巷道水文超前探测技术试验研究.pdf

第3 1 卷第5 期 西安科技大 学 学报 2 0 1 1年 0 9月 J OU R NA L OF X I ’ AN U NI V ER S I TY O F S C I E NC E AN D T E C HNO L O G Y Vo 1 ． 3 l No ． 5 S e p t ． 2 01 1 文章编号 1 6 7 2 9 3 1 5 2 0 1 1 0 5 0 5 2 5 0 5 巷道水文超前探测技术试验研究 张典荣 中国煤炭科工集团 西安研究院， 陕西 西安 7 1 0 0 7 7 摘要 论述 了巷道水文超前探测技术的基本理论 ， 超前探 测仪 器的主要特点 ， 超前探 测 系统的 最佳参数设置及井下施工步骤 ， 采集数据的处理 方法及资料解释 ， 给 出了超前探测的有效范 围， 并详细介绍 了用超前探测技术对掘进头前方的含水断层 、 裂隙带、 老窑积水等各种情况下的探测 实例 。 关键词 超前探测 ； 数据处理；试验 中图分类号 T D 1 6 6 文献标志码 A 在煤矿建设和生产过程 中， 水 害是与瓦斯 、 火灾等并列 的主要灾害之一 ， 随着煤矿生产现代化程度的 提高 ， 水害造成 的人员伤亡和经济损失也越来越大。其根本原因就是矿井防治水技术手段落后 ， 难 以满 足新的生产条件下的安全技术要求 ； 特别是 随着开采水平的不断加深 ， 突水 的威胁逐渐加大 ； 又缺乏对矿 井含水、 导水构造的超前预测和预警措施 ， 则会直接导致灾难性事故 的发生 。因此 ， 开发出一套 能提前预 测水情的新方法巷道超前探测技术 ， 以便在巷道掘进过程 中能预知水情 ， 及时采取措施 防止恶性水 害的发生， 确保矿山安全和高产高效。为此， 作者在全国各地煤矿进行了大量的试验、 验证与研究工作， 形成了一套可有效预测掘进前方 6 0～ 1 0 0 m距离范围内水文异常的基本理论、 测量仪器， 测量施工方法、 资料处理及解释等 ， 可以在掘进过程中实时测量 ， 经验证 ， 超前探测预报准确 ， 达到了不漏报的 目的。 l 超前探测 的基本原 理 超前探测是研究掘进头前方地层 电性变化规律 ， 预测掘进头前方含 、 导水构造 的分布和发育情况的 一 种井下 电法探测新技术。 根据点电源场的理论 ， 点电源在均匀全空间其电力线呈射线发散 ， 等电 位面呈以供电点为球心的球面 ， 如 图一所示 。电位差则是以供电点为球心 的同心球壳 ， 球壳厚度应为测量电极间距 ， 如图 2所示 。当 A点供电时， 测 量电极 M， Ⅳ所产生的信号是由于图中阴影部分的影响， 在全空间下， 该阴 影包含供电点前后左右上下等各个方向的体积。点源法超前探测技术在堵 头后方同时布设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 ， 经过各种处理 ， 消除 巷道影响、 后方异常影响、 侧方异常影响 ， 再通过空间交汇， 可以准确对前方 异常进行定位 。 图 1 点电源场分布示意图 Fi g． 1 S c he ma t i c d i a g r a m o f t h e p o i n t s o u r c e d i s t r i b u t i o n 2 探测仪器的主要特点 探测仪器采用防爆数字直流 电法仪 ， 其 主要特点如下 1 采用矿用本质安全型防爆技术。仪器是为煤矿井下含有瓦斯 、 煤尘 、 粉尘等爆炸性危险环境 中探 收稿 日期 2 0 1 1一O 6 2 5 通讯作者 张典荣 1 9 6 2一， 男 ， 陕西 三原人 ， 高级工程师 ， 主要从事地球物理勘探仪器及勘探方法的研究 5 2 6 西安科技大学学报 2 0 1 1丘 测含水和导水地质构造而设计制造的勘探仪器。因此 ， 首先要 防爆 ， 仪器采 用快速过流保护技术 ， 使仪器既达到本质安全型要求 ， 又使用方便。 2 测量精度高 。仪器采用先进的高精度 、 低噪声 2 4位 A ／ D转换器 ， 采 集信号动态范围大 ， 分辨率高 ， 从而保证 了测量精度 。 3 抗干扰能力强。仪器采用 了正负方波供 电， 多次采样并进行数字迭 加技术 ， 有效 的消除了极化 电位 、 大地 电流及其它低频干扰 ， 并采用软件 编 程消除 5 0 H z 频率干扰。 4 仪器体积小 、 重量轻 、 使用方便 。 3井下施 工方法 图 2 点 电源球壳 测量原理 图 Fi g ． 2 S c he ma t i c o f t h e po i n t p o we r s h e U me a s u r i n g 超前探测采用点 电源三极装置进行井下数据采集工作 ， 即固定供 电电 极而移动测量电极 MN的三极装置形式 。超前探测井下施工装置示意图如图 3所示。 图 3 井下超前探 测施工装置不意 图 F i g ． 3 S c h e ma t i c d i a g r a m o f a d v a n c e d d e t e c t i o n i n u n d e r g r o u n d c o n s t r u c t i o n e q u i p me n t 超前探测井下施工 ， 无穷远电极 固定在距离掘进头 3～5 倍 的勘探距离外 ， 在巷道掘进 头附近 以一 定间距布置供电电极 ， ， ， 测量电极 MN在巷道内按键头所示的方向以一定 的间隔移动 ， 每移动一 次测量 电极 MN， 测量一次 A ， A ， A ， 所对应 的视 电阻率值。测量 电极 MN的间距根据地质条件而定 ， 同时 也要考虑信噪 比的大小 ， 依次移动 MN电极直到测量完所有测点 I 4 。 我们根据各地的大量试验 ， 得出最佳测量系统各项选择如下 供 电点 电极距 4 m， 测量点间距 4 m， 测量电极距 4 m， 无穷远电极大于 5 0 0 r n ． 4井下数据资料处理 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 ， 处理和解释有关矿井水文地质 问题。数据资料处理工作分为 3大步骤 1 首先对超前探测所采集的原始数据进行编辑和整理， 剔除错误和多余的数据。 2 利用超前探测专用处理软件对原始数据进行处理 ， 消除巷道后方 、 侧帮及顶底板影响， 形成绘图数 据 文件。 3 利用绘图处理软件进行处理 ， 形成超前探测成果图。然后判断分析异常的大小和性质 ， 最后结合 已知地质资料 ， 把 电法探测 出的异常转化为地质异常 。 5 超前探测 的有效探测距离范 围 超前探测距离受仪器发射功率和巷道探测环境等 因素制约 ， 根据均匀全空间点电源场 的分布理论 ， 电位与供 电电流成正 比， 与探测距离成反比， 其公式如下 为了增大探测距离 ， 则探测仪必须提供大电流 ， 但 防爆仪器 电流有一定 限制 ， 最大输 出电流有限 ， 并 且在煤矿井下进行 电法探测 ， 会受各种干扰 因素影 响， 通过在全 国各地煤矿的大量探测试验 ， 可 以得 出 在巷道探测环境条件好 ， 工业干扰电流较弱 的条件下 ， 可以取得最远的超前探测资料 ； 顺煤层巷道探测范 围可达 1 0 0 m以上 ， 最远达到 1 1 8 IT I ， 且探测异常准确 ， 在岩巷道探测范围可达 8 0 I T I 以上 ， 在一般情况下 ， 可以保证 6 0 m范围内的探测结果 。例如 图4为大距离探测实例。 根据超前探测 资料分析 ， 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 A 前方 第 5期 张典荣 巷道水文超前探测技术试验研究 5 2 7 比例尺 1 4 0 0 1 5 2 O 2 5 3 0 3 5 4 0 45 5 0 5 5 6 O 7 0 a l号异常区 65 7 5 8 O 85 9 O 9 5 1 0 0 1 05 1 1 0 1 l 5 2号异常区 3号异常区 b 图 4 大距离超前探测实例 F i g ． 4 E x a mp l e s o f t h e l o n g d i s t a n c e a d v a n c e d d e t e c t i o n a 超前探测剖面图 b 超前探测施工和结果图 c 施工揭露验证图 5 8 ， 7 7 ， 1 0 6～1 1 2 IT I ． 以上 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 ， 富水性强 ， 1号和 2 号低阻异常幅值和范围相对较小 ， 富含水性相对较强 。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向上渗水 ， 3号异常区为底板鼓起 ， 并且沿缝隙向上涌大水。 6 超前探测试验与验证 超前探测技术在全国各地进行了大量的试验与验证， 探测几百次， 而且基本上都得到验证， 验证探测 结果为 超前探测对掘进头前方出现的含水断层、 裂隙带、 底鼓、 渗滴水、 潮湿、 老窑积水等异常均反映明 显 ， 全部分析判断了出来 ， 没有漏报一次。 6 ． 1 含水断层的探测与揭露验证 超前探测对掘进头前方出现的含水断层异常反映 明显 ， 测量分析 的结果与实际揭露 的情况一致 ， 如 图 5为含水断层 的探测实例。 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 1 号异常 c 图5 含水断层的探测实例 Fi g． 5 I ns t a nc e s o f wa t e r f a u l t d e t e c t i o n a 超前探测剖 面图 b 超前探测施工 和结果 图 c 施工揭露验证图 在图 5中， 例 1 为超前探测剖面图 ， 例 2为超前探测施工和结果图， 例 3为施工揭露验证图。 根据超前探测资料分析 ， 掘进头前方探测区段 内存在 1处视 电阻率低阻异常， 低阻异 常区段位于迎 头前方 2 2 m处 ， 该低阻异常幅值相对较小但范 围相对较大 ， 根据 已揭露的地质构造和岩性变化分析 ， 异 常区为掘进头前方 的断层破 碎带 ， 且 富含水性相 对较弱 ； 揭露验证 地质情 况 异 常 区内揭露一条落 差 2 ． 5 m的前上断层 ， 准确位置在迎头前 2 2 ． 2 m处 ， 与超前探测位置相符 。 5 2 8 西安科技大学学报 2 0 1 1互 6 ． 2 地层裂隙带的探测与揭露验证 超前探测对掘进头前方 出现的裂隙带异常反映明显 ， 无论是大 的含水裂隙带 、 还是小的渗滴水 、 潮湿 等异常均能反映出来 ， 如图 6为地层裂隙的探测实例。 0 5 1 0 1 5 2 O 25 3 0 3 5 4 0 1 号异常 区 a A 导 迎 1 0 m 出水 2 5 0方每小时 b 图 6 含水裂隙带 的探测实例 F i g ． 6 D e t e c t i n s t a n c e s o n c r e v a s s e b e l t w i t h wa t e r a 超前探测剖面图 b 超前探测施工和结果图 c 施 工揭露验证 图 根据超前探测资料分析， 掘进头前方探测区段内存在 1 处视电阻率低阻异常， 低阻异常区段位于掘 进头前方 1 0 m处附近 ， 低阻异常的幅度和范围均大 ， 判断富水性极强 ； 根据该矿地质资料推断为裂 隙水 所致 ； 建议打钻探 水后再 掘进 ， 并 加强水 文地 质观测 ， 确 保矿 井生产安 全。揭 露验 证情 况 打钻 出水 2 5 0 m ／ h， 注水泥 6 8 t 堵水。 6 ． 3老窑积水探测与揭露验证 超前探测对掘进头前方 出现的老窑积水反映明显 ， 只要老空含水 ， 则超前探测异常就能反映出来 ， 如 图 7为老窑积水的探测实例 。 在图 7中， 探测巷道为煤层掘进巷道 ， 根据探测资 料分析 ， 迎头前方有 1处低 阻异常 区域 ， 位 于迎头前方 2 1～ 2 3 m处。根据该矿地质资料 ， 迎头向前 5 0 m 内未 有较大含水构造 ， 而探测异 常区富水性相对较强 ， 结合 该地地质情况分析 ， 推断该 处为老窑积水 ， 建议 在掘进 过程 中， 在异常区加强水文观察。验证结果 前方 2 1 m 处是 3 l 5老空水 ， 放 出积水约 7 0 0 m ， 防止 了突水事故 的发生 ， 探测结果准确 。 7 结论 通过在全 国各地 的大量超前探测试验 验证 与研究 工作 ， 得出如下结论 。 1 巷道超前水文探测技术的基本 理论及采集装置 参数正确 ， 施工方法合理可行 ， 数据处理软件编程合理 ， 超前探测结果直观 、 可靠。 迎 头 c 图 7 老窑积水探测实例 Fi g ． 7 De t e c t i n s t a n c e o f t he o l d k i l n wa t e r a 超前探测剖面 图 b 超前探测施 工和结果图 e 施工揭露验证图 2 超前探测对掘进头前方 出现的含水断层 、 裂隙带、 底鼓 、 渗滴水 、 潮湿 、 老窑积水等异常均能探测出 来 ， 没有出现漏报现象 。 3 超前探测距离 ， 顺煤层巷道探测范围可达 1 0 0 m以上 ， 在岩巷道探测范围可达 8 0 m以上 ， 在一般 情况下 ， 可以保证 6 0米范围内的探测结果 。 4目前由于超前探测技术在我国乃至世界上还是一个前沿科研课题 ， 因现有技术条件 局限， 不少认 识 尚需深化 ， 还有待今后进一步的研究和不断完善 。 第 5期 张典荣 巷道水文超前探测技术试验研 究 5 2 9 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] 岳建华， 刘树才 ， 于景村， 等． 矿井电法井下干扰试验研究[ J ] ． 勘察科学技术 ， 1 9 9 4， 2 2 6 6 O一6 2 ． Y U E J i a n h u a ， L I U S h u e a i ， Y u J i n g c u n ， e t a1 ． T h e r e s e a r c h o f e l e c t ri c a l i n t e r f e r e n c e t e s t u n d e r g r o u n d c o a l m i n e [ J ] ．S u r - v e y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 1 9 9 4 ， 2 2 6 6 0 6 2 ． 李学军． 煤矿井下定点源梯度法超前探测试验研究[ J ] ． 煤田地质与勘探， 1 9 9 2 ， 2 0 4 5 9 6 2 ． L I X u e u n ． S t u a y a n d e x p e ri m e n t o n h e a d i n g d e t e c t i n g b y fi x e d e l e c t ri c s o u r c e g r a d i e n t m e t h o d i n u n d e r g r o u n d [ J ] ． C o al G e - o l o g y＆E x p l o r a t i o n ， 1 9 9 2， 2 0 4 5 9 6 2 ． 李志聃． 煤田电法勘探[ M] ． 徐州 中国矿业大学出版社， 1 9 9 1 ． L I Z h i d a n ． C o a l fi e l d e l e c t ri c a l p r o s p e c t i n g [ M] ．X u z h o u C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g and T e c h n o l o g y P r e s s ， 1 9 9 1 ． 岳建华， 李志聃． 矿井多极距偶极剖面法及其应用[ J ] ． 煤田地质与勘探 ， 1 9 9 4， 2 2 3 4 7 5 0 ． Y U E J i a n - h u a ， L I Z h i d an．T h e me t h o d o f m u l t i - p o l a r d i p o l e p r o fi l i n g a n d i t s a p p l i c a t i o n s i n c o a l m i n e [ J ] ． C o a l G e o l o g y a n d E x p l o r a t i o n ， 1 9 9 4， 2 2 3 4 75 0 ． 岳建华， 李志聃． 巷道空间对矿井电测深结果影响的物理模型实验研究[ J ] ． 煤 田地质与勘探 ， 1 9 9 2 ， 2 0 3 5 6 5 9 ． YUE J i a n h u a ， L I Z h i - d a n ．Th e s t u d y o f i n f l u e n c e s t o t h e p h y s i c al mo d e l e x p e rime n t s b y t h e e l e c t ri c i t y d e p t h s o u n d i n g r e s u l t s i n t u n n e l s p a c e [ J ] ．C o a l Geo l o g y and E x p l o r a t i o n ， 1 9 9 2 ， 2 0 3 5 65 9 ． 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 71 1 ． D O N G S h u - n i n g ， J I N D e wU， F E N G H o n g ． P r a c t i c al t e c h n o l o gy a n d e q u i p me n t f o r m i n e w a t e r p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l [ J ] ． C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， 2 0 0 8 ， 3 6 3 71 1 ． 虎维岳， 田干． 我国煤矿水害类型及其防治对策[ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 0 ， 3 8 1 9 2 9 6 ． H U We i y u e ， T I A N G a n ． Mi n e w a t e r d i s a s t e r t y p e a n d p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l m e a s u r e s i n C h i n a [ J ] ． C o a l S c i e n c e and T e c h ． n o l o gy， 2 0 1 0 ， 3 8 1 9 2 9 6 ． 陶冬琴， 韩德品． 防爆数字直流电法仪及其应用[ J ] ． 煤 田地质与勘探， 1 9 9 2 ， 2 2 1 5 4 5 6 ． T A O D o n g - q i n ， H A N D e p i n ． E x p l o s i o n p r o o f d i g i t al D C e l e c t r i c a l d s i n s t r u me n t a n d i t s a p p l i c a t i o n [ J ] ． C o al G e o l o gy E x p l o r a t i o n ， 1 9 9 4， 2 2 1 5 4 5 6 ． 代革联， 陈通， 靖伟伟， 等． 充州矿区 3号煤层顶板砂岩含水层水文地质特征研究[ J ] ． 西安科技大学学报， 2 0 0 8 ， 2 8 4 6 6 86 7 3 ． DAI Ge - l i an ， C HE N T o n g ， J I NG We i - w e i ， e t a1． Aq u e o u s c h a r a c t e ris t i c s o f No ． 3 c o al roo f s a n d s t o n e i n Ya n z h o u mi n i n g a r e a [ J ] ． J o u rnal o f X i ’ a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， 2 0 0 8 ， 2 8 4 6 6 8 6 7 3 ． 许江涛 ， 邓寅生， 文广超 ， 等． 事故树分析法在矿井水害防治中的应用[ J ] ． 西安科技大学学报， 2 0 0 9 ， 2 9 4 4 0 5 4 0 9 ． XU J i ang - t a o， DE NG Yi n s h e n g ， WE N Gu a n g c h a o ， e t a 1 ． Ap p l i c a t i o n o f f a ult t r e e a n aly s i s i n mi n e fl o o d p r e v e n t i n g a n d c o n ． t roH i n g [ J ] ． J o u r n a l o f X i ’ a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， 2 0 0 9， 2 9 4 4 0 5 4 0 9 ． Ex p e r i me n t s t u d y o n r o a d wa y a d v a n c e d d e t e c t i o n t e c h no l o g y ZHANG Di a n r o n g x ／ ’ a n R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g G r o u p C o r p， X ／ ’ a n 7 1 0 0 7 7 ， C h i n a Abs t r a c tT h i s a r t i c l e d i s c u s s e s t h e b a s i c t he o r y o f a d v a n c e d d e t e c t i o n t e c h no l o g y．t h e ma i n f e a t u r e s 0 f a d v a n c e d d e t e c t i o n e q u i pme nt ，t he b e s t p a r a me t e r s e t t i n g a n d u n de r g r o u n d c o n s t r u c t i o n s t e ps ，c o l l e c t e d d a t a p r o c e s s i n g me t h o d s ，a n d d a t a i n t e r p r e t a t i o n ．I t g i v e s t h e e f f e c t i v e r a n g e o f a d v a n c e d d e t e c t i o n ．T h e u s e o f a d v a n c e d d e t e c t i o n t e c h n o l o g y t o t h e fro n t o f t h e wa t e r d riv i n g f a u l t ，f r a c t u r e z o n e，t h e o l d k i l n wa t e r a n d o t h e r i n s t a n c e s o f d e t e c t i o n c a s e s a r e d i s c us s e d． Ke y wo r dsa dv a n c e d d e t e c t i o n；d a t a p r o c e s s i n g；e x p e rime n t 十Co r r e s p o nd i n g a u t h o r ZHA NG Di a n r an g， S e n i o r En n e 日 ， Xi ’ a n 7 1 0 0 7 7 ， P ． R． Ch i n a， T e l O O 8 61 3 6 7 9 2 6 8 8 8 6， E ma i l x i a n z h d r t o m． c o m