基于矿井电法的矿井水害超前探测技术研究.pdf

2 0 1 3年第 5期 煤炭 工程 do i 1 0．1 1 7 9 9 ／c e 2 0l 3 0 5 0 3 6 基于矿 井 电法 的矿 井水害超前探测 技术研 究 牟 义 ，丰 莉 ，姜国庆 1 ．煤炭科 学研 究总院 矿山安全技术研究分院 ，北京1 0 0 0 1 3 ； 2 ．山东省第五地质矿产勘查院，山东 泰安2 7 1 0 0 0 ； 3 ．江苏省地质调查研 究院 ，江苏 南京2 1 0 0 1 8 摘要 为了对煤矿巷道掘进前方各类含水体进行有效的预测预防，消除突水的潜在威胁， 保证煤矿的安全掘进 ，文章以矿井瞬变电磁法和矿井直流 电法探测技术为例 ，通过井下超前探测 数据采集、数据预处理和反演计算，形成电阻率剖面图，来解释巷道掘进头前方含水情况 ，建立 了一套适合煤矿掘进过程 中超前预报含水体的技术方法，结果表 明综合采用矿井瞬变电磁法和 矿井直流电法对各类含水体探测更为精细。 关键词 矿井瞬变电磁 法；矿 井直流电法 ；超前探测 ；矿井水害 中图分类号 T D 7 4 5 ． 2 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 3 0 5 - 0 1 0 9 - 0 3 S t ud y o n Ad v a n c e De t e c t i o n Te c h no l o g y o f M i ne W a t e r Di s a s t e r b a s e d o n M i n e El e c t r i c M e t h o d MU Yi ，F E NG L i ，J I ANG Gu oq i n g 1 ． Mi n e S a f e t y B r a n c h ，C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ； 2 ． S h a n d o n g P r o v i n c i a l F i fth I n s t i t u t e o f Ge o l o g y a n d Mi n e r al Re s o u r c e s，Ta i a n 2 7 1 0 0 0，Ch i n a； 3 ． J i a n g s u P r o v i n c i a l G e o l o g i c al S u e y R e s e arc h I n s t i t u t e ，N a n j i n g 2 1 0 0 1 8 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o e f f e c t i v e l y p r e d i c t a n d p r e v e n t e a c h t y p e wa t e r b e a ti n g b o d y i n a fro n t o f t h e h e a d i n g f a c e o f t h e mi n e r o a d wa y， t o e l i mi n a t e t h e p o t e n t i a l d a n g e r o f t h e wa t e r i n r u s h a n d t o e n s u r e t h e s a f e t y h e a d i n g o f t h e mi n e ， b a s e o n t h e mi n e t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d a n d t h e mi e n DC me t h o d d e t e c t i o n t e c h n o l o g y a s e x a mp l e s ， t h e d a t a c o l l e c t i o n， d a t a p r e t r e a t me n t a n d i n v e r s e c a l c u l a t i o n o f t h e a d v a n c e d i c t i o n i n t h e u n d e r g r o u n d mi n e we r e a p p l i e d t o f o r m a c r o s s s e c t i o n o f t h e r e s i s t i v i t y t o e x p l a i n t h e w a t e r b e a r i n g c o n d i t i o n s i n t h e f r o n t o f t h e h e a d i n g f a c e o f t h e mi n e r o a d w a y ． A s e t s u i t a b l e t e c h n i c a l me t h o d t o p r e d i c t w a t e r b e a ti n g b o d y d u ri n g t h e mi n e r o a d wa y h e a d i n g p r o c e s s wa s e s t a b l i s h e d ． T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e c o mb i n e d a p p l i c a t i o n o f t h e mi n e t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d a n d t h e mi n e DC me t h o d c o u l d ma k e t h e d e t e c t i o n o f e a c h t y p e wa t e r b e a r i n g b o d y mo r e a c c u r a t e l y ． Ke y wo r d s mi n e t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d；mi n e DC me t h o d；a d v a n c e d e t e c t i o n； mi n e wa t e r d i s a s t e r 做好巷道掘进头前方超前探测工作，对巷道安全掘进、 预防水害事故的发生非常重要。煤巷超前探测是在巷道掘 进面利用 直接 或间 接的方 法 向前方 进行探 测 ，主要 任务 是 查明巷道掘进面前方是否存在含水体异常或导水通道，为 巷道的安全掘进提供地质资料。目前用于煤矿超前探测的 直接 方法为钻探 方法 ，钻 探结 果 比较可靠 ，但 施 工周期 较 长，费用较高，对巷道的正常掘进生产影 响较大，另外 ， 钻孔探测不能 对前方 采动 影响 范 围内的情 况给 予评 价。而 用于煤矿超前探测的间接方法 即采用地球物理勘探方法进 行探测 ，主要方 法 有 矿 井 瞬 变 电磁 法 、矿 井 直 流 电法 、 矿井瑞雷波法和矿井反射波法。其中矿井瑞雷波法和矿井 反射波法主要解决 地质 构造 界面 的问题 ，对 含水性 无法进 行解释 。因此 ，现在 常用 于含水 体超前 探测 的物探 方法 为 矿井瞬变 电磁法 和矿井直流 电法 。 1 矿井电法探测技术 1 ． 1 矿 井瞬 变 电磁 法 矿井瞬变电磁法探测采用专门用于井下的多匝矩形发 收稿 日期 2 0 1 21 01 3 基金项目煤炭科学研究总院基础研究基金矿井工作面水害电阻率 C T法响应实验研究 2 0 1 2 J C 1 2 作者简介 牟义 1 9 8 3一 ，男，山东日照人，硕士，现在煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院从事地球物理方 法技术研究与应用工作 。 1 0 9 煤炭 工程 2 0 1 3年第 5期 射线框 ，边 长为 2 m 2 m。采用偶极装置进行探 测 ，发射线 框和接收线框是 两个 独立 的线框 ，探 测时 主机 与发射 机 中 间间隔一定距离，一般大于2 m。矿井瞬变电磁法超前探测 是将发射线框和接收线框垂直放置于巷道掌子面后方，如 图 1 所示，转换不同角度则可探测掘进头前方或侧方一定 范围的电阻率分布，根据电阻率分布情况推断巷道掘进头 前方是否存在含水异常体。 一5m 图 l 巷道掘进头 T E M 超前探测装置布置 图 矿 井瞬变电磁法 一般 常采用纵 向和横 向两 种扇形探 测 方式。横向扇形探测方式是使发射、接收线框的法线方 向 垂直于巷道左帮进行探测 ，然后在水平面内旋转线框，使 线框的法线方向从巷道左帮每隔一定角度向右帮旋转，旋 转到垂直巷道右帮为止，形成一个横向的扇形测线，如图2 a 所示，同理，反向旋转亦可；纵向扇形探测方式是使发 射 、接收线框的法线方向垂直于巷道顶板进行探测 ，然后 在垂直面内旋转线框，使线框的法线方向从巷道顶板每隔 一 定角度向底板旋转，旋转到垂直巷道底板为止，形成一 个纵向的扇形测线，如图 2 b 所示，同理，反 向旋转 亦 可。 a 横向扇形 b 纵向扇形 图 2 矿井瞬变电磁 法探测 方式 1 ． 2 矿 井直流 电法 高分辨率三极超前常用方法为 “ 三点源法” ，即在掘进 头附近布置第一个供电电极 ，形成一个点电源场，然后在 同一直线上向掘进后方距离第一个电极等间距布置第二个、 第三个形成三个供电点，再等间距的布置 3 2个测量电极， 最后布置无穷远电极 B 。依据上述方法布置好 电极后，供 电电极、无穷远电极以及仪器均固定不动，测量电极 M、N 根据设计的观测系统由仪器自动切换 ，如图3所示。 2 矿井水害探测工程实例 2 ． 1 矿 井瞬 变 电磁 法 矿井瞬变电磁法探测采用的是 Y C S 4 0 A 矿用瞬变电 1 1 0 B A一 发射 B一 接收 M一 无穷远 图 3 高分 辨率法 三极超前探测施工布置示意图 磁仪，以山西西山煤电临汾分公司下属矿井巷道掘进头超 前探测为例，以便更全面掌握含水体情况。 横向探测 在巷 道迎 头 附 近 ，从 巷 道迎 头 左 帮开 始 ， 首先使发射、接收线框的法线方向垂直于巷道左帮进行探 测，然后在水平面内旋转线框 ，使线框的法线方 向与巷道 的左帮分别成6 0 。 、4 5 。 、3 0 。 的夹角进行探测，当线框的法 线方向与巷道迎头界面垂直时，根据其主迎头断面的宽度 布置 5 个测 点 ，到巷道 迎头右侧 时类似 左帮 的方法 ，使线 框的法线方向与巷道的右帮分别成 3 0 。 、4 5 。 、6 0 。 、9 0 。 进 行探测，总共采集 1 3 组数据 ，形成一个横向的扇形测线。 纵向探测 首先使发射、接收线框的法线方向垂直于 巷道顶板进行探测 ，然后在竖直平面内旋转线框，使线框 的法线方向与巷道的顶板分别成 6 0 。 、4 5 。 、3 0 。 的夹角进行 探测 ，当线框 的法线方 向与 巷道迎 头界面垂 直时 ，根 据迎 头断面的高度 布置 5个 测点 ，到 迎头底 板时类似 顶板 的方 法，使线框 的法线方 向与巷道 的底板 分别成 3 0 。 、4 5 。 、 6 0 。 、9 0 。 进行探测 ，总共采集 l 3组数据 ，形 成一个纵 向 的 扇形测线。 横向超前探测视电阻率剖面图如图4 a 所示，从图4 a 中可以看出，迎头左前方 5 0 m处开始出现了相对低阻 异常区域，可能为掘进头局部富水或含水体引起，也可能 为掘进头前方 的断层破 碎带 、前方 低阻岩层 段 引起 ，要注 意该异常区域对 安全 掘进 的影响 ；纵 向超前探 测剖 面图如 图 4 b 所 示 ，从 图 4 b 中可 以看 出，迎头 的底 板方 向上 也出现了局部低阻异常区，该低阻异常区可能是受底板铁 溜的干扰所致，综合评价该迎头的富水性相对较弱。经打 钻验证，迎头左前方钻进约 6 0 m处出现少量流水，推断为 正常砂岩水 。 2 ． 2 矿 井直流 电 法 矿井直流电法超前探测采用的是 Y D 3 2 A 高分辨电法 仪 ，以山西西山煤电临汾分公司下属矿井巷道掘进头超前 探测为例 ，以便更全面掌握掘进头导水构造及岩层富水情 况 。该巷道 已经掘进 8 3 0 m，在 8 3 0 m掘进头 位置 布置 了发 射电极 3个 A 1 、A 2 、A 3 、无 穷远 电极 1个 和 3 2个 测量 电极 ，发射电极 A 1 、A 2 、A 3间距为 4 m，无 穷远 电极离掘 进头大约3 0 0～5 0 0 m，测量电极 M、N间距为 4 m，第一个 - _ J TB ， 4 5 6 7 。 m E [ 一 头 一 ， _ 一 T 帮 一 一 一 一