煤矿井下综合物探超前探测技术与应用(2).pdf

第 4 0 卷 第 4期 2 0 1 2年 8月 煤 田地质 与勘探 C OA LGE 0I ．0G Y 删0R V_0 1 ． 4 0NO ． 4 Au g． 2 01 2 文章编号 1 0 0 1 1 9 8 6 2 0 1 2 0 4 0 0 7 5 0 4 煤矿井下综合物探超前探测技术与应用 李 萍 中煤科工集团西安研究院，陕西 西安 7 1 0 0 7 7 摘要对我 国煤矿 井下推广使用的地球物理探测技术进行 了回顾 ，着重介绍 了瑞利波和直流电法 两种超前探测技术的新进展；结合七 台河、平顶 山等煤矿 的应用实例，分析 了煤矿井下超前地质 预测的潜力，提 出了煤矿井下超前探测技术的发展方向。 关键词矿井；超前探测；瑞利波；直流电法 中图分类号P 6 3 1 文献标识码A DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 1 1 9 8 6 ． 2 0 1 2 ． 0 4 ． 0 1 8 Te c hno l o g y a nd a ppl i c a t i o n o f i n- a d va nc e g e o p hy s i c a l de t e c t i o n i n c oa l mi ne s LI Pi n g X i “a n R e s e a r c hI n s t i t u t e ， C h i n aC o a l T e c h n o l o g ya n d E n g i n e e r i n gG r o u p C 0 ， 朋 “a n 7 1 0 0 7 7 ， C h ina Ab s t r a c t T h e p a p e r i n t r o d u c e s u n d e r g r o u n d g e o p h y s i c a l d e t e c t i o n t e c h n o l o g y a p p l i e d i n c o a l mi n e s ，f o c u s i n g o n t h e i mp r o v e me n t o f i n a d v a n c e g e o p h y s i c a l d e t e c t i o n t e c h n i q u e s s u c h a s Ra y l e i g h wa v e a n d d i r e c t c u r r e n t me t h o d s I n c o mb i n a t i o n wi t h the a p p l i c a t i o n i n Qi t a i h e ， P i n g d i n g s h a n a n d o t h e r mi n e s ， t h e p o t e n t i a l o f i n - a d v a n c e g e o l o g i c a l p r e d i c t i o n i n u n d e r g r o u n d mi n e s wa s a n a l y z e d a n d t h e d e v e l o p me n t o r i e n t a t i o n o f i n - a d v a n c e u n d e r g r o u n d g e o p h y s i c a l d e t e c t i o n t e c h n o l o g y wa s p u t f o r wa r d ． Ke y wo r d s c o a l mi n e ； a h e a d d e t e c t i o n ； g e o l o g i c a l ； Ra y l e i g h wa v e ； d i r e c t c u r r e n t me t h o d 由于矿井开采地质条件不清 ，引起水害和瓦斯 灾害等 ，常常给煤炭企业带来不可估量的经济损失 和人员伤亡 。煤矿井下地球物理超前探测技术借助 井下的井巷及钻孔 ，在全空间条件下观测特定的地 球物理场 ，结合钻探 、巷探和矿井地质资料综合分 析 ，对 目标地质体进行超前预测 ，可为煤矿安全高 效开采提供地质信息支持 。 1 煤矿井下超前探测技术综述 随着 电子技术、信息技术、计算技术和网络技 术的发展与进步，自 2 0世纪 9 0年代以来 ，综合物 探手段能够为建井设计 、采场布置、工作面准备和 回采过程等提供逐级深入 的超前地质预测 信息支 持 ，使得开采水文地质条件探查和预测的效率大幅 度提高 ，成为煤矿井下超前探测 的主要技术手段。 目前 ，煤矿井下超前探测技术已形成 了多种探测手 段相结合 的立体探测技术体系。矿井物探主要有弹 性波构造探测和电磁法探测两大类技术 。 1 ． 1 井下弹性波探测方法技术 弹性波探测技术以弹性波理论为基础， 对矿井地 质构造 的超前探测具有针对性强和探测精度高 的特 点，主要有瑞利波、巷道地震超前预测技术 T S P 等。 瑞利波探测技术借助煤矿井下煤层与围岩的波 阻抗差异来识别分层界面和断层位置，并用于巷道 掘进工作面前方 8 0 m范围内小构造的超前探测 ， 如 断层、裂隙带 、煤层变薄等。 T S P探测技术采用反射地震勘探技术原理 ，通 过对井巷波场分析， 按照一维波动理论近似解释 ，可 以较好地探测工作面前方断层的位置。该技术受煤层 顶、底板及侧邦异常影响较大，现场条件要求较高。 1 ． 2 井下电磁法探测技术 矿井电磁法探测技术以煤岩体的电性差异为基 础 ，特别适用于含水异常体的探测 ，主要包括地质雷 达、直流电法、音频电穿透、 瞬变电磁探测技术等。 矿井地质雷达在均质高阻体 中探测掘进前方地 质异常体和含水体方面取得 了一定的效果 ，但在煤 矿中由于煤系电阻率较低 ，层位多 ，使得高频电磁 波衰减快 ，探测距离较短。 矿井直流电法以煤岩层的电性差异为基础 ，根 据探测掘进工作面前方 1 2 0 i r l 范围内的岩石电阻率 相对变化 ，解释探测区域内的导含水断层、大型破 碎带 、陷落柱 、老空区等 ，也可探测巷道顶 、底板 隔水层厚度 、检验注浆效果等。 音频 电穿透技术测量低频 电场透过 回采工作面 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 4 ． 1 8 ． 基金项目 国家“ 十一五” 科技支撑计划课题 2 0 0 6 B AB 0 1 Bl 1 ；科研院所技术开发研究专项资金项 目 2 0 0 3 E G1 2 2 1 1 6 作者简介 李 萍 1 9 7 1 一 ，女，山东曹县人，硕士，高级工程师，从事地球物理勘探研究． 7 6 煤 田地质与勘探 第 4 0卷 的电阻率变化， 可探测工作面顶底板的导含水构造 ， 圈定工作面内部隐伏的含水体位置和范围 ，为工作 面水文地质预测预报提供依据 ，同时通过对采掘工 作面薄弱区段隔水层厚度和完整性 的探测 ，可指导 探放水钻孑 L 位置设计和检测注浆堵水效果等。 利用矿井直流电法进行巷道底板测深 ，并用音 频电穿透法测量 ，得到回采工作面底板不同深度的 电阻率等值线图， 可以分析工作面下方含水异常构造 的展布规律，进而可以进行类三维立体探测 图 1 1 。 囊蔗 一 ≥ ≥ 粤 图 1 某煤矿底板水垂直导升探测成果图 Fi g．1 Re s ul t o f d e t e c t i on o f ve r t i c a l c on d uc t i v i t y i n t h e floo r o fami n e 井下 瞬变 电磁法 观测 的是 二次 场 即纯异 常 场 ，对低阻体反应敏感，近年来在煤矿采区水文物 探 、积水老窑 、采空区、奥灰水的探查方面应用较 多 ，可以提供深部地层富水 区域 以及断层 、陷落柱 的垂 向连 通关系 。 以上地球物理探测技术的发展 ，使得现代矿井 开采基本能够做到作业按计划 、效率达设计 、安全 有保障 ，再结合钻探和矿井地质分析 ，已经初步形 成了矿井开采地质保障体系的雏形。 2 瑞利波超前探测技术 瑞利波探测技术是 日本在公路工程地质条件探 查应用中发展成熟的。1 9 8 7年我国从 日本引进该技 术与装备后 ，将其稳态作业方式转变为瞬态作业方 l O m 1 5 m 2 m 3 m ● ● l | ． ． 4 m 5 m 1 0m 1 5 m 2 0 m 3 0 m _ l 4 0 m l 5 Om ＼ -4 1 0 Om l 5 Om 2 0 0 m 式 ， 并于 1 9 9 2年移植到煤矿井下。目前 ，该技术主 要用于石 门厚度探i 贝 0 以及煤矿井下全方位探测 既 可以用于掘进头前方 ，也可以用于巷道侧邦、煤层 顶、底板等 ，超前探测距离提高到 8 0 m。 瑞利波探测技术属于弹性波类 的面波勘探方 法 ，瑞利波质点的振动轨迹为沿介质表面传播的逆 时针运动的椭圆。在多层介质中传播时 ，传播速度 随频率的变化而变化 ，具有频散现象 ，并且瑞利波 的传播速度与介质的物理力学特性密切相关 。 因此 ， 利用瑞利波的椭 圆极化特性和频散特性 ，由震源产 生一个宽频带的地震波 ，以脉冲信号的形式向外传 播 ，通过两组接收传感器采集信号 ，再利用频谱分 析技术 ，把各个频率的瑞利波分离出来 ，得到两组 信号在不同频率下传播产生的相位差 ，求 出相应的 相速度 ，进而绘制出该测点的频散曲线 ，实现下组 煤深度与厚度探测、石门揭煤安全厚度探测、前方 构造探测以及巷道底板隔水层厚度探测等。 2 0 1 O 一2 0 1 1 年在七 台河进行了瑞利波超远距离 煤层及构造探测 ， 以新强矿五采区 5 4层左三片侧邦 探测为例 ，分别在 2 0 1 0年 1 1月 3 E t 、1 1 月 1 6日 和 2 0 1 1 年 1 月 1 8日进行了探测 。 资料处理过程中，对处理软件进行了改进 ，增 加了速度变化 曲线 ，一致性有了很大提高 ， 更有利 于排除虚假异常 ，使探测结果更直观、准确。图 2 是新强矿五采区 5 4层左三片侧邦探测新 旧软件处 理结果对 比图。从图 2 a中可以看出，一致性较差 ， 图 2 b用改进后的软件处理后一致性较好 ， 都在 1 8 m 处存在异常 ，而且 由于速度曲线的加入 ，可以判断 1 8 m前的小异常由于速度变化不明显 ， 所以认为异 常不明显 ，可以忽略。 其次进行了震源对 比试验 ， 为提取有效信息 ， 减 少多解性提供了初步尝试。如图 3所示，共布置 4 - 二 _ { i I r _r 錾 l； 。} ； ； 耋 r l I l } r L 舅 l ； - H 一 _- _ ● j l 、 2 l ； f l I l l l 二 ； l ㈠ ； j ； 图 2 原软件处理结果 a 和改进后软件处理结果 b F i g ． 2 R e s u l t f r o m p r o c e s s i n g w i t h o r i g i n a l s o f t wa r e a a n d i mp r o v e d s o f t wa r e b 第 4期 李 萍煤矿井下综合物探超前探测技术与应用 7 7 个测点 ，每次探测地点相同，井下数据采集后经计 算机处理解释 ，并根据实际揭露情况进行了验证。 从锤击探测结果 图 3 a 和图 3 b 看，4个测点的 速度曲线反映出 3 个异常层位分别位于 5 m、 2 0 - 3 0 m、5 0 ～ 6 0 m；炮震结果 图 3 c和图 3 d 显示有两个 异常层位分别位于 2 0 ～ 3 0 m、5 0 ～ 6 0 m。从两种探测 手段结合两次复测结果来看 ，2 0 ～ 3 0 m 和 5 0 ～ 6 0 m 两个异常层位为主要异常。 l 2 测点3 4 1 2测 4 L l L 一 一 ■ - ‰ I l m 2m 4m 5 m l 0 m l 5 m 2 Om 3 Om 4 0m 5 Om l OOm l5 Om 2 001 1 1 a 测点 1 2 3 I 一 _ _ E -- ． r 、 一 奠 I I l } l _ 一 4m 5m 1 0m 15m 2 Om 3 Om 4 0m 5 0m 1 0 Om 1 5 Om 20 0m l m 2m 4m 5m l 0m l 5 m 20m 30m 40m 5 0m 1 0 0m 1 5 Om 20 0l r l l 厂 r ＼ L I t L 一 I _ b 测点 l 2 3 4 l L ， ～ - I l 一● [ r - - ，～ l l ， I 异常 1 异常2 异常3 异常 l 异常2 c 【 d 图 3 探测速度曲线图 Fi g． 3 Cur v e s o f d e t e c t e d v el oc i t y a 、b 一锤击探测结果 ；c 、d m炮震探测结果 经验证 ，5 4层左三片上邦分别在 1 、2 、3 、4 号测点掘进 4条探巷 ， 在掘进过程中都发现了断层 。 从实际揭露断层 图 4 来看 ， 工作面内部 2 0 ～ 3 0 m存 在一走 向断层 ，从瑞利波探测结果来看 ，5 m 处没 有异常，通过对 比也 已经排除 ；2 0 ～ 3 0 m异常层位 就是这条走 向断层引起的；5 0 ～ 6 0 m 异常层位是由 对面空巷引起的。初步试验可以认为炮震和锤击反 应 的异常位置基本一致 ，两者可以互相印证 ，而且 炮震资料深层反应的异常更丰富，探测距离较远。 可见 ，改变震源是一种减少误报率的有效方法。 3直流 电法超前探测技术 矿井直流 电法属全空间电法勘探 。它以岩石的 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 ，开展矿井水文地质条件探i 贝 0 。 直流电法超前探测技术 ，预测前方导含水构造 的分布和发育情况 ，主要采用三点源法 。该法 同时 图 4 实际揭露与探测结果对比图 Fi g． 4 Co mp a r i s o n of de t e c t i on r es u l t a nd e x po s e d r e s u l t 在堵头后方布设 3 个供电点，利用在巷道后方不同供 电电源所产生的电位差，经过视电阻率计算 ，得出不 同极距的视电阻率异常。这些异常经过各种处理 ，在 消除巷道影响、后方异常影响、侧方异常影响后 ，通 过空间交汇，可以对前方含水异常进行准确定位。 图 5是邢 台某矿超前大距离探测 的应用实例。 超前探测到掘进头前方 1 1 8 m范围内存在 3处视 电 阻率低阻异常，分别位于 A1 前方 5 8 m、7 7 m 和 1 0 6 ～ 1 1 2 m。3处低阻异常中，以 3 号低阻异常区的 幅值和范 围相对较大，富水性较强 ；1号和 2号低 阻异常幅值和范围相对较小。 揭露验证地质情况 1 号异常区为小裂隙发育并滴水；2号异常区为导水断 层 ；3号异常区为底板鼓起 ，并且沿缝隙向上涌水。 4 O 圈进蠲■一 1 3 0 1 2 01 1 Ol O O9 O 8 O 7 O 6 O 5 O 4 O 1 号异常区2 号异常区 3 号异常区 图 5 邢台某矿超前探测成果图 Fi g． 5 I n- a dv a nc e d e t e c t i o n r e s ul t i n a mi ne i n Xi nt a i 4 井下综合 探测技术应用 井下瑞利波和直流电法是矿井超前探测普遍采 用的重要勘探方法 ，在防治水、预测掘进面前方地 质构造 、预防瓦斯突出等方面发挥着越来越大的作 用。为了提高探测 的精度 ，可以采用多种方法联合 探测 ，互相验证 ，减少多解性。 庇山矿二一 1 1 0 9 1 工作面是该矿首个综采工作面， 其切眼以外 东 6 0 ～ 1 0 0 m有一落差 1 5 ～ 3 5 m的正断层 F 5 4 ， 先期地面勘探确定断层走向 1 1 8 。 ， 倾向 2 0 8 。 ， 断 层控制较为可靠。根据该断层参数及其错断层位，分 析其应为导水断层。为保证该工作面安全回采，利用 中煤科工集团西安研究院的 Y T R D 瑞利波探测仪 和 Y D3 2 A 高分辨电法仪进行超前探测 ， 力求查明F ● 2 4 m 加 如蚰如∞如∞ 7 8 煤 田地质与勘探 第 4 0 卷 断层距离切眼的确切距离及其导水性。 限于庇山矿二一 1 1 0 9 1 工作面地质条件 ，现场煤 壁完整性极差 ，因此在二一 1 1 0 9 1工作面切眼内第 5 个导线点附近仅布置一个瑞利波探测点。 经瑞利波数据资料处理后，得到庇山矿瑞利波探 测成果图 图 6 。根据已知地质资料，F 断层距瑞利 波探测点的距离约为 8 0 m，而图 6中存在两个相对较 明显且稳定的波峰 ，其中一个波峰位于曲线 6 5 ～ 7 5 m 处，该波峰对应位置可能就是 F 断层距离切眼的真 实距离；另一个波峰位于曲线对应 2 0 ～ 3 0 m处，根据 已有地质资料推测，该异常是岩性分界面。 I l i I 、 ＼ I - 一 每 i j f 1 l I l l j P I 、 1 - I 岫 l r } ‘ ． ． ， 1 I I I 图 6 庇山矿瑞利波探测结果图 Fi g． 6 Ra y l e i gh wa v e de t e c t i o n r e s ul t i n Bi s ha n mi n e 另外 ，在该处还进行了高分辨直流电法超前探 测 。工程布置在二一 1 1 0 9 1工作面机巷与切 眼交汇 处 ，拟超前探测巷道长度 9 0 m，发射电极与迎头的 距离 1 4 m， 发射电极与接收电极间的距离均为 4 m， 接收电极的个数为 2 9 个 ，其探测结果见图 7 。 最小值 7 5 图 7 庇山矿 F 5 4 断层高分辨 电法超前探测结果图 Fi g． 7 Re s u l t o f i n a d va n c e hi gh r e s o l u t i o n e l e c t r i c de t e c t i o n of f a u l t F5 4 i n Bi s h a n mi ne 经资料解释得出，在测点往前 6 0 m 处煤岩体 内，有一个高阻异常反映，因此推测该高阻异常可 能是对断层的反映 ，且该断层裂隙带含水性弱。 综合分析瑞利波和井下高分辨电法探测资料 ， 获得综合物探成果图 图 8 。 图 8 综合物探成果图 Fi g ．8 I nt e g r a t e d g e o ph ys i c a l d e t e c t i on r es u l t 结合瑞利波超前探测 6 5 ～ 7 5 m 处和高分辨电 法超前探测 6 0 m处存在对断层的反应 ，推断 F 5 4 断 层距二一 1 1 0 9 1 工作面切眼的最近距离为 6 0 m，F 5 4 断层在切眼附近的走 向为 1 0 8 ． 6 。 原有资料断层走 向 1 1 8 。 ，但大体位置基本一致。 高分辨电法探测结果表明， F 断层在切眼附近段 含水性弱 ，与原资料提供的该断层为含 、导水断层 结 论不一 致 。 庇山矿根据物探资料 ，对 F 断层的位置和导 水性作 了重新评价，并实施了打钻验证 。回采中， 采面综出水量一直稳定在 1 0 m ／ h左右 ，没有出现 水量增大现象 。 验证结果表明，依据瑞利波探测和高分辨电法 综合物探成果 ，不但节省了钻探工程费，提前 了采 面回采开工 日期 ，而且也保证了该采面的安全 ，产 生了明显的经济效益。 5 结 语 井下物探方法由二维向三维发展 ，实现三维立 体探测 ，这将对提高地质解释精度、精确定位具有 十分重要的意义。 井下物探技术正在向综合性 、多方法 、多参数 联合方向发展。如果与现有地理信息系统技术有机 的结合起来，建立多元集成信息系统 ，必将为煤炭资 源高产、高效、安全开采提供地质保障和技术支持。 随着 电子技术的飞速发展 ，应用虚拟仪器和人 工智能技术 ，开发研制多功能 、高精度 、轻便智能 型仪器 ，也将是今后的发展方向。 参考文献 [ 1 ]1 董书宁， 靳德武， 冯宏． 煤矿防治水实用技术及装备[ J 】 ． 煤炭 科学技术，2 0 0 8 ，3 6 3 8 - 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