综合物探技术在大弯煤矿巷道超前地质预报中的应用.pdf

第52卷第4 期 煤炭工程 COAL ENGINEERING Vol. 52, No. 4 doi 10.11799/ce202004009 综合物探技术在大弯煤矿巷道 超前地质预报中的应用 吴超凡、 邱占林、 路 拓 2,梁文全1 1 . 龙岩学院资源工程学院，福 建 龙 岩龙岩学院资源工程学院，福 建 龙 岩 364012 ; 2 . 西安科技大学地质与环境学院，陕 西 西 安西安科技大学地质与环境学院，陕 西 西 安 710054 摘 要 隐伏地质构造的超前预报是预防煤矿突水事故的关键。为查明龙岩市大弯煤矿 10 巷 道迎头前方构造的发育分布状况及富水性，在分析断层构造的弹性、电性等地球物理特征前提下， 结合井下巷道现场实际生产环境，采用震波超前探和瞬变电磁法对 10 巷道前方导水地质构造实施 综合探测和分析。结果表明地震与瞬变电磁综合物探方法较单一方法具有较大的成果解释精度优 势，其现场观测可充分利用先实施的震波超前探测技术定位断层等构造位置，进而实施瞬变电磁超 前探测技术予以补充验证，并根据电阻率异常判别其富水情况，能够为巷道施工和防治水措施的实 施提供更准确的地质和水文地质参数。 关键词综合物探；地震波法；瞬变电磁法；导水构造；超前探测 中图分类号TD163 文献标识码A 文章编号1671-0959202004-0043-05 Application of comprehensive geophysical prospecting in advance roadway geological forecast in Dawan Coal Mine WU Chao-fan1 , QIU Zhan-lin1, LU Tuo2, LIANG Wen-quan1 1. School of Resource Engineering, Longyan University, Longyan 364012, China； 2. College of Geology and Environment, Xian University of Science and Technology, Xian 710054, China Abstract Advance forecast of concealed geological structure is the key to prevent water inrush accident in coal mine. In order to find out the water abundance and development distribution situation of water conducted structure ahead of the 10 roadway head, based on the analysis of geophysics premise such as elasticity and the electric magnetic differences, combining with the actual production data of roadway, the seismic probing mine seismic prediction and transient electromagnetic are used for advance detection of 10 roadway. The results show that the integrated geophysical prospecting has better results interpretation accuracy compared to single geophysical , in on-site observation it can make full use of the advance seismic wave detection technology to locate structural locations such as faults, and then implement transient electromagnetic advance detection technology for verification, and determine its water-rich situation according to the resistivity anomaly, which can provides more accurate geological and hydrogeological parameters for roadway construction and water prevention measures implementation. Keywords comprehensive geophysical prospecting; mine seismic prediction ； transient electromagnetic ； water conducted structure； advanced detection 地质构造为地下水体提供了赋存空间和导水通 关键因素。对于隐伏地质构造的超前预测预报能够 道 ，控制着水体的分布与运移，是形成矿井突水的 有效预防矿井水害的发生，为水害治理和采掘工作 收稿日期收稿日期2019-03-13 基金项目福建省科技厅战略性新兴产业专项项目（基金项目福建省科技厅战略性新兴产业专项项目（ 2015Y 0073;福建省教育厅福建省教育厅JK 类科技项目（类科技项目（ JK2014050 ; 福建省教育 ; 福建省教育 厅中青年项目（ 科技类） （厅中青年项目（ 科技类） （ JAT170555 作者简介吴超凡（ 丨作者简介吴超凡（ 丨 964 ） ，男 ，福建仙游人，硕士，教授，主要从事工程地质、工程物探与地质灾害防治的教学与研） ，男 ，福建仙游人，硕士，教授，主要从事工程地质、工程物探与地质灾害防治的教学与研 究工作，究工作，E-mail cf6606。。 引用格式吴超凡，邱占林，路 拓 ，等引用格式吴超凡，邱占林，路 拓 ，等.综合物探技术在大弯煤矿巷道超前地质预报中的应用综合物探技术在大弯煤矿巷道超前地质预报中的应用[ J ] . 煤炭工程，煤炭工程，2020, 524 43-47. 43 施工技术煤 炭 工 程2020年第4 期 提供设计依据。目前井下对于地质构造的超前探测 方法主要有钻探和物探。而钻探是矿井探放水最直 接有效的方法，但与物探手段相比较，钻探工程用 时长、效率低、探测范围有限，很难全面反映区域 范围内的地质构造情况。矿井物探方法作为一种长 距离、快速无损探测方法，在隐伏地质构造超前预 报中发挥着日益重要的作用。地震反射波法对于探 测异常界面较为有效，其在许多工程实例中得到检 验；瞬变电磁法作为非接触式的物探手段，在探测 导水构造等方面也表现出较为明显的优势。由于地 质构造破坏了岩体的连续性和完整性，使得构造或 构造破碎带与围岩相比存在明显的波阻抗差异，出 现弹性波相位、能量等突变，在地震勘探中为良好 的波阻抗界面。同时，地质构造打破原有地层电性 异常界面（ 地电断面） 在水平和垂向上的分异规律， 如果构造不含水，局部电阻率值增高；若构造含水， 会造成电阻率的降低，这就为矿井地震超前探测和 矿井瞬变电磁技术的实施提供了良好的地球物理 前提[1_5]。 龙岩市大弯煤矿岩浆活动剧烈、矿体分布不均、 地质构造条件复杂，使得单一物探方法的处理和解释 更加困难。为了精准定位掘进巷道前方地质构造位置 并判断其富水性，文章采用矿井地震超前探测（ MSP， Mine Seismic Prediction和矿井瞬变电磁方法（ MTEM， Mine Transient Electromagnetic 相结合的综合 物探技术进行探查，两种方法相互比对验证，能够较 全面的反映待测目标区域的水文地质信息[64]。 1探测方法技术原理 1 . 1 震波超前探测技术原理1 . 1 震波超前探测技术原理 地震波超前探测主要采用地震波在岩层传播过 程中遇到地质异常体（ 出现波阻抗Z 差异） 时会发生 震波反射或折射的原理，在结合矿井巷道特性的基 础上，沿井下巷道后方布设震波震源和三分量传感 器来探测巷道采掘前方基本地质条件或水文地质情 况的观测系统。井下现场采集时，震源点通常沿巷 道侧帮（ 左 、右两帮） 平行洞底腰线位置成直线状排 列并依次有序激发，这样可使炸药、锤击等人工激 发震源所产生的地震波在碰到诸如岩层层面、裂隙 面、节理面、线理或劈理面等面状不良结构面，尤 其是断裂（ 断层） 破碎分界面或岩溶、构造陷落柱等 不良、软弱地质界面时，将导致反射波且由后方敷 设的检波器所接收形成有效地震波拟断面。检波器 后置的观测系统下使巷道前方地质构造的反射波具 有负视速度的特征，如 图 1 所示。通过提取负视速 度的反射波即可对巷道采掘前方有效反射界面进行 超 前 偏 移 成 像 ，从而取得掘进巷道前方地质异 常信息。 1 . 2 矿井瞬变电磁探测技术（1 . 2 矿井瞬变电磁探测技术（MTEM原理原理 矿井瞬变电磁法是使用不接地无极化回线向待 探测目标地质异常体发射电脉冲式一次（ 原生） 电磁 场，在脉冲方波后沿下降的瞬间，产生一个向回线 法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下， 异常地质体将出现涡流异常场，其大小主要决定于 异常地质体的导电程度，就在原生一次场消失后， 该次生涡流不会马上消失，它还存在一个过渡、递 进衰减过程。该地电变异过渡过程再生成一个递进 衰减的二次次生磁场向掌子面（ 迎头） 传播，由无极 化接收回线收集次生二次场，该次生磁场随时间t 的演变表明不同深度异常地质体的电性、地电场 分布情况。任一时刻，其地下一定深度处的涡旋电 流在地表相应产生的地电磁场可以等效为一个水平 横向环状线电流的地电磁场并随时间改变而向外迅 速扩散，等效电流环则如同是从发射无极化线圈中 冒出来的“ 烟圈” ，将感生电流向四周扩散的过程 形象的称之为“ 烟圈效应” [u]，如 图 2 所示。通过 视电阻率的有效求取以及电磁波扩散深度的计算即 可获得对应深度上目标介质的视电阻率[12_15]，从而 推测探测范围内的地质信息与水文地质特征。 图图 2 瞬 变 电 磁 全 空 间瞬 变 电 磁 全 空 间 “ 烟圈效应烟圈效应” 44 2020年第4 期煤 炭 工 程施工技术 2应用实例2应用实例 2 . 1 矿区概况2 . 1 矿区概况 大弯煤矿位于龙岩市的东北部，矿区属于侵蚀 中低山地貌类型，介于分水岭至河谷地带之间，地 形比较复杂，坡陡，高差较大，一 般 达 50〜 280m， 总的地势从东往西逐渐降低。矿区范围内地层主要 有石炭系下统的林地组、上统的经畲组和二叠系下 统的船山组、中统的栖霞组、文笔山组、童子岩组 及二叠系上统的翠屏山组、大隆组。 矿区的区域构造处于政和一大埔区域断裂带西 侧 ，龙永煤田复式向斜东翼，它由一系列北东及北 西方向的压性扭曲断裂或挤压破碎带组成。矿区内 的断层较发育，主要有北东向的F iE断层、F2 逆断 层 、F3逆断层，这三条断层控制了区内地层的展布 及矿层的空间分布，对矿层均起破坏作用，为水的 运移、富集提供了有利的条件。通过井下现场调研， 发现该矿在 10掘进巷道底板积水主要是在断层构 造附近巷道围岩破碎的区域，而 10掘进巷道即将 穿过前期三维地震解释断层破碎带，急需查明断层 具体位置及其富水性，指导巷道掘进和探放水工作。 2 . 2 震波超前探测技术现场布置2 . 2 震波超前探测技术现场布置 为了精确探查采掘前方断层位置、裂隙或节理 发育情况及其含、富水性，井下运用矿井地震超前 探测（MSP和矿井瞬变电磁方法（MTEM相结合探 测与预报，为掘进施工安全提供有效的技术参数。 本次MSP探测震源及检波器沿10掘进巷道左 帮布置。震源采用炸药震源，共计施工24炮 ，炮间 距 2m, 2 个三分量检波器接收，即Cl、C2 , 其中 C1 传感器距离P2 4 号 炮 点 20. 2m，C2 点 距C1 点 有效检波距5. 5m, 传感器及炮孔敷设顺序和方位 观测系统） 如图3 所示。采 用Ge〇Pen-SE2404NTm 型多道分布排列式综合工程探测及TZBS系列（ 主频 为 100Hz 3D传 感 器 进 行 数 据 采 集 ，采样间隔 200，记录长度4096个点。 C2 C1 |5.5m| 20.2m I I I I I ......... |2mgmil.6m P24 P23P22 P21 ......... P3 P2 PI 10进 巷 道 f 图图 3迎头震波超前探测测线布置图迎头震波超前探测测线布置图 2 . 3 矿井瞬变电磁探测技术现场布置2 . 3 矿井瞬变电磁探测技术现场布置 由于受井下瞬变电磁法勘探环境的限制，测量 线 圈 大 小 有 限 ，运 用 矿 井 瞬 变 电 磁 探 测 技 术 MTEM法对巷道迎头预测预报时只能使用与巷道 宽度接近的采集装置；而MTEM法的探测深度又与 其发射边框有一定的关系。 为了能最大程度满足探测的深度及解决相应的 地质问题，本次探测过程中采用了以线框作为发射 线圈Tx无极化） 和接收线圈Rx无极化） ，用于原 生场激发并接收次生感应磁场。两者均采用边长乙 为 1.5mx 1.5m优质无极化铜线、匝数通常为32匝， 24V的有效发送初始电压。在掌子面（ 迎头） 及两帮 共敷设布置一条测线，共 计 15个测点，其中每个测 点可有效探测顶底板、底板及顺层三个方向。具体 探测测线及测点布置如图4 所示。 2m 10掘进巷道 0.5m 迎 头 0.5m | 2m 12m 15* 14* 13* *10* 11* 12 巷道断面巷道巷道\ / 断面 巷道 巷道断面/ 发射 巷道 发射框线 90底板发射- 线4 \底板框线底板 a顺展探测方向 （b顶板探测方向 （c底板探测方向 图图 4 M TEM 法测点现场布置图法测点现场布置图 2 . 4 数据处理与结果分析2 . 4 数据处理与结果分析 2. 4. 1震波超前探测深度偏移分析 由于雷管延迟误差及巷道条件的影响，首先要 对地震记录进行静校正、带通滤波、自动增益控制 AGC等预处理。通过-/有效滤波快速提取视速 度 为 负 值 的 迎 头 （ 掌子面） 采掘前方反射波，如图 5b所示，然后根据初值拾取获得的地震波速度进 行绕射扫描叠加偏移获得深度偏移剖面。 深度偏移剖面直接反映了井下巷道采掘前方弹 性异常差异分界面在空间的实际位置关系。该图通 常采用不同的颜色来显示反射波振幅4 的有效大小， 颜色越深一般代表该处反射波能量 越强，浅色和 深色分别代表正相位和负相位。数据采集采用三分 量检波器，因此可以获得不同分量地震数据的偏移 剖面。井下巷道迎头（ 掌子面） 在 X 74m处 ，如图6 所示，从偏移剖面中可以看出，在迎头前方40 46m左右（ X114120m存在反射界面R,，且能量 较强。该反射界面在X 分量、Y 分量和Z 分量剖面 上均有反应推测为断层裂隙带的影响。 45 施工技术煤 炭 工 程2020年第4 期 图图 6 M SP深度偏移剖面深度偏移剖面 2. 4.2 瞬变电磁超前探测数据处理与解释 通过对原始数据进行测线拆分、炮-检道参修 改、有效圆滑处理、动-静干扰校正计算后期视电 阻率值时 深 有 效 转 换 获 得 视 电 阻 率 拟 断 面 ， 如图7 所示。由于仪器关断时间的影响，在浅部存 在 10m左右的盲区，迎头中心位置在坐标（ 〇 , 〇 处。从顶、底板及顺层视电阻率剖面可以看出，在 巷道掘进方向前方无明显的低阻异常区域，但根据 迎头顺层方向前方4080m 区域，存在较明显的电 性分界面，其视电阻率值为45riTn, 而且呈现出近 乎线状延伸，两侧出现明显的电性差异，再结合其 顶 、底板的情况，可初步分析其向上延伸较短，而 向下发育较深，与地震解释异常R,位置较吻合，且 分析该处视电阻率值较高，说明R,位置推测断层破 a维滤波后地震记录 （ bT-p维滤波后迎头前方反射波 图图 5迎头前方反射波提取迎头前方反射波提取 距离/m 25.0 50.0 75.0 100.0 125.0 碎带为弱富水性。 -110 -90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90 110 距离/m a迎头顶板TOP 100 80 40 20 35 35 35 -110 -90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90 110 距离/m b迎头顺层MIDDLE 100 1 60 40 20 0 35/5 -110 -90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90 110 距离to c迎头底板BOTTOM 0 5 1015 20 25 30 354045 50 55 60 65 视电阻率/n-m 图图 7 M TEM 视电阻率剖面视电阻率剖面 综合地震超前探测和矿井瞬变电磁探测成果， 在 迎 头 前 方 4 0 〜46m 范围内存在一断层破碎带 R,，结合该位置附近视电阻率值较高，推测断层 破碎带为弱富水性。后期掘进过程中在迎头前方 3942m位置揭露一断层，根据现场地质调查，该 断层为正断层，且断层带内岩石较破碎，含构造角 砥岩等断层证据（ 如 图 8 所示） ，见少量滴水，综合 物探成果与实际工程揭露情况较为吻合。 初始迎头位置 掘进方向 10掘进巷道 ‘煤层 39m 42m 图图 8实际揭露巷道地质素描图实际揭露巷道地质素描图 3结 论 1 通过震波超前探测技术，可在迎头前方40- 1 H - 、令 y / 道号道号 \\\\ Z分量y分量 s/褪留 46 2020年第4 期煤 炭 工 程施工技术 46m范围识别较强的反射界面R,，并判别其受断层 裂隙带影响。 2 通过瞬变电磁超前探测技术，可在迎头顺层 前方4080m范围提取两侧存在明显电性差异且与 R, 致的电性分界面，并根据电阻率值，推测为弱 富水性的断层破碎带。 3 震波与瞬变电磁相结合的综合物探技术能够 快速、有效地预测预报掘进巷道前方的地质构造位 置及其含（ 富） 性等水文地质信息，较单一物探方法 更具精度优势，可相互补充、相互比对验证，从而 为掘进巷道施工及防治水措施的选取提供更为准确 的水文地质参数。 参考文献参考文献 [1] 段天柱，赵洪月，胡运兵，等.煤矿掘进巷道地震反射波超 前探测技术及应用[ J ] .矿业安全与环保，2013, 402 80-82. 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