、 逆变电路、 整流滤波电路、 单片 机控制电路 、 极性 变换发射输出电路 、 接收电路 、 液晶 显示 电模块 、 数据存储模块和通讯模块等组成。 锂电池输出的直流 电压经过逆变升压 电路产生高 压 ， 再经整流 电路滤波以及极性变换输 出， 通过AB供 人大地 ； 同时也通过MN接收大地的感应信号， 经数模 转换 器转换 成数 字信号后 ， 再输 人单 片机存 人存储 器 。存储器 中的数据通过RS - 4 8 5串行通讯 口进行数 据交 换与通信 ， 接 收到的数据经过软件解释得到矿体 的视 电阻率 ， 从而判断水文地质情况 ， 并最终在液晶显 示器上显示 。电法仪 的各功能模块如图2 所示 。 图 2 直流 电法仪 的组成 M N 2 直流 电法技术在太原矿区防治水中的具体应用 2 ． 1 矿区含水层概况以及应用直流电法的可行性分析 ‘ l 太原矿区的各生产矿井大多数是底板带压开采。 在煤底板 中， 普遍存在有 3 ～4 层太原组灰 岩含水层 。 矿区范围内的岩溶裂隙普遍富水性 中等 ， 其 中只有部 分井 田富水性较强。根据矿 区探测所记 录的数据 ， 煤 层与它的底板岩层的视电阻率煤层差别比较大； 煤层 电阻率较高的是 电阻率相对 比较稳定的标志层位 。相 比之下 ， 底板 岩层 的电阻率裂隙发育程度和充水情况 有着明显差异性。在正常情况下 ， 隔水层位相对 于泥 、 砂质岩 的视 电阻率应低于煤层 ， 但断层裂隙带 和底板 含水层的视电阻率却远小于正常情况时的相对隔水岩 层 。三者 的变化限定于一定的阈值区间， 可 以得 出， 直 流 电法技术在太原矿区应用是可行的。 2 ． 2回采前工作面 内易突水地段的圈定 在 回采之前预先对工作 面进行超前探测 ， 可 以将 工作面 内易突水 的地段有效圈定 ， 继而在工作 面回采 过程中来采取科学 的措施 防治水。图3 为太原矿区某 矿工作面下副巷探测 图。纵 坐标表示距巷底 深度 ， 横 坐标 表示距 切 巷距离 ， 图 中的黑色 区域 为富水 异常 区。图中根据视电阻率探测值绘制了等值线， 对工作 面存在的若 干个富水异常区进行 了标定 ， 来作 为丁作 面 回采时容易发生底板突水部位警戒 区， 依据实际 回 采过程揭露 的情况 ， 可以清晰得到出水点均分布在异 常区内。因为 ， 预先采取了及时有效地防范措施 ， 没有 造成任何灾害和损失 ， 起到了非常好的预报效果 。 50 6 0 70 R n 9 0 1 00 11 0 1 0 1 30 1 0 g 妲 - 2 0 _ 3 0 4 0 _ 5 0 5 0 6 O 7 O 8 O 9 0 1 0 0 1 l 0 1 2 O 1 3 O 图3 圈定工作面内易突水地段示意 2 - 3 对工作面回采时的水害危险性的评价 太原矿区某矿的井 中底板水害是所辖矿井中最严 重的矿井之一。在工作面底板水害方面直流电法超前 探测技术发挥了至关重要的作用 ， 且探测结果准确 、 直 观。同样使用直流电法对该矿工作面下副巷外段和 内 枷枷狮啪瑚 瑚 啪舳∞ 。 ■●■■圈日日 加 ∞ ∞ 柏 ∞ 2 0 1 4 年第 l 1 期 西部探矿T程 1 2 5 4 2 0 量呈墨兰墨兰兰兰墨 星 C J 2。8。暑 ■■■■■■■■瞄蹬幽瑚． i ． 缢圈■■l 图4 太远矿 区工作面 下副巷外段和 内段进行探测结果 图 段进行探测 ， 发现低阻异常区域与预测 的基本相同 ， 如 图4 所示 ， 在外段m现了5 处低阻异常区域 ， 在里段出 现 了2 处低阻异常区域。 综上分析 ， T作面已经安全回采 ， 且 回采过程中揭露 有 4 个 出水点在富水异常区， 而且总涌水量小于 5 0 m ／ h 与探察结果基本相符。 3 结论 通过对 直流 电法原理 的分析介绍 ， 并将其应用于 太原矿 区下属煤矿的超前探测 ， 收到了非常 良好 的效 果 ， 同时也了解 了矿井直流电法勘探对煤矿的岩层 、 构 造导水和含水构造反映的参数规律 。直流电法为矿井 煤层 的带压开采进行水患预报提供 了技术支持 ， 有效 地排除矿井 中的水害 隐患 ， 进 而使 得矿区能够安全持 续生产 ， 不仅仅取得了很好的经济效果 ， 也有效地避免 了经济损失和人员伤亡。 参 考文献 上接第 1 2 2 页 4 结论 1 通过冻结软岩的单轴蠕变试验 ， 获得 了负温下 软岩的蠕变特征曲线， 对试验结果进行分析， 得出蠕变 中瞬时 弹性应力应变呈非线性关系 ， 即弹性模量 与应 力相关 ， 并且其增加幅度随应力逐渐减小。 2 通过引入非线性弹性元件 ， 对西原模型进行改 进 ， 得到 了非线性弹性蠕变模型 ， 并对参数进行辨识 ， 结果表明， 模型能很好地描述冻结软岩的蠕变规律 。 参 考文献 ⋯ 1 王英敏 ． 矿井通风与防尘【 M】 ． 北京 冶 金 T 业 H { 版社， 2 0 0 7 ． [ 2 】 李志聃． 煤田电法勘探【 M】 ． 北京 煤炭工业出版礼， 1 9 9 1 ． 【 3 】 于景村， 李志聃． 高分辨率i极电测深法探测煤矿突水构造 『 J 1 ． 煤 田地质与勘探， 1 9 9 7 5 3 8 4 0 ． 【 4 】 关永乾， 麻新堂， 蔡寒字， 等． 矿井直流电法在煤矿水害预测巾 的应用I J I _ 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 J ． 中州煤炭， 2 0 0 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I J 1 ． 煤炭科技， 2 0 0 7 3 8 卜8 3 ． 【 7 】 成学光， 高鹏飞． 瞬变电磁法在煤矿水文地质勘探中的应用 f J 1 ． 煤炭技术， 2 0 1 l ， 3 0 7 l 2 4 1 2 6 ． 【 8 】 武善元， 于建泓． 应用便携式矿井地质探测仪超前探险测断 层[ c ] ／ ／ 矿井地质与资源环境全国矿井地质学术会议论文 集， 北京 中国矿业大学m版社， 2 0 0 4 ． [ 9 】 郭纯， 李文军， 邢文平． 电法探测技术在煤矿防治水方面应H j 的研究[ J 】 _ 河南理 r r 大学学报， 2 0 0 5 ， 2 4 6 4 3 9 4 4 2 ． 【 1 0 】 岳建华， 李志聃矿 井直流电法及在煤层底板突水探测巾的 应用【 J J ． 中国矿业大学学报． 1 9 9 7 ， 2 6 1 9 4 9 8 ． 【 1 】 范庆忠， 李术才， 高延法． 软岩三轴蠕变特性的试验研究【 J 1 ． 岩石力学与丁程学报， 2 0 0 7 ， 2 6 7 1 3 8 2 1 3 8 5 ． [ 2 】 徐卫亚， 杨圣奇 ， 等． 绿片 i轴流变力学特性的研究 I I 模 型分析【 J 1 ． 岩土力学， 2 0 0 5 ， 2 6 5 6 9 3 6 9 8 ． 【 3 】 余成学． 岩石非线性粘弹塑性蠕变模型研究f J 1 _ 岩石力学 l j T程学报 2 0 0 9 ， 2 8 1 0 2 0 0 6 2 0 1 1 ． 【 4 ] 李栋伟， 汗f ■ 和， 范菊红． 软岩屈服面流变本构模型及闹岩稳 定性分析【 J 】 ． 煤 炭学报 ， 2 0 1 0 ， 3 5 1 0 1 6 0 4 1 6 0 8 ． 【 5 l 袁海平， 曹平， 万文， 等． 分级加卸载条件下软弱复杂矿岩蠕 变规律研究I J 1 ． 岩石力学与T程学报， 2 0 0 6 ， 2 5 8 1 5 7 5 一 I 5 8 1 ． 【 6 】 张忠亭， 罗居剑． 分级加载下岩石蠕变特性研究『 J 1 _ 岩石力学 与工程学报， 2 0 0 4 ， 2 3 2 2 1 8 - 2 2 2 ．