掘进巷道构造富水性电法探测综合应用研究.pdf

第2 O卷 第3期 总第 1 2 4期 2 0 1 5年 6月 煤 矿 开 采 C OAL MI NI NG T EC HNOL OG Y V o 1 ． 2 0 N o ． 3 S e ri e s N o ． 1 2 4 J u n e 2 0 1 5 掘 进巷道构 造富水性 电法探 测综合 应 用研 究 肖乐乐 ．一 ，魏久传 ，- ，牛超，翟培合 ，施龙青 一 ，尹会永 一 ，朱鲁 1 ．山东科技大学，地球科学与工程学院，山东 青岛 2 6 6 5 9 0 ；2 ．山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东 青岛2 6 6 5 9 0 [ 摘要】 从电法超前探测技术的应用原理、实施方法等方面分析，分别阐述 了目前二维直流 电法、瞬变电磁法、三维高密度等超前探测方法的优缺点和在实际应用中的适用条件。根据井下巷道 现场工作环境，采用矿井三维高密度超前探测技术、矿井瞬变电磁超前探测技术，对掘进巷道前方断 层富水带进行综合探测并对比分析。探测结果表明三维高密度电法较矿井瞬变电磁方法具有更广的 适用性、抗干扰能力；矿井瞬变电磁方法具有较高的低阻分辨能力、一定的探测方向性；两者综合应 用于巷道前方构造富水区探测中具有互补性强、精度高等特点。 [ 关键词】 掘进巷道；超前探测；三维高密度 电法；矿井瞬变电磁 [ 中图分类号]T D 7 4 5 ． 2 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 1 5 0 3 0 0 2 1 - 0 4 Co mp r e h e n s i v e App l i c a t i o n o f El e c t r i c a l S ur v e y i ng W a t e r y Pr o p e r t y o f Te c t o n i c i n Dr i v i n g Ro a d wa y XI AO L e 。 l e t ， WEI J i u c h u a n ， ， N I U Ch a o ， ， Z HA I P e i ． h e ， S HI L o n g ． q i n g ， YI N Hu i ． y o n g ， ， Z HU L u 1 ． E a r t h S c i e n c e＆ E n g i n e e r i n g S c h o o l ，S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e＆T e c h n o l o g y ，Q i n g d a o 2 6 6 5 9 0 ，C h i n a ； 2 ． S h a n d o n g P r o v i n c i a l K e y L 0 r a t 0 r y o f S e d i m e n t a r y M i n e r al i z a t i o n a n d M i n e r al s ，Q i n g d a o ， 2 6 6 5 9 0 ，C h i n a Ab s t r a c t F r o m a p p l i c a t i o n t h e o r y a n d i mp l e me n t me t h o d， t h i s p a p e r i n t r o d u c e d r e l a t i v e me rit s an d a d a p t a b i l i t y c o n d i t i o n o f c u r r e n t a d v a n c e d d e t e c t i o n me t h o d s i n c l u d i n g 2 - d d i r e c t c u r r e n t e l e c t ri c me t h o d，t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d ，3 - d h i g h d e n s i t y e l e c t r i c a l me t h o d ． B a s e d o n u n d e r g r o u n d r o a d w a y e n v i r o n me n t ，a p p l y i n g mi n e 3 - d h i g h d e n s i t y e l e c t r i c al a d v a n c e d d e t e c t i o n t e c h n o l o g y a n d t r an- s i e n t e l e c t roma g n e t i c t e c h n o l o gy ，wa t e r ric h z o n e i n a d v a n c e o f d riv i n g f a c e w a s c o mp r e h e n s i v e l y d e t e c t e d an d c o mp a r e d ． Re s u l t s s h o w e d t h a t 3 - d h i s h -- d e n s i t y e l e c t ri c a l me t h o d h a d w i d e r a d a p t a b i l i t y a n d s t r o n g e r a n t i i n t e r f e r e n c e ab i l i t y t h a n tra n s i e n t e l e c t roma g n e t - i c me t h o d a n d t h e f o r me r h a d h i g h e r l o w i mp e d a n c e r e s o l u t i o n a n d s o me d e g r e e d e t e c t i n g d i r e c t i v i t y ． C o mp r e h e n s i v e a p p l i c a t i o n o f the t w o me t h o d s i n wa t e r - ri c h z o n e d e t e c t i o n i n a d v a n c e o f r o a d wa y wo u l d e x e r t the a d v ant a g e o f s t r o n g c o mp l e me n t a ry a n d h i g h p r e c i s i o n ． Ke y wo r d s d r i v i n g roa d wa y ； a d v a n c e d d e t e c t i o n ； 3 - d h i s h d e n s i t y e l e c t r i c al me t h o d ； mi n e t r a n s i e n t e l e c t r o ma gn e t i c 掘进巷道穿越构造时容易发生冒顶、突水等事 故 ，特别是 当富水构造成为连接强含水层的导水通 道时 ，将 直 接 威 胁 整个 矿井 的安 全 生产 。根 据 煤矿防治水规定相关要求，巷道揭露构造体 前 ，必须坚持 “ 有疑必探 ，先探后 掘” 的指导方 针 ，使用物探 、化探 、钻探等方式查 明构造 的导 、 富水性。掘进巷道地球物理超前探测具有工期短、 施工方便 、探测效果直观等特点 ，对指导构造异常 体的防治水问题具有先天优势，特别是当掘进巷道 连续穿过断层密集 带 ，可 以通 过连续物探 超前探 测 ，保证留设足够 安全防水煤 岩 柱 ，减少不 必要的钻探工程 ，优化探水钻孔布设 ，提高探放水 钻孔 的成功率。 1 掘进巷道构造富水性超前探测方法 矿井掘进巷道超前探测技术发展迅速 ，目前较 为成熟的方法主要有电法与地震法。针对掘进巷道 中构造体导 、富水性特征 ，主要使用电法超前探测 技术 ，构造异常体与围岩的电性差异是超前探测的 基础_ l J ，目前主要包括二维直流电法，瞬变电磁 方法和三维直流电法 ，在实际应用中有相应的适用 条件和优缺点 。 1 ． 1 二维直流 电法 二维直流电法超前探测原理是利用了前方富水 构造异常体在点源 电流场中引起的体积效应。井下 施工时 ，采用三极观测系统 ，单测线布置测点于巷 【 收稿日期]2 0 1 4 1 0 2 2 I D O I l 1 0 ． 1 3 5 3 2 ／ j ． c n k i ． c n l 1 - 3 6 7 7 ／ t d ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 0 7 [ 基金项目】国家 自 然科学基金资助项目 4 1 3 7 2 2 9 0 ；山东省矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地 山东科技大学开放基金资助 项目 M D P c 2 0 l 2 K F 1 3 ；山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室开放课题资助项目 D M S M 2 0 1 0 1 2 ；高等学校博士学科 点专项科研基金资助项 目 2 0 1 3 3 7 1 8 1 1 0 0 0 3 ；山东科技大学 2 0 1 4 2 0 1 5年度研 究生科研创 新基金 资助项 目 YC 1 4 0 2 0 4 [ 作者简介]肖乐乐 1 9 8 5 - ，女，山东滨州人，博士研究生，主要从事矿井水害防治研究。 [ 引用格式】肖乐乐，魏久传，牛超，等．掘进巷道构造富水性电法探测综合应用研究 [ J ]． 煤矿开采， 2 0 1 5 ，2 0 3 2 1 2 4 ． 21 总第 1 2 4期 煤 矿 开 采 2 0 1 5年第3期 道迎头后方 ，逐次改变测量 电极间距以获取 电阻率 信息。二维直流电法超前探测距离取决于测线布置 的距离 ，其极值一般小于 1 2 0 m ] 。 二维直流电法具有抗干扰能力强、施工简单 、 工期短 、能够适应井下恶劣环境等特点 。但是 ，由 于该技术的先天原理体积效应， 对工作面掘进 巷道底板异常体区别分辨能力不足， 无法查明巷道 前方构造富水异常体的产状 、纵向延伸等情况。 1 ． 2 瞬变电磁方法 矿井瞬变电磁超前探测技术是利用不接地回线 源向掘进巷道前方发射 固定频率的脉冲磁场 ，断电 后观测感应 电流值 以获 取前 方地质体 电性信 息 J 。井下施工时 ，采用赤道同轴观测装置 ，根 据发射线框及接受线 圈法线指向，确定探测方 向。 资料处理时利用滤波 、时深转换等方法 ，获得掘进 巷道前方构造异常体电阻率分布。 井下瞬变电磁超前探测具有低阻异常分辨灵 敏、无高阻屏蔽、施工简单方便等优点。但受巷道 中支护锚 网、游离 电流等干扰使得 分辨率易受影 响 ；探测深度受关断观测时窗影响大 ；存在全空间 效应 ，另一探测法线指向掘进迎头后方 ，其干扰迎 头前方探测精度；存在探测方 向 5～2 0 m 的盲 区 9 - l 。 1 ． 3 三维高密度直流电法超前探测 三维高密度直流电法结合二维直流电法超前探 测的优点 ，通过改变测线布置及数据采集方式 ，呈 指数形势增加了数据采集量 ，使之将掘进迎头构造 异常体以三维立体形式逐层 “ 扫描 ” ，弥补了直流 电法超前探测的缺点和不足 ，提高了富水异常区探 测结果的准确性 L 4 1 。井下施工时 ，双线布置测 点 ，掘进迎头平均布置 3个 电极 ，采用二极 、三极 观测装置 ，以加大数据量并纠正巷道顶底板异常体 造成的干扰 ，获得富水异常体三维信息。 三维高密度超前探测具有抗干扰能力强 、井下 施工方便 、立体成像 、无探测盲 区、高精度 等特 点。由于数 据采集量较大 ，单 次井下工作 时间达 1 ． 52h 2井下 电 法超前 探测 应用 2 ． 1 掘进巷道地质、水文概况 三采 区运输上 山轨道巷位于鲁西某矿井西北部 的三采区南侧 ，巷道沿二叠纪山西组砂岩掘进 ，岩 层倾角 3 。 ，上距新近系底部含水层大于 1 5 0 m，下 距 3煤顶板 2 0 m，下距太原组三灰含水层 6 2 ． 2 m。 三灰为矿井开采 3煤层底板直接充水含水层 ，厚度 22 3 ． 8 0～1 0 ． 8 0 m，平 均 7 ． 7 8 m。三灰整体 富水性 较 弱 ，目前涌水量 7 5 0 m ／ h 。巷道掘进至距离张楼断 层 2 0 0 m位置时 ，为防止发生突水而停止施工 ，拟 采用物探以查 明张楼断层的导、富水性 ，特别需要 查明是否与三灰含水层存在水力联系。 张楼断层为贯穿井 田南北 的中型逆断层 ，位于 西部 3煤层露 头 以东 ，倾 向 E，倾 角 4 5 。 ，落 差 0～ 3 9 m。已掘进巷 道一侧为张楼 断层 的下盘 ，张 楼断层的存在使得巷道揭露断层面附近与对盘三灰 含水层的距离缩小至 2 2 ． 8 m。 北侧的回风大巷穿过张楼断层时揭露了一系列 的次生小断层 ，探放水钻孔揭露水文情况表明三灰 涌水量及水压 随接近张楼断层而变大 H 4 - 3探放 水孑 L 距离张楼断层 1 8 4 m，钻孔涌水量 5 m ／ h ，水 压0 ． 8 MP a ，H 5 2号探放水孔距离张楼断层 1 2 6 m， 钻孔三灰涌水量 3 5 m ／ h ，水压 1 ． 2 MP a 。 2 ． 2 掘进巷道地球物理特征 三采 区运输上 山轨道巷顶板为山西组细砂岩 、 石盒子组粉砂岩 ，厚度大于 1 5 0 m，底板为山西组 砂 岩 2 0 m 、3 煤 层 9 ． 3 m 、 山 西 组 砂 岩 2 5 m 、太原组粉砂岩一 细砂岩一 薄层灰岩 5 4 m 、 三灰 7 ． 7 8 m 、砂岩一 煤一 薄层灰岩互层。巷道岩 层电性特征是进行本次地球物理勘探的基础 ，根据 测井资料统计三采区巷道顶底板岩层的电阻率特征 见表 1 ，分析认为含有岩溶裂隙水的灰岩电阻率 相对于其他岩石电阻率较低 ，富水性较强的断层带 电阻率低。因此，探测 目 标与其围岩电阻率具有极 大的差异性 ，能够使用电法作为勘探技术手段 。 表 1 掘进巷道顶底板岩性电阻率特征 岩石 电阻率／ n i n 细砂岩 粉砂岩 富水性较强 的断层带 含 岩溶裂 隙水 的灰岩 煤层 富水性差 的断层带 灰 岩 泥岩 含裂隙富水 的砂岩 2 ． 3 现场施工方案 本次探测使用瞬变 电磁及三维高密度直流电法 作为超前探测手段 ，数据采集使 用 WD J D一 4型高 密度电法系统及 P r o T E M4 7 H P瞬变电磁系统 。 1 三维 高密度 布置绕巷道左侧帮一掘进迎 头一右侧帮一周 ，布置测 点 6 1个 ，电极间距 5 m， 迎头位置布置 3个电极 ，数据采集使用二极、三极 观测系统 ，共采集数据 4 5 2 0个。 咖 ∞ ∞ 咖渊 。 ∞ 咖 ㈣ 咖 咖 咖 瑚 姗 ㈣ 舢 姗 瑚