复合物探在地质构造与水害超前探测中的应用.pdf

2 0 1 3 年第5 期 中州煤炭 总第 2 0 9 期 复合物探在地质构造与水 害超前探测 中的应用 杨 培 ， 姚小 帅 ， 张 春光 义煤 集 团公 司 地 质 研 究 所 ， 河 南 义马4 7 2 3 0 0 摘要 为探明义煤 集团金 鼎煤矿 一3 2 8 m水平大巷前方 F ，正断层发育 情况 及岩层 富水性 ， 运用瞬变 电磁 、 炮 法超前探测和高分辨直流 电法等复合物探技术对该巷 进行超前探测 。根 据探 测成果综合分析 ， 探测 范 围内 无明显的构造和 富水异常 ， 巷道 实际揭露情况证实 了复合物探探测结果 的准确性 。 关键词 复合物探 ； 地质构造 ； 水害 ； 超前探测 ； 高承压 中 图分 类 号 P 6 3 1 文献 标 志 码 B 文 章 编 号 1 0 0 30 5 0 6 2 0 1 3 O 50 0 6 60 4 地质 构造 的发 育情况 和岩层 的 富水 性是 诱发 突 水事故的 2个主要因素 。在高承压巷道掘进过 程 中 ， 探 明前方 上述 两 个 因 素是 必 须解 决 的首 要 问 题 。物探作为有效 的超前探测手段之一 ， 在矿井超 前探测中得到了广泛应用 。但在井下实际应用 中 ， 单一 的物探 勘探 手段 由于勘探 方法 限制 ， 不能 同 时有效解决构造和水害问题 ， 满足不 了高承压巷道 的超前 探测要 求 。利 用 井 下复 合 物 探技 术 ， 综 合 不 同勘探手段 ， 对探测区域进行综合分析 ， 将物探异常 区重叠 部分 作为钻 探 验 证 和 防治 水 工作 的重 点 ， 能 有效 提高构 造和水 害探 测 的精 准度 。 结 合金 鼎煤矿 井 田勘探 和地震 资料 ， 当 一 3 2 8 m 轨道 大巷 掘进至某 井下 测量 点 G 前 1 3 0 m时 ， 巷道 前方 6 0 m将穿过落差 2 0～ 4 8 m 的 F ， 正断层。为 了准 确 反 映掘 进 面前 方 F 正 断层 的发育 情 况 和岩 层富水性信息 ， 采用瞬变电磁仪、 炮法地质超前探测 仪 和高分 辨直流 电法仪 对前 方地质 信息进 行 复合勘 探 1 地质与水文地质概 况 金鼎煤 矿为 一 基 建 矿 ， 井 下 一3 2 8 m 水 平 大 巷 布 置在 白垩 系九店 组下 段 含 砂 砾 岩 中 ， 巷 道 底 板下 距二． 煤层约 2 0 m。白垩系九店组下部为灰 白一灰 绿 色凝灰 质含 砾粗砂 岩 ， 底 部发 育一层 紫红 色砾岩 ， 偶夹中粗粒砂岩 ， 与下伏地层角度不整合接触。大 巷所在区段位于煤层风化剥蚀 区内， 二叠 系厚度较 收 稿 日期 2 0 1 3 0 2 2 5 作者简介 杨培 1 9 8 4 一 ， 男 ， 河南南阳人 ， 2 0 0 8年毕业于河南理 工大学 ， 现从事矿井物探、 地质和水文地质工作 。 6 6 薄 ， 平 均厚 8 ． 8 m， 岩性 主要 为泥岩 夹 煤线 。其 下 为 石炭 系太原组 和本 溪 组 地层 ， 其 中太 原组 主要 由上 部灰 岩段 、 中部砂 泥岩段 和下部 灰岩段 组成 ， 总厚 约 2 1 m； 本 溪组 主 要 由厚 3 ． 3 m 的铝 质 泥 岩 组 成 图 1 。 地层 系统 系 统 组 厚度， m 柱状 岩性描述 凝灰质砾岩，紫红色、灰绿色及杂色， 白 九 2 0 o ．0 6 3 5 ． 0 ， 主要成分为石英小砾石 ， 粒径5 ～ 1 5 垩 下 店 系 统 组 4 4 5 ． O m m，具凝灰质 ，夹薄层泥质条带。 山 一 下 西 3 ．6 1 4 ．5 叠 统 组 8 ．8 泥岩夹二一 煤层 。 系 0 ．9 6 ．5 毒 石 灰 岩 ， 裂 隙 被 方 解 石 充 填 。 2 ．8 石 上 太 6 ．0 一 l 5 ．4 9 ．3 砂质泥岩夹 中砂岩 。 炭 统 原 组 蓉 石 灰 岩 ， 隐 晶 质 结 构 ， 富 含 化 石 ， 裂 系 4．017．5 8．6 隙 被 方 解 石 充 填 。 中统 本溪组 U ． 一 ／ ． 5 铝质泥岩，灰色、深灰色，泥质结构。 3 ．3 寒 上 崮 白云质灰岩 ，灰色、深灰色 ，细晶结 武 山 4 2 ．0 7 9 ． 0 构 ，主要为白云石，裂 隙发育 。 系 统 组 5 8 ．0 图 1 区域 综 合 柱 状 示意 金 鼎井 田位 于汝 阳 断陷 盆地 的北 东 部 ， 整体 为 一 走向近东西 、 倾 向南的单地层。含煤地层整体倾 向 1 7 0 。 ～ 2 0 0 。 ， 倾角 5 。～ 3 5 。 ， 西缓东陡， 南缓北陡， 北部地 层翘起 明显 。区内与含煤 地层 关系 密切 的为 一 条 F ， 正断层 ， 走向 3 2 5 。 ， 倾 向 2 3 5 。 ， 落差 2 0～ 4 8 m， 其勘探 位置距 掘进 面约 6 0 m 图 2 。 矿井 主要充 水水 源为 二 ， 煤 层 间接 底 板寒 武 系 白云岩岩溶 裂 隙水 ， 其 次 为 二 煤 层 直 接 底 板 石 炭 系灰岩岩溶裂隙水。其 中寒武系白云岩岩溶裂隙含 水层 富水 性极 不 均 匀 ， 上距 巷 道 底 板 约 5 0 m， 水 位 2 0 1 3年第 5期 杨培 ， 等 复合物 探在 地质 构造 与水 害超 前探 测 中的应 用 总第 2 0 9期 标高 3 1 0 m， 巷 道 底 板 承 受 的寒 灰 水 压 近 6 ． 4 MP a ， 突水系数大于 0 ． 1 MP a ／ m， 巷道掘进过程 中若 遇存 在底 板富 水 区域或 与径 流条 带沟通 的构造发 育 地带时 ， 就会发生突水事故 ， 威胁矿井安全。 图 2 F ，断层 与 大巷 的位 置 关 系 2 超 前探测及施工方法 2 ． 1 高分辨 直流 电法 三极 超前探 测 高 分辨 直流 电法 三极 超前 探测 属全 空间 电法勘 探 ， 主 要研 究掘 进面 前方 岩层 电性 变化规 律 ， 以岩 石 的 电性 差异 为基 础 ， 在 全 空 间条 件 下建场 ， 使 用全 空 间电场理论处理 、 解释和预测掘进面前方岩层的富 水性和导水断层 的分布 、 发育情况 。 此次电法勘探采用 Y D 3 2 A 防爆型高分辨直 流电法仪 ， 与普通直流电法相 比， 该仪器具有探测距 离大 、 抗 干扰能 力强 、 精度 高 等特点 。井 下施 工 时在 一 3 2 8 m 大巷 掘 进 面 一 次性 布线 进 行 超 前 探 测 ， 共 布设 3个发射 电极 、 3 2个 接收电极 图 3 ， 理论超 前 探测 距 离为 1 0 4 m。 Al A2 A3 _】I f l 坞 ’ ， ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 一． ．里 地 1 尬2 。 。 ’ 。⋯ 。‘ ⋯’ ’r] 单位 m 。 。 ’。 ’ 。 ’ ’ 。。 。 图 3 高分辨直流电法三极超前探测施工布置方式 2 ． 2瞬变 电磁超 前探 测 瞬变电磁法是利用发射 回线向地下发射一次脉 冲磁场 ， 并在 一 次脉 冲 磁 场 间歇 期 间 采集 由地 下 导 电介 质激发 产生 的 二次 涡 流 场 ， 通 过 二 次涡 流 场 的 观测和反演解释从而获得地下介质的电导率值、 电 性分层 、 厚度变化 、 电性体埋深和产状以及地下电性 结构 等有关 信 息 的一 种方 法 ⋯。 井下 瞬 变 电磁 勘 探受 巷 道 空 间 限制 ， 一 般利 用 多 匝小线 圈 ， 采 用 同心 偶 极 装 置 图 4 进行 发 射 和 接收。井下探测时距 目标体相对较近， 要求 瞬变 电 磁 的盲 区尽可 能 小 ， 因 此采 用 同心偶 极 方 式 。掘 进 面超 前探 测装 置方 式 比较 特殊 ， 兼 具 同点 装 置 和偶 极装置特点， 但又不同于其中任何一种。工作时， 接 收线 圈 紧贴正 前方 煤 壁 放 置 ， 发射 线 圈 置 于距 接 收 线 圈 1 0 m 处 ， 两 者 所 在 的 平 面 相 互 平 行 ， 且 T x与 R x轴 线相互 保持 平行 并指 向 目标 体 。 图 4瞬变电磁同心偶极探 测装置示意 此 次 瞬变 电磁 超 前 探 测 采 用 P R O T E M 瞬 变 电 磁 系统 ， 该 系统体 积 效 应小 、 探 测方 向性 强 、 分 辨率 高 、 对低阻区敏感 。在井下施工过程中， 根据探测任 务要求 ， 采用 1 2 8匝 1 m1 m移动式发射线圈， 1 ． 0 A发射电流， 2 5 H z 频率发射 3 O时间门测量 ， 通过调 整 线 圈与巷 道底 板 之 间 的角 度 ， 改 变 线 圈法 线 的指 向 ， 线 圈分别 以仰 角 3 0 。 、 垂 直于 巷道 、 俯 角 3 0 。 放 置 图5 ， 获取接 收线 圈法线方向一定深度范围内低 阻异 常体 的分布 规律 。 b 平探 e 俯探 国 5 瞬变 电磁超前探测测 线布 置示意 6 7 2 0 1 3年第5期 中州煤炭 总第 2 0 9 期 2 ． 3炮法地 质超 前探 测 炮法地质超前探测仪采用反射地震方法。地震 波在 指定 的震 源点用 引爆 小 药量 炸 药 激发 产 生 ， 在 煤岩 中 以球 面 波 形 式 传 播 ， 当 遇 到 岩 石 物 性 界 面 即波阻抗 差 异界 面 ， 如 断层 、 岩 石 破 碎 带 、 陷 落 柱 等 时， 一部分地震信号反射 回来， 一部分信号发生 折射进入前方介质 ， 反射的地震信号将被高灵敏度 的地震检波器接收 ， 通过解释反射的电磁波信号而 获取掘进前方的地质信息。 超前探 测 采 用 D T C 一 1 5 0型 防爆 地 质 超 前 探 测 仪 ， 该仪器具有不受井下金属体 、 电缆干扰， 采集数 据量大 ， 资料易于解释 ， 探测距离大等特点。在施工 时 ， 利用小 药量 炸药爆 炸 作 为 激发 震 源 ， 在 一 3 2 8 I n 轨道 大 巷 右侧 帮 布置 2 4个炮 孔 和 1个 接 收孔 。炮 孔 间距 为 1 ． 5 1T I ， 孔深 1 ． 5 12 1 ， 距底 板 1 ． 5 m； 接 收孔 距 2 4 炮 孔 1 6 m， 孑 L 深 2 m， l 孔 距 正 前 方 4 m 图 6 。 旦 兰 三 三 一旦竺旦 旦旦 旦殳 旦旦 旦殳呈塑 旦Q旦 里旦殳旦 殳 一 I 接收孔 炮孔 2 4 1 2 1 掘进 面 单位 l lfl 图 6炮 法 超 前 探 测 施 工 布置 方式 3探 测 结 果 分 析 3 ． 1 电法超前 探测 从 电法超 前探 测 成果 图 图 7 看 ， 掘 进 前方 勘 探 范 围 内岩层 视 电 阻率 值在 3 0～1 3 5 Q m。其 中 ， 较低值出现在掘进面正前 0～ 2 0 m范 围， 结合勘探 现 场视 电阻率 值低 于 5 0 Q IT I ， 分 析为 巷道 正前 方炮 孔 含水 影响所 致 ； 掘 进前 方 2 0～9 0 m 范 围 ， 视 电 阻 率值整体较高 ， 无低阻异常区， 巷道掘进前方岩层存 在 富水 区域 和导含水 构造 的可 能性较 小 。 o l O 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 超前探测距离h 单位 n m 1 3 0 1 2 0 l 1 0 1 0 o 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 图 7电法超前探测成果 电阻率均显示中高阻， 勘探范围 内无 明显的视 电阻 率值突变区域或低阻异常区域。掘进前方岩层裂隙 不发育 ， 整体富水性较弱， 无明显的富水区域或导含 水 断层存 在 。 左1 5 。 正前探 右1 5 。 a 仰探 左 1 5 。 正前探 右 1 5 。 b 平探 左l 5 。 正前探 右1 5 。 c 俯探 图 8瞬 变 电磁 超 前 探 测 视 电 阻率 断面 3 ． 3炮 法地质 超前探 测 从勘 探成果 图 图 9 看 ， 在 探 测 范 围 内存 在 4 处较为明显的地质异常体反射界面， 其 中反射界面 1 为 掘进 正 前 方岩 层 破 碎影 响所 致 ； 反射 界 面 2和 反 射界 面 3为前方 1 0～2 0 m范 围岩层 密 度 发 生较 大变化裂隙发育或岩性变化影响所致 ； 而在掘进前 方 2 0～1 1 0 m范 围 ， 仅 存 在相 对 较 弱 的地 质 异 常反 射 界面 4， 岩 层相对 较完 整 ， F ， 断层在 探测 区域 内存 在 的可 能性较 小 。 丑 1 ．8 ’ L弋 J - j 毒 厂 1 U ’ 殛 一 【．．．． ．．．．． ．．．．． ．．．．．． _ _ J 龆。 2 3 5 0 9 2 9 3 9 4 0 5 9 6 9 7 0 8 0 9 9 l o o l ,l f , 旧 ⋯⋯ 一⋯ 射界 超前探测鹏 插 一面 ／ ／ 面 衄 图 9炮法超前探测成果 3 ． 2 瞬变电磁超前探测4 综合分析与成果验证 在瞬 变 电磁 超 前 探 测 仰 探 、 平 探 、 俯 探 “ 三 向 ” 综合 直 流 电法 、 瞬 变 电磁 和炮 法 超前 探 测 的成 勘探 线成 果图 图 8 上 ， 掘进面 前方 8 0 m 范 围 内视 果 ， 掘进 面前 方 1 0 0 m 范 围 内没 有 明 显 的低 阻 和构 68 2 0 1 3年第 5期 杨培 ， 等 复合物 探在 地质 构造 与水 害超 前探 测 中的应 用 总第 2 0 9期 造 异 常区域 ， 岩层 含 富水性 较 弱 ， 局 部可 能存 在裂 隙 发 育地 带 ， 但存 在强 富水 区域 和 导 含水 断 层 的可 能 性 较小 。根据矿 方 在 掘 进 面布 设 钻 孔 验 证情 况 ， 前 方 1 2～1 5 m范围裂隙相对发育 ， 钻孔有少量涌水。 当 一 3 2 8 m 水 平 大 巷 掘 进 工 程 穿 过 复 合 物 探 区 域 时 ， 根 据现 场掘 进情 况 ， 巷 道 在 1 2～1 5 m 和 5 4～ 5 6 m范围裂隙有一定的发育 ， 巷道顶板存在少量淋水 ， 而勘 探范 围 内其 他 区域 的岩石 完 整 性 较 好 ， 巷 道 顶 底 板 不存 在滴 淋和 涌水 现象 。 5 结 论 1 瞬 变 电磁采 用 的“ 三 向” 多 角 度超 前探 测 法 和 电法三 极超 前探 测 ， 显 示 掘 进 前 方 无 明显 富水 异 常 区 ， 对前 方 的地层 电性 信息 有较 为准 确 的反 映 。 2 D T C - 1 5 0型防爆地质超前探测仪对掘进前 方断层发育的探查情况与实际揭 露基本相符 ， 无 明 显 的断层 异 常体 ， F 断 层在勘 探 范 围内不存 在 。 3 3种 勘探 手 段 的联 合 运 用 获取 了掘 进 前 方 更 为可靠 的水 文地 质信 息 ， 经 验证 是较 为 准确 的 ， 该 方法 为高 承压 掘进 巷道 超前 探查 岩层 富水 性和 地质 上接 第 5 8页 瞬 变 电磁 勘 探 ， 在 圈 定 的相 对 富 水区布置 3～5个地面水文孔 ， 通过抽水试验和水位 动态 观测 ， 了解 岩溶 发 育规律 和 富水性 。 根据 上述 二 ． 煤 层 底 板 突 水 原 理 分 析 ， 结 合 十 一 矿二． 煤层不 同区域底板含水 构造的发育情况 ， 分别 采取 底板 注浆 加 固和底 板注 浆帷 幕等 方法 进行 整体 防治 。 5底板注 浆加 固措施 1 在 回采 工 作 面 切 眼 贯 通 之 后 ， 对 回采 工 作 面进 行物 理探 测 ， 根 据探 测 结 果 和 相 邻 工作 面揭 露 资料 ， 有针 对 性 地 对 局 部 区 域 进 行 底 板 注浆 加 固。 为了达到加固效果和施工方便 ， 在需要加固的回采 工作面运输巷或邻近 的底板泄水 巷内， 向采 面内底 板施工注浆钻孔。根据钻孑 L 浆液扩散半径确定钻场 间距 和终 孔 与 回风 巷 的距离 。从 目前 十一 矿 已施工 的注 浆钻 孔 效 果 分 析 ， 注 浆 孔 扩 散 半 径 在 1 5 m 左 右 ， 每 3 0 m布置 1 个钻场 ， 每个钻场施 工 2个钻孔 剖 面扇形 布 置 ， 加 固厚度 超 过底 板 破 坏 深度 与剩 余最小隔水层厚度总和 ， 即 H≥MP ／ Tc ， 隔水 层 具体 厚 度根 据现 场煤层 底 板含水 层 静水压 及公 式 T P ／ M C 计算而定 突水 系数 临界值为 异 常提供 了重要参 考 。 参 考文 献 [ 1 ] 虎维岳 ． 矿 山水 害防治理论 与方法 [ M] ． 北京 煤炭工业 出版 社 ， 2 0 0 5 ． [ 2] 孟 召平 ， 张贝贝， 谢晓彤 ， 等． 基于岩性一 结构 的煤层底板突水 危 险性评价 [ J ] ． 煤 田地质与勘探 ， 2 0 1 1 1 0 3 5 -4 0 ． [ 3 ] 孙明 ， 郑文翔 ， 张文泉 ， 等． 深井底板突水组合 灰色物元判别 系 统及应用 [ J ] ． 煤 田地质与勘探 ， 2 0 1 1 1 2 3 6 - 3 9 ． [ 4] 田劫 ， 韩光 ， 吴钰 晶， 等． 矿井独头巷道掘进超 前探测技术现状 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 6 8 1 8 - 2 0 ． [ 5 ] 邵雁 ， 邓春 为 ， 孙胜利 ， 等． 综合物探技术在煤 矿岩巷掘进超前 探测岩溶中的应用 [ J ] ． 矿山安全与环保 ， 2 0 0 7 6 2 5 - 2 7 ． [ 6 ] 蒋宗霖 ， 于景邮， 孙伟涛． 矿 井瞬变 电磁法低 阻体 的全空间 响 应影响研究[ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 2 8 1 0 7 1 1 0 ． [ 7 ] 刘志新 ， 岳建华， 刘仰光． 扇 形探测技 术在超 前探测 中的应用 研究[ J ] ． 中国矿业大学学报 ， 2 0 0 7 1 1 8 2 2 8 2 5 ． [ 8 ] 苏德国 ， 刘忠伟 ， 牛广． 王 家寨煤矿井 下巷道 超前探 测方法研 究 [ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 0 9 1 4 8 5 0 ． [ 9 ] 朴化荣 电磁勘探 法原理 [ M] ． 北京 地质出版社 ， 1 9 9 0 ． [ 1 0 ] 蒋邦远 ． 瞬变 电磁法勘探 [ M] ． 北京 地质 出版社 ， 1 9 9 8 ． 责任编 辑 刘欢欢 0 ． 1 M P a ／ m， M 为 隔水层 厚度 。 2 底 板加 固厚度 的确定 。根据 h 0 ． 7 0 0 7 0 ． 1 0 7 9 L ， 计 算 出 二 一 2 2 0 7 1回采 工 作 面 采 长 1 7 6 m 底 板 破坏深 度 为 l 9 ． 7 m， 该 工作 面煤层 底板 距最 近 的砂 岩 含水层 2 8 m， 底板静 水压 为 3 ． 5 MP a ， 扣除 破坏深度 l 9 ． 7 m， 剩余 8 ． 3 m 为有效 隔水层 ， 根据 突水系数公式 T P ／ M C 。 c 。 取 0 计算 ， 其突 水系 数 为 0 ． 4 2 MP a ／ m， 远 大 于 突 水 系数 临界 值 0 ． 1 MP a ／ m， 工 作 面 底 板 突 水 可 能 性 极 大 。 因此 要 求底板 加 固后 ， 在底 板 遭 受 1 9 ． 7 1 1 “3 ． 的破 坏 后 ， 剩 余 的加 固层 厚度 至少 能够 承受 3 ． 5 MP a的静水 压 。 同样 ， 依据 底 板 破 坏 深 度 1 9 ． 7 m、 底 板 含 水 层 静水 压 P 3 ． 5 MP a和 底 板 突 水 系 数 临 界 值 0 ． 1 MP a ／ m及公式 T P ／ M C 。 计算得 为 5 4 ． 7 11 1 ， 即底板 加 固厚 度 至 少 达 到 5 4 ． 7 I Y I 时 ， 才 能 保 证 采 面在 回采过程 中不受底 板水 的影 响或威 胁 。 6 结 语 矿井 出水 是 可 以预 防 的。通 过 对 二 煤 工 作 面 水文地质条件和出水机理分析 ， 找出了工作面出水的 主要原因， 在工作面回采前后制订相应 的防治水措 施 ， 保证了工作面顺利回采。 责任编辑 刘欢欢 6 9