矿井综合物探技术在隐伏含水构造超前探测中的应用.pdf

Vol. 43 No. 4 矿 业 安 会 与 环 保矿 业 安 会 与 环 保 第第43卷 第卷 第4期期 Aug. 2016 MINING SAFETY 超前探测超前探测； 远距离声波超前探测法远距离声波超前探测法； 井下直流电法井下直流电法 中图分类号中图分类号TD745;P631 文献标志码文献标志码B 网络出版时间网络出版时间2016-08-04 0927 网络出版地址网络出版地址http //www. cnki. net/kcms/detail/50. 1062. TD. 20160804. 0927.010. html Application of M ine Com prehensive Geophysical Prospecting Technology in Advanced Detection of Concealed W ater-bearing Structure YUAN Dezhu Jiaozuo Coal Industry Group Co. , Ltd. , Jiaozuo 4 5 4 0 0 0, China Abstract In order to accurately detect the concealed water-bearing structure in front of a heading face in a coal mine, a comprehensive geophysical prospecting technology including the mine long-range acoustic detection and the mine D. C. electrical was used for the advance detection of the concealed water-bearing structure in front of the heading face in Zhaogu N o. 2 Mine of Jiaozuo Coal Industry Group Co. , Ltd. The results showed that using the long- range acoustic detection can better detect the position and scale of the concealed geological anomaly in front of the heading face and using the mine D. C. electrical can identify the water abundance of the structural anomaly. The comprehensive application of two geophysical prospecting s can make up each other蒺s deficiencies and verify each other by comparison, in addition, it not only improved the prediction accuracy, but also realized the detection of the structural anomaly and the detection of its water abundance. Keywords comprehensive geophysical prospecting; concealed water-bearing structure; advance detection; long - range acoustic detection ; underground D. C. electrical 矿井巷道掘进工作面前方的隐伏含（ 导） 水构 造 ， 如隐伏断层、 破碎带、 陷落柱、 岩溶等， 属于煤矿 生产活动中的主要灾害地质体。据统计,65左右 的矿井突水灾害发生在掘进阶段[1],其原因大多是 在掘进过程中遇到了隐伏导水构造（ 掘进前未探知） 造成不同水源的水突入矿井所致[2]。在巷道掘进之 前 ， 采用地球物理手段探查其前方的隐伏含（ 导） 水 收稿日期收稿日期2016-03-16;2016-05-10 修订 作者简介作者简介袁德铸（ 1964） ， 男， 河南鹤壁人， 焦作煤业 集团） 有限责任公司总工程师， 主要从事采矿工程和煤矿技 术管理工作。 构造是一种相对经济、 快速且有效的水害预报方法。 目前， 用于煤矿井下含（ 导） 水构造超前探测的物探 方法主要有远距离声波超前探测法、 直流电法、 瞬变 电磁法和地质雷达等。不同的物探方法在对灾害地 质体的探测中都有各自的优越性和局限性， 比如声 波（ 地震波） 类方法对异常区位置的探测比较准确但 对富水性反应不灵敏;直流电法对富水性反应灵敏, 但其体积效应大， 影响对异常区具体方位的准确判 断;瞬变电磁法体积效应相对较小但存在探测盲区; 地质雷达分辨率高但探测距离较短[3-5]。因此， 采用 单一的物探方法往往很难兼顾构造探测与富水性探 测 ， 而且因单一物探结果的多解性和施工现场干扰 68 第第43卷 第卷 第4期期 矿 业 安 全 与 环 保矿 业 安 全 与 环 保 Vol. 43 No. 4 2016 年年 8 月月 MINING SAFETY 二某层底板以泥岩、 砂质泥岩为 主， 底板含水层主要为L8灰岩和L2灰岩。L8灰岩含 水层平均厚度7.79 m， 上距二i煤 层 26.53 m， 岩溶 裂隙发育， 目前水位标高为-338 m， 属中等富水含水 层。L2灰岩含水层平均厚度12.53 m， 岩溶裂隙发 育,上距二1煤层92.42 m， 在断层或裂隙破碎带附近 会 向 L8灰岩补给。11131工作面顶底板岩层裂隙比 较发育， L8灰岩和L2灰岩富水性强， 且工作面周围断 层发育、 补给水源充沛， 突水系数为0.09 MPa/m。 因此,11131工作面回风巷在掘进过程中发生顶板淋 水、 底板出水的可能性较大， 对巷道安全掘进产生严 重威胁。为此， 有必要采用综合物探技术提前预报 掘进工作面前方隐伏地质构造异常体的位置、 规模 及其富水性， 以保障巷道安全高效掘进。 2 . 2 综合物探方案2 . 2 综合物探方案 综合物探兼顾构造探测与富水性探测。 构造探测采用远距离声波超前探测法,探查掘 进工作面前方隐伏地质构造异常体的位置和规模。 使 用 DTC-150防爆地质超前探测仪， 按系统要求施 工,观测系统布置1 个检波器接收孔（ 孔 深2.0 m 和 24个放炮孔（ 孔 深 1.5 m， 间距1.5 m， 第 1 个炮 孔距掘进工作面端头9. 0 m， 接收孔距离最后一个炮 孔 20.5 m。每个炮孔炸药用量均为75 g， 采用毫秒 延期的I 段电雷管逐个引爆。采集的地震波数据利 用计算机专用软件进行分步处理和解释， 主要步骤 包括带通滤波、 初至拾取、 炮能量均衡、 Q估值、 波场 分离、 速度分析、 深度偏移， 以及反射层提取等， 得出 声波反射层在探测范围内的空间分布特征。 富水性探测采用直流电超前探测法， 探查掘进 工作面前方隐伏地质构造异常体的富水性。使用防 69 V〇〇l.43N〇〇.4 矿 业 安 全 与 环 保矿 业 安 全 与 环 保 第第43卷 第卷 第4期期 Aug. 2016 MINING SAFETY ENVIRONMENTAL PROTECTION 2016 年年 8 月月 爆直流电法仪， 工 作 装 置 形 式 为 M-O- NB肄） ， 其中O为M N中点。人 1电极位置最靠近 掘进头处，AA p 位置固定且间距为4 m，M、N电 极保持间隔4 m由里往外依次平移、 按顺序采集数 据。根据巷道实际条件， 直流电法超前探测共完成 3 站6 6个物理点。采集的数据利用电法专用软件进 行处理和解释， 主要步骤包括预处理、 数字滤波、 数 据转换与计算、 全空间校正， 以及成果图绘制等， 得 出掘进巷道前方一定范围内的岩层富水性及含水地 质构造的分布特征。 2 . 3 综合物探结果及分析2 . 3 综合物探结果及分析 图3 为 11131工作面回风巷（ 通 尺 165 m处） 掘 进头远距离声波超前探测法的纵波成果图， 可见在 掘进头前方64. 5 〜 77.6 m 通尺229. 5 〜 242. 6 m 段存在一组反射界面区， 纵横波比（vp/vs及泊松比 都相对增加， 分别达到1 . 9 2 与 0. 31， 推断此段为煤 岩层破碎、 裂隙发育区或断层破碎带。 图4 为 11131工作面回风巷（ 通 尺 165 m处） 掘 进头直流电法超前探测成果图， 可以看出， 掘进头前 方 62. 8 〜 70. 0 m通尺227. 8 〜 235.0 m段拟视电 阻率值明显较低， 为一显著的相对低阻异常区， 推断 此段为煤岩层破碎、 裂隙发育区或相对富水区。 通尺165 m 掘进头 掘进头往前距离/m 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 62.8 m70.0 m ■ 低 阻 异 常 区 ■ 高 阻 异常区 图4直流电法超前探测成果图 1 150 140 130 ul20 110 100 90 80 70 60 50 -40 m ■ 20 综合远距离声波超前探测法和直流电法两种物 探结论， 分析认为 11131工作面回风巷（ 通 尺 165 m 70 处 ） 掘 进 头 前 方 62. 8〜77.6 m 通 尺 227. 8〜 242. 6 m段可能为煤岩层破碎、 裂隙发育区或断层 破碎带， 掘进时可能有顶板滴、 淋水增加或底板少量 出水现象， 对巷道安全掘进有一定影响。 3验证情况3验证情况 11131工作面回风巷在掘进至通尺230 m处揭 露 断 层 ， 其落差3. 2 m约为煤厚的一半） ， 倾角 45。 ， 倾向332。 ， 几乎垂直巷道走向， 伴有明显顶板淋 水 ， 实际揭露情况与综合物探结论吻合， 说明物探结 果较准确。断层在地面三维地震勘探时并未被 发现， 为一隐伏含水断层。综合物探技术较为准确 地预报了 隐伏断层的位置及含水性， 为巷道安 全掘进提供了参考依据， 保障了矿井安全生产。图5 标注了 11131工作面回风巷本次综合物探的位置及 巷道掘进揭露的断层分布情况。 由图5 可以看出， 断层揭露的实际位置与远距 离声波超前探测异常区的开始位置更为接近（ 相差 0.5 m， 说明地震波类探测法对构造界面变化更为 敏感、 更具优势。直流电法探测异常区的开始位置 比实际揭露断层位置距离掘进头稍微偏近（ 相差 2. 2 m， 这是因为该正断层倾向偏向掘进头处， 发育 的破碎带及其引起的相对低阻区距离掘进头更近， 也说明电法类探测法对岩层富水性变化更为敏感、 更具优势。 4结语4结语 1 远距离声波超前探测法抗电干扰能力强， 不 受井下巷道支护金属体等干扰， 利于探测地质构造 异常体的空间位置、 规模， 探测距离较长， 定位分辨 率、 准确率较高。该技术在公路、 铁路等隧道超前探 测中应用相对成熟， 在煤矿巷道应用中由于地震波 场（ 如存在槽波） 更为复杂， 在理论研究和资料处理 方法等方面还需进一步发展、 完善。 2 井下直流电法抗声波干扰能力强， 不受放炮、 第第43卷 第卷 第4期期 矿 业 安 全 与 环 保矿 业 安 全 与 环 保 Vol. 43 No. 4 2016 年年 8 月月 MINING SAFETY ENVIRONMENTAL PROTECTION Aug. 2016 运输杂音等干扰， 利于探测地质构造异常体的富水 性 ， 施工快速、 方便， 但超前探测距离相对偏近， 易受 巷道底板积水等影响,体积效应容易影响对异常区 的准确定位。 3 基于远距离声波超前探测法和直流电法的综 合物探技术， 在矿井隐伏含水构造的超前探测上可 以做到多参数探测、 对比分析、 相互验证、 综合解释, 可以提高物探预报准确率、 减少无效异常区数量， 并 同时兼顾构造探测和富水性探测， 达到单一物探方 法难以取得的探测效果。 4 本 次赵 固 二 矿 11131工作面回风巷（ 通尺 165 m处） 掘进头综合物探是在该矿开展的15次同 类综合物探中的1 次 ， 15次探测结果显示了同样规 律综合物探查明了所有落差大于等于1 / 2煤层厚 度 的 断 层 （ 共 4 条 ， 落 差 分 别 为 2. 6、 3. 2、 4.0、 17. 0 m， 已经通过巷道揭露证实） ， 但漏查了 2 条落 差小于2 m约 1/3煤层厚度） 的断层（ 落差分别为 1.2、 1.7 m， 说明综合物探技术超前预报掘进工作 面前方断层时， 可分辨出的断层落差应大于等于1/2 煤层厚度， 对于落差较小或与巷道延伸方向夹角较 小的断层有可能被漏探。 上接第上接第5 9 页）页） 变形量为18 mm， 三号交叉点的最大变形量为22 mm， 一号、 三号底鼓和两帮变形量相当， 目前已趋于稳定, 巷道变形量已控制在允许范围内， 巷道成型良好。 4结语 1 巷道交叉点处破坏的主要原因是该处在经受 几次应力重新分布后， 岩石裂隙沿各方向充分发展 和延伸， 局部完全丧失承载能力， 整体失去稳定性。 2 单向肋梁充分发挥了柔性支护作用， 有效保 护了交叉点稳定， 巷道成型质量好， 开挖速度快， 达 到了节约成本， 缩短建井工期的目的， 由监测结果可 知， 围岩最大变形量为22 mm， 变形破坏得到了较好 的控制。 3 单向肋梁柔性支护方案施工简单， 是一种有效 控制交叉点变形的支护方式， 对附近矿井乃至整个彬 长矿区大巷交叉点的支护具有一定的借鉴意义。 参考文献 [1] 何满潮， 李国峰.兴安矿深部软岩巷道交叉点支护技 术[J].采矿与安全工程学报， 2007,242127-131. 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