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网络并行电法在煤矿断裂构造探测中的应用 许福美, 陈振翔, 王闽恒, 杜进权, 黄瑞璋 龙岩学院 资源工程系, 福建 龙岩 304012 [摘 要] 针对福建煤矿地质构造复杂及其对煤矿开采和安全生产造成极大影响的特点, 为提 高工作效率和保证安全生产, 对断裂构造进行超前探测具有重大现实意义。 在收集翠屏山煤矿各种地 质资料的基础上, 运用网络并行电法对该煤矿南集运巷进行断裂构造的超前探测, 通过实验数据进行 解译和现场揭露对比, 结果表明 网络并行电法得到的电阻率参数所划定的断层破碎带边界与井巷掘 进揭露的边界基本一致, 说明网络并行电法在煤矿超前探测断裂构造的运用是可行的。 [关键词] 网络并行电法; 断裂构造; 超前探测 [中图分类号] TD15; P631． 3 [文献标识码] A [文章编号] 1006-6225 2016 04-0023-03 Application of Network Parallel Electric in Fault Structure Detection of Coal Mine XU Fu-mei, CHEN Zhen-xiang, WANG Min-heng, DU Jin-quan, HUANG Rui-zhang Resource and Engineering School, Longyan College , Longyan 304012, China Abstract To the problems of mining and safety production was influenced heavily by complex geological situation of coal mine in Fu- jian province, the advanced detection of fault structures was important for working efficiency and safety ． On the basis of all kinds geo- logical data of Cuipingshan coal mine, the fault structures of the south concentrated translation roadway was advanced detection by net- work parallel electric , then through compared with experimental data explaining and exposed in site , the results showed the boundary of fault broken zone was confirmed by electrical resistance parameters that obtained by network parallel electric was similarly with explored in practice, the results showed the was feasibly． Key words network parallel electric ; fault structure; advanced detection [收稿日期] 2016-01-11[DOI] 10． 13532/ j． cnki． cn11-3677/ td． 2016． 04． 006 [基金项目] 国家级大学生创新创业训练计划项目 G20142011; 福建省自然科学基金项目 2015J01170 [作者简介] 许福美 1965-, 男, 福建莆田人, 教授, 主要研究方向为煤田地质与矿井水害防治。 [引用格式] 许福美, 陈振翔, 王闽恒, 等 ． 网络并行电法在煤矿断裂构造探测中的应用 [J] ． 煤矿开采, 2016, 21 4 23-25． 福建省翠屏山煤矿断裂构造十分发育, 是水害 发生的重大安全隐患, 急需对断裂构造进行探测, 以保证安全生产。 目前煤矿对构造的探测多采用钻 探和巷探的方式, 这些方法效率低, 成本高, 而物 探方法作为一种较为新兴的探测方法, 在成矿构 造、 采空区、 陷落柱等探测中取得了良好的探测效 果, 并积累了大量经验[1-5]。 刘盛东等[6]提出的 并行电法数据采集技术更是提升了井下数据采集效 能。 本次探测采用网络并行电法仪对掘进迎头进行 超前探测, 在收集的矿区资料基础上对探测结果进 行了综合分析, 并将探测结果与后期巷道揭露的实 际情况进行了对比, 说明该方法在煤矿超前探测断 裂构造中是可行的, 且探测的精度和可靠性较高。 1 地质概况 翠屏山煤矿煤系地层为中二叠统的童子岩组 P2t 地层。 主要可采煤层为童子岩组第三段的 22, 28 等二层煤和童子岩组第一段的 38, 39 等二 层煤。 该矿断裂构造极为发育, 主要断层有 F0, F1, F4, F6, F9, F12和 F中等, 这些断裂破碎带有 的本身就是储水区和透水通道, 对安全生产威胁极 大。 由于翠屏山煤矿断层发育, 且大部分为含水断 层, 是造成透水事故的重大隐患, 所以生产过程中 探查透水断层是重要任务之一。 含水的断裂破碎带 表现的电阻率值比围岩低, 与正常煤岩层间存在明 显的电性差异, 因此可以利用网络并行电法探查此 类断裂构造。 2 工作原理与探测方法 并行电法和其他电磁类方法一样, 也是以岩石 及矿体的电性差异为基础, 借助人工电磁场, 利用 相应的仪器设备, 通过对电流场在地层中分布情况 的研究和观察, 来研究地球物理场在空间和时间上 的分布规律, 用以解决地质问题的一类物理勘探方 法[7]。 网络并行电法仪的优点是采用任何一个电极供 电, 所有其他的电极可以同时进行电位测量, 也就 是可以同时采集电位, 这样就能够把靶区的自然电 32 第 21 卷 第 4 期 总第 131 期 2016 年 8 月 煤 矿 开 采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol． 21No． 4 Series No． 131 August 2016 位清晰地反映出来, 也能够准确反映一次场电位和 二次场电位的变化情况, 极大地提高了数据采集速 度。 并行电法仪采集的数据为全空间电位值, 由于 电位测量的同时性, 排除了不同步的干扰问题。 本次探测采取温纳三极法 图 1, 极间距为 2m, 布置 32 道电极, 在巷道两侧测试 2 条测线。 图 1 温纳三级布极方式 3 数据采集、 处理与解释 由于网络并行电法属于直流电法, 探测有效最 大侧向范围为 AB/2, 从实际施工实验来看, 对于 巷道前方断裂构造的探测, 通常将电极布置于掘进 迎头的中线位置, 则所探测出的电场变化主要受巷 道前方岩层内的地质变化的影响。 所以为了探测巷 道前方的断裂构造, 所采用的 AB 间距应足够大, 才能保证电流场能够覆盖到巷道前方足够远的距 离。 本次探测 AB 间距 500m, 共布设 64 个电极, 在掘进迎头的中线位置布设 4 个电极, 电极间距 0． 5m, 其余电极选择巷道没有排水沟的一侧, 电 极间距 2m, 测线全长 128m, 测量 2 次 AM 与 ABM 工作模式各 1 次, 数据量 132 个。 现场探测 时, 掘进迎头电极的布设为 先用风钻在掘进迎头 打孔, 孔深 300mm, 电极插入后用黄泥拌食盐堵 孔, 使其与岩壁接触良好; 巷道中将电极打在巷道 底部靠近侧壁的一侧, 为了使电极与巷道岩层能够 良好接触, 进行电极盐水浇灌。 探测场地选择在翠 屏山煤矿 301 采区中0 开采水平的南集运巷 图 2。 图 2 井下观测系统布置示意 采用以上参数测得的原始数据绘制的图像如图 3 所示。 从图 3 可以得出 现场测得的数据较为准确, 其各个电极的电流大小变化较为明显, 且峰值平 图 3 AM 与 ABM 两种探测方式原始图像 稳。 粗略判断地质体间的电阻率差异明显, 测试地 面起伏不大, 成图效果较好, 可作为详细解译的基 础数据。 使用 WBD2． 0 软件系统对探测数据进行处理, 相应的电流图像如图 4。 解编后的成果如图 5 所 示。 图 4 AM 和 ABM 探测方式解编后电流图像 图 5 探测成果 由电法探测特点可知, 因井下实际巷道内的各 种金属器件有较强的电磁场干扰, 如顶板支护的锚 网、 底板铺设铁轨以及侧帮施工的锚杆等, 这些金 属物体均在电场数据采集过程中造成一定的干扰。 在图 4 中, WX1 与 WX2 处有 18, 19, 20, 21, 22、 23 共 6 个电极的电流异常认为是无效数 据, 因其电流变化较小, 且超过 3 个连续电极数 量, 有可能是该处地面有渗水或者是井下电极布置 与巷道内金属距离较近造成的。 根据现有理论分 析, 金属使得电场在局部地段聚集, 改变电流场的 正常传播, 在电场信号采集时表现差异突出, 造成 42 总第 131 期煤 矿 开 采2016 年第 4 期 电阻率异常畸变, 所以应将其剔除, 不做参考。 本次探测迎头前方 100m 范围内存在 2 处低阻 区分别为 DZ1 和 DZ2。 DZ1 低阻异常区位于迎头前 方 0 20m 范围内, 视电阻率小于 35Ωm 可能是 煤层或是破碎带中存有一定水量的断层带。 DZ2 低 阻异常区位于迎头前方 33 40m 范围内, 视电阻 率小于 35Ωm, 可能存在有断层破碎带, 且其裂 隙中存在一定量的水, 开采时应注意安全防护。 建 议对 DZ1 和 DZ2 低阻区域进行巷探验证, 并加强 巷道掘进的地质编录, 为后续探测提高精度提供依 据。 4 结果与实际对比 测量结束后的 60d, 翠屏山煤矿在 301 采区南 集巷继续向前掘进, 揭露出 F14断层 图 6。 图 6 0 水平采掘工程平面 部分 在实际掘进中, DZ1 的区段中并未发现所预测 的岩性发生变化, DZ1 区段岩层裂隙发育并伴有少 量水渗出, 对生产没有显著的影响。 DZ2 区段内发 现了所预测的岩性及产状发生变化, 揭露出一条产 状为 133∠60的正断层, 该断层含水量较大, 岩 性破碎, 与探测结果相吻合。 5 结 论 1通过在翠屏山煤矿断裂构造探测中的应 用, 说明网络并行电法在煤矿超前探测中的应用是 可行的, 且能达到矿方生产要求的精度, 可靠性较 高。 2 由于网络并行电法本身的特点, 其对水 敏感, 所以探测的断层含水量越大, 效果越好。 [参考文献] [1] 高 波 ． 东胜煤田火烧富水区的瞬变电磁法响应特征及综合 探查 [J] ． 煤炭技术, 2015, 34 6 201-203． [2] 徐 佳, 朱 鲁, 翟培合, 等 ． 回采工作面底板富水区的矿 井瞬变电磁法探测 [J] ． 煤炭技术, 2014, 33 11 88- 90． [3] 张平松, 胡雄武 ． 矿井巷道掘进电磁法超前探测技术研究现 状 [J] ． 煤炭科学技术, 2015, 43 1 112-115． [4] 程建远, 金 丹, 覃 思 ． 煤矿地质保障中地球物理探测技 术面临的挑战 [J] ． 煤炭科学技术, 2013, 41 9 112- 116． [5] 付天光 ． 综合物探方法探测煤矿采空区及积水区技术研究 [J] ． 煤炭科学技术, 2014, 42 8 90-94． [6] 刘盛东, 张平松 ． 分布式并行智能电极电位差信号采集方法 [P] ． 中国专利 ZL20041O014020． 0, 2006-04-20． [7] 李世峰, 金瞰昆, 周俊杰 ． 资源与工程地球物理勘探 [M] ． 北京 化学工业出版社, 2008． [8] 宋 劲 ． 煤矿冲刷带探测中的高密度网络并行电法方法 [J]. 河南理工大学学报 自然科学版, 2014, 33 4 441 - 446． [9] 程志平 ． 网络并行电法教程 [M] ． 北京 冶金工业出版社, 2012． [10] 黄晓容 ． 矿井高密度电法在充水岩溶裂隙探测中的应用 [J]. 矿业安全与环保, 2014, 41 5 56-58, 68． [11] 吴荣新, 张平松, 刘盛东 ． 双巷网络并行电法探测工作面内 薄煤区范围 [J] ． 岩石力学与工程学报, 2009, 28 9 1834-1838． [12] 丁后稳, 杜少能 ． 网络并行电法在新集二矿 1 煤底板灰岩富 水性探测中的应用 [J] ． 煤矿开采, 2013, 18 4 26-28, 57．[责任编辑 施红霞] ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 上接 42 页 解决自动化放煤困难的问题提出解决方案, 为综放 开采实现放煤的自动化智能化提供新途径, 对促进 我国数字化矿井建设具有重要意义。 [参考文献] [1] 综采技术手册 编委会 ． 综采技术手册 [M] ． 北京 煤炭 工业出版社, 2001． [2] 陈炎光, 徐永圻 ． 中国采煤方法 [M] ． 徐州 中国矿业大学 出版社, 1991． [3] 许永江 ． 无源红外线煤岩界面探测系统 [J] ． 煤炭科学技术, 2003, 31 1 42-45． [4] 赵宏珠 ． 综采高产高效途径及其成套设备可靠性研究 [M] ． 北京 煤炭工业出版社, 1993． [5] 秦剑秋 ． 煤岩界面识别传感技术 [J] ． 煤矿机电, 2003 26 26-29． [6] G L Mowrey． Horizon Control Holds Key to Automation [ J]. COAL, 1992, 97 1, 47-48． [7] 李守智, 田敬民 ． 智能传感器技术及相关工艺的研究进展 [J] ． 传感器技术, 2002, 21 4 61-64． [8] 王 祁, 于 航 ． 略谈智能传感器的设计与制造 [J] ． 传感 器技术, 1998, 17 2 50-53． [9] 白雪峰, 廉自生 ． 掩护式支架姿态监测与控制的研究 [D] ． 太原 太原理工大学, 2003． [10] 周喜章 ． 热释电红外传感器原理与应用 [J] ． 传感器世界, 1996 7 19-20． [责任编辑 徐亚军] 52 许福美等 网络并行电法在煤矿断裂构造探测中的应用2016 年第 4 期