直流电法超前探测煤矿巷道前方高阻体.pdf

2020.11 科学技术创新 直流电法超前探测煤矿巷道前方高阻体 李雄伟 （中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077） 直流电法是研究与地质体有关的直流电场的分布特点和规 律， 进行找矿和解决某些地质问题的方法， 其利用点电源场的 球壳原理，基于岩石矿石的电性差异完成探测。直流电法超前 探常被用于探测煤矿井下巷道掘进前方的低阻异常体， 如含富 水的巷道、 破碎带、 陷落柱等等地质构造[1]。这些隐伏地质体含 富水或积水时， 与围岩电性差异明显， 容易被探测， 但是当不含 富水或不积水的时候， 则不易被探测， 此时仍然影响大型综采煤 矿的掘进及工作面布置， 严重威胁煤矿安全生产[2-4]。比如不积 水的采空老巷道， 其是瓦斯的聚集场所， 规模小而不易被定位 探测， 则易在掘进阶段引发瓦斯突出[5]。实现快速准确的探测掘 进巷道迎头前方的隐伏危险源，对于保障生产安全意义重大。 文章采用理论方法较成熟的直流电法超前探测技术[6-7]， 运用消 除了地层层状空间影响和各向异性影响的资料处理方法， 在生 产矿井中对煤矿掘进迎头前方已知空巷道进行了试验探测， 准 确的探测出了空巷道的位置。 1 直流电法超前探测 在地下均匀空间内， 如图 1 所示， 采用三个供电电极 A1、 A2 和 A3、 一个无穷远电极 B、 两个接收电极 M 和 N 的六电极系装 置， 在掘进巷道的迎头附近等间距布置施工[8]。供电电极依次向 地下供入人工加载的直流电， 建立地下以供电电极为球心的点 电源球状电场， 电流线以供电电极为球心往外延伸， 形成的等电 位面也均是以供电电极为球心的球壳面， 该球壳面的特点是在 同一个球面上的任意一点的电位相同， 在巷道后方以固定间距 的方式布置接收电极， 单接收电极测量的电位为 （1） 式中 I- 电流源场的大小，单位 /A； U- 观测点测量电位的 大小， 单位 /V； R- 电流源到观测点之间的距离， 单位 /m； ρ- 均 匀全空间的视电阻率， 单位 /Ω m。计算连续两个接收电极 （M、 N） 测得两个球壳之间的电位差。当巷道掘进迎头前方无隐伏地 质构造时， 测量的电位差值比较均匀， 可视为正常背景值； 相反 测量的电位差值将发生变化。获得电位差以岩石的视电阻率公 式（K 为装置系数,） 计算测量的视电阻率。实测电位差是在全空间内测量所得， 其 不仅含有掘进头前方的地质信息， 后方、 上方、 下方、 左方、 右方 等等的地质信息均包含在内。在资料处理中，需要消除地层层 状空间影响和各向异性影响， 以处理之后的电阻率划分电性异 常， 推测隐伏的地质异常体。 图 1 直流电法超前探测工作布置及原理图 2 资料处理关键技术 如上图 1 中所示， 由三个供电电极分别供电， 测量电极 MN 依次向后移动测量获得 3 条电位曲线，由视电阻率计算公式可 计算对应视电阻率值，从而获得对应视电阻率曲线。根据地层 电性分布规律及层状空间的电性特征， 进行误差分析， 并采用拟 合的方法， 拟合获得一条新视电阻率曲线， 做为模板曲线， 再将实测曲线与模板曲线进行归一化， 可得到归一化解释曲线， 曲线上对应点的用于解释地质信息的视电阻率值表示为 Expx, i， 即 （2） 式中， 下角 s、 m 分别代表实测和模板，i1、 2、 3 表示三条曲 线； x1、 2、 3、 、 n 表示测点。如此处理， 即可达到消除地层层状 空间的影响以及各向异性的影响。统计用于解释地质信息的视 电阻率数据的平均值和标准偏差， 结合实际地电特征、 测井或已 知地质构造体的电性规律，确定探测中的异常阀值 M。当无异 常体存在时， 异常阀值与用于解释的视电阻率值相同， 即 Expx, iM； 若有异常， 则 Expx, i≠M， 此时将 Expx, i M 的值或区 域定为高阻异常值或区域。 3 试验探测 3.1 探测区域概述 直流电法超前探测空巷道的试验工作，选择在王家岭煤矿 已在掘进的回风大巷迎头实施， 与该巷道相距约 30m 的平行巷 道为运输大巷， 运输大巷掘进较快， 前方 P11 导线点处的联络行 已掘通， 且在回风大巷内掘进宽度为 8m， 距离回风大巷掘进迎 摘要 直流电法超前探测常被用于煤矿生产中低阻含水体的探查， 不含水的隐伏地质异常体也是安全生产的隐患， 如利于 有毒有害气体聚集的不积水老窑巷道。基于直流电法的探测原理， 井下超前探测的技术特点和工作方法， 对王家岭煤矿巷道掘进 迎头前方已知局部空巷道进行施工探测； 采用消除了地层层状空间影响和各向异性影响的资料处理方法， 成果解释出了一段高 阻异常， 与探测空巷道位置相对应。探测结果表明直流电法可以探测出存在电性差异的高阻隐伏地质体， 为煤矿安全掘进提供安 全保障。 关健词 直流电法； 探测； 煤矿； 巷道； 高阻 中图分类号院P631文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2020冤11-0023-02 SMN KUI  MN U NM UU sm     sssm xp sm x,ix,i Ex,i100 x,i    作者简介 李雄伟 （1970原） ， 男， 汉族， 陕西西安人， 工程师， 现从事地质勘探、 水文地质勘察及岩土工程设计工作。 23-- 科学技术创新 2020.11 头约 22m， 内无杂物， 更无积水， 属典型的空巷道， 巷道宽度约 4m、 高度约 4m （如图 2 所示） 。 图 2 试验探测区示意图 3.2 地球物理特征 探测施工场所的目标煤层位于二叠系山西组煤层，此处煤 层结构简单， 厚度约 4m， 厚度变化不大， 属层状稳定赋存的可采 煤层， 电性值较高， 属高阻煤层； 煤层顶板和底板岩性均为泥岩 偶见粉砂岩或泥质砂岩， 与煤层相比其为相对低阻层。据此可 知， 煤层附近地层电性主要为上下相对低阻层中加一稳定的高 阻煤层， 煤层内的空巷道为一近绝缘的极高阻体， 故此空巷道 与围岩直接存在明显的电性差异， 利于直流电法超前探测。 3.3 超前探测结果 在中央回风大巷掘进迎头后方施工，第一个供电电极距离 迎头 14m，接收电极以固定的极距在远离迎头的一侧逐步跑极 进行电位差数据采集。施工过程中共布置供电电极 3 个，采电 位差数据 3 组。经采用前述资料处理方法，获得经归一化后的 各点的解释视电阻率值 Expx, i i1、 2、 3， 并形成处理后的视 电阻率曲线。采用拟合归一的方法对 3 条解释曲线进行处理， 并结合地层电性可获得一条可用于推断解释的最终曲线， 这里 亦用 Exp表示 （如图 3 （a） 所示） 。 对处理后的视电阻率曲线中对应的数据进行均值和标准偏 差统计， 可得均值为 9.99， 标准偏差为 8.99。根据前述地球物理 特征的分析， 已知目标体 （空巷道） 的实际位置及其极高阻的电 性特征， 确定异常阈值 M 为 1 （均值减去标准偏差） 。由图 3 （a） 中曲线所示， 在横坐标 2131m 范围内的 Exp1， 解释为高阻异 常， 其他位置的 Exp均小于 1。绘制沿巷道迎头向前的断面图如 图 3 （b） 所示， 图中不规则线条为视电阻率等值线， 有深颜色填 充的区域为高阻异常区。由图 3 （b） 可见高阻异常反应明显， 横 向上与迎头的距离位于 2131m 之间，与图 2 中迎头与空巷道 的位置 2230m 的范围吻合较好，验证了直流电法超前探测高 阻异常体的有效性。 图 3 直流电法超前探测结果 4 结语 煤矿井下用于超前探测的物探方法比较多，也多具有针对 性， 采用常用于探测低阻地质体 （含水） 的直流电法超前探测技 术探测高阻体， 并在处理和解释方法上做一改进， 实现了对高 阻体的准确定位探测。该实验探测的成功， 对于其它受老窑巷 道威胁的煤矿具有借鉴和指导意义， 也可将该探测方法作为煤 矿采空区、 老空巷道等隐伏危险地质体的常规探测方法长期使 用。 参考文献 [1]张平松,李永盛,胡雄武.巷道掘进直流电阻率法超前探测技术 应用探讨[J].地下空间与工程学报,2013,91135-139. [2]罗国平.直流电阻率三极超前探测的有效性[J].中国煤炭地质, 2017,29372-75. [3]李清林,谢汝一,王兰普.应用电CT成像探测煤矿采空区及其 稳定性计算[J].工程地球物理学报,2006,3297-102. [4]路军臣,苏维涛,张济怀.瞬变电磁法在探测小窑采空区中的应 用[J].河北煤炭,2002,239. [5]夏庸华.焦作煤田矿床充水条件及地下水防治建议[J].煤田地 质与勘探,1985,12220-23. [6]韩德品,李丹,程久龙,王鹏.超前探测灾害性含导水地质构造 的直流电法[J].煤炭学报,2010,354635-636. [7]程久龙,王玉和,于师建,等.巷道掘进中电阻率法超前探测原 理与应用[J].煤田地质与勘探,2000,28460-62. [8]刘金峰,霍振奇.直流电三点源超前探测技术的创新与应用[J]. 河北煤炭,200667-9. 24--