高分辨地电阻率法探测煤矿地质异常体.pdf

高 分 辨 地 电 阻 率 法 探 测 煤 矿 地 质 异 常 体 吴荣新,刘盛东,周官群 安徽理工大学 资源与环境工程系,安徽 淮南 232001 摘 要介绍了高分辨地电阻率法运用于地下全空间探测的理论基础。通过实例探测表明,该技术 可以运用于煤矿地质异常探测,丰富了矿井直流电法勘探的方法。 关键词高分辨地电阻率法;单极-偶极;超前探测 中图分类号TD15 文献标志码 B 文章编号0253 - 2336200707 - 0033 - 02 High2resolution ground electr ic resistance ra te m ethod to probe unusual ma ss i n m i ne geology WU Rong2 xin, L I U Sheng2dong, ZHOU Guan2qun Depa rtment of Resources and Environment Engineering, AnhuiUniversity of Science and Technology, Huainan 232001, China 煤矿生产中的地质异常包括断层、褶曲、煤及 岩石厚度变化和陷落柱等,这些地质异常的存在严 重影响着煤矿的安全生产,因此,对煤矿中的地质 异常进行探测,查明地质异常的性质、影响范围和 规模,对煤矿的高效安全生产具有重要的指导意 义。目前,矿井中的常用物探方法有地震勘探和电 磁法勘探。在直流电法勘探中,电成像法高密 度电法已在煤矿中广泛应用。 高分辨地电阻率法最早由美国地球物理工作者 提出,并用于军事上探测地下工程。在我国于 1990年代开始开展高分辨地电阻率法探测研究 [ 1 ] , 主要在地面布置测线,探测废弃巷道、地下孔硐及 老窑采空区等。但是,在井下尚没有高分辨地电阻 率法的应用报道。本文研究则是将高分辨地电阻率 法应用于谢桥矿某工作面无煤区的探测,取得了很 好的效果。 1 方法原理 地面高分辨地电阻率法采用单极-偶极装置, 在均匀半空间里,以Ai处的电极为中心形成半球 状等位面M1与M2,电位的变化反映了相应地下等 位面所构成的薄壳层里的异常体。由不同位置的电 流电极供电,在相应电位电极观测,按图解法可确 定异常体的位置和大小,如图所示。对高分辨地 电阻率法数据的解析反演,可采用视电阻率拟断面 法和目标异常匹配滤波法。该方法详细的论述参见 文献[1, 2 ]。 图1 高分辨地电阻率法原理示意 尽管高分辨地电阻率法尚未在矿井下实施,但 目前巷道电法超前探测已在一些煤矿实施,并获得 了成功。电法超前探测一般采用直流工作方法,其 33 第35卷第7期 煤 炭 科 学 技 术 2007年7月 1 基础理论是固定点电源作用下地质异常体的激励反 映,因而与常规直流电法并无本质差别。实际工作 中大多使用单极-偶极装置,即利用A点电极供 电,以及B处电极置于无穷远处,测量M1M2间电 极在掘进头后方反向一定范围观测点电源所产生的 等电位球面异常,来推断掘进头前方的地质异常体 图2,详细的方法原理参见文献[3, 4 ]。 Oi i 1,2,⋯ 视电阻率记录点;I 供电电流 图2 巷道电法超前探原理示意 由此可见,巷道电法超前探测的理论基础和观 测装置与地面高分辨地电阻率法基本一致,只是在 采集数据和解释的范围上有所不同,高分辨地电阻 率法解释的范围为电极阵列测线所控制区域内的地 质异常,而超前电法探测关心的是巷道前方的地质 异常。因此,在地面所采用的高分辨地电阻率法的 施工方法和解析理论完全可以应用于井下全空间地 质异常探测。 2 实例分析 淮南矿业集团谢桥矿某工作面在运输巷中见一 全岩段,沿巷道揭示该全岩段长约90 m,而在相 对应的回风巷中煤层正常,因此,该段无煤区在工 作面中部尖灭。为指导工作面的布置与生产,确定 是否需要重开工作面切眼,必需搞清该全岩段向工 作面内展布情况。由于全岩部分主要为砂质泥岩和 粉砂岩,为低电阻率特征,而煤层为相对高电阻率 特征,因此,可以选用电法勘探来查明全岩段的展 布情况。 该次 电法勘探 采用仪器为 网络并行 电法 仪 [ 5, 6 ] ,该仪器设计为煤矿本安型,目前仪器为64 道电极。该次探测供电电源采用煤矿专用本安电 源。实际沿巷道全岩段工作面一侧布置了6个电 极,电极距2 m,测线长126 m,采用高分辨地电 阻率法进行探测解析。高分辨率地电阻率数据处理 采用自行编制软件,资料解释采用视电阻率拟断面 法和目标异常匹配滤波法。 图3为拟视电阻率断面图法解析结果。由图3 可见,煤层段表现为高视电阻率区,全岩段表现为 低视电阻率区。图3中60～90 m段为视电阻率最 低区段,且较为均一,可能为全岩段,几乎不含煤 层。其余段视电阻率相对较高,可能为煤岩交互 段。无煤或薄煤区向工作面内延伸最大深度为40 ～50 m。图4为高分辨电阻率法异常目标匹配相关 度成像图。由图4可见,煤层段与全岩段在相关度 上有明显变化,煤层段或含煤段表现为高相关度值 区,全岩段表现为低相关度值区,无煤或薄煤区向 工作面内延伸最大深度为40～50 m。将2种反演 结果结合起来,可以得出无煤或薄煤区范围,如图 5所示近巷道部分为主要为全岩段,向工作面内 延伸约20 m;斜线部分为薄煤或煤岩混杂区,向 工作面内延伸约30～45 m。 图3 高分辨地电阻率法拟视电阻率断面 图4 高分辨地电阻率法异常目标匹配相关度成像 在全岩段巷道内还利用钻孔及地震反射波法探 测来验证高分辨地电阻率法解释结果。地震探测出 的无煤或薄煤区界面范围与高分辨地电阻率法结果 下转第38页 3 第35卷第7期 煤 炭 科 学 技 术 2007年7月 4 4 413 用注入CO2的技术抑爆和扑灭火源 在处理此次火灾事故时,通过对火区的分析, 在采取火区堵漏风措施的同时,根据火区内存在大 量的H2和CO的具体情况,采取了利用CO2发生器 向火区内注入CO2气体的措施,可以取得以下作 用。 1将可燃气体的含量降到了爆炸范围以下。 2进一步降低O2浓度,控制了火势。 3根据二氧化碳的灭火机理,有效地降低 了火区的温度,控制了水煤气的正向反应。 4由于CO2捕捉水蒸气的作用,降低了火 区内水蒸气的浓度,控制了水煤气的生成量。 5在注入CO2的过程中,利用大量水蒸气 的存在,消除了炽热的炭与CO2反应生成CO的可 能性,提高了注入CO2的安全性。 通过向火区内注入CO2气体的方法,初步控制 了火区的状态。对灾区气体取样,利用色谱分析可 知火区内可燃气体的可爆性已经降到了不爆炸区。 消除了灾区气体的可爆性,采取了回风侧密闭隔氧 的灭火措施,安全扑灭了含水量较大煤层的火灾。 5 结 论 在处理含水量较大煤层火灾事故时,通过水煤 气爆炸化学反应理论,描述水煤气发生爆炸的产物 的成分比率,根据勒氏指数法和车载式色谱仪对灾 区内气体可爆性进行分析,为救灾方案的制定提供 技术支撑的同时,用罗克休技术快速隔断火源缩小 火区,用注入CO2的技术抑爆和扑灭火源等措施来 预防含水量较大煤层火区可燃气体爆炸,可成功扑 灭含水量较大煤层的火灾事故。 参考文献 [ 1] 魏永生,周邦智,郑敏燕 1水煤气-空气混合气体爆炸极 限与浓度关系的统计分析[ J].计算机与应用化学,2004 5. [ 2] 宋永津 1煤矿均压防灭火[M ].北京煤炭工业出版社, 2002. [ 3] 赵衡阳 1气体和粉尘爆炸原理[M ].北京北京理工大学 出版社, 1996. [ 4] G B /T12474 - 90,空气中可燃气体爆炸极限测定方法[ S]. [ 5] 卢 捷 1多元混合气体爆炸特性与安全控制研究[ D ].北 京北京理工大学, 2003. 作者简介刘永立 1968 - ,男,黑龙江宾县人,博士研究 生,副教授。Tel13030000736,E - mailyongliliu19681261com 收稿日期 2007 - 03 - 26;责任编辑王晓珍 上接第34页 图5 高分辨地电阻率法探测综合解释 基本一致。钻孔探测位置为测线上30 m位置附近, 钻孔沿煤层倾向方向顺层钻进,在115 m走向距离 上,施工3个钻孔,打钻揭示煤层与全岩交互出 现,距巷道10 m范围内主要为全岩,距巷道10～ 20 m范围主要为煤,与探测结果基本吻合。 高分辨地电阻率法探测方法原理适用于地下全 空间电场,可以用来解决全空间地质问题。该技术 在煤矿地质中的应用,进一步丰富了矿井直流电法 探测手段。 参考文献 [ 1] 陈明生,阎 述,陆俊良,等.二维高分辨自动地电阻率探 测地下洞穴技术[ J ].煤田地质与勘探, 19953. [ 2] 阎 述,陈明生.高分辨地电阻率法探测地下洞体[ M]. 北京地质出版社, 1996. [ 3] 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, 20004. [ 4] 刘青雯.井下电法超前探测方法及其应用[ J].煤田地质 与勘探, 2001 5 . [ 5] 刘盛东.分布式并行智能电极电位差信号采集方法[ P]. 中国专利zl2004100140200, 2006 - 7 - 26. [ 6] 刘盛东,吴荣新,胡水根,等.网络分布式并行电法勘探系 统[M ].成都四川出版集团, 2006. 作者简介吴荣新1972 -,男,安徽凤台人,副教授,理学 博士,现在安徽理工大学从事地质工程的教学与科研工作。Tel 13721137705,E - mailrxwuaust1edu1cn 收稿日期 2007 - 03 - 10;责任编辑曾康生 83 第35卷第7期 煤 炭 科 学 技 术 2007年7月