地-井-巷联合物探精细探测技术1.ppt

,,地-井-巷联合物探精细探测技术,中国煤炭地质总局水文地质局,发挥综合物探精细探测优势---为煤矿安全生产保驾护航,马瑞花手机18131038511QQ869315763,,关键技术,物探技术概述,应用实例,,,,地-井-巷联合精细探测技术,物探技术概述,重力勘探,磁法勘探,地震法勘探,物探（地球物理勘探）,,,,电磁法勘探,,放射性,,岩石的导电性差异,岩石的密度差异,岩石的磁性差异,岩石的放射性差异,岩石的弹性差异,物探方法多种多样，按照原理的不同，可分为重、磁、电、震等。,物探技术概述,,,按照应用的空间不同，又可分为地面物探、井下物探、孔中物探、航空物探等。,地面物探,航空物探,海洋物探,常用地面物探方法,常用井下物探方法,煤矿水害隐患,煤矿水害的三大因素,充水水源,充水途径,充水水量,,,煤矿水害,,,,常见的矿井充水水源,间接充水水源,直接充水水源,自身充水水源,,,,间接底板水,间接顶板水,直接顶板水,直接底板水,含工水作层面之位中于,,,,,,煤矿水害隐患,,,,常见的矿井充水途径,天然通道,人工通道,,,,导水断层,导水裂隙带,陷落柱,岩溶塌洞,,,,,煤矿水害隐患,,,底板三带,顶板三带,防水煤岩柱,不良钻孔,,,,,,,点状通道,线状通道,面状通道,物探在煤矿的应用背景,“安全第一、预防为主、综合治理。”,我国安全生产方针,防治水，“防”为主,,,“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”,,,“探”是关键,防治水十六字方针,钻探,近年来，物探手段由于成本低、效率高的优点，越来越多的被应用到防治水领域，在煤矿水害探测与防治、开采方法的改进、安全度的评价等领域发挥着越来越重要的作用。,直观,准确,物探,效率高,覆盖广,成本低,,,,,,物探在煤矿的服务领域,煤矿防治水服务,2、探查煤层顶、底板含水层富水性，为提前疏放提供孔位,煤矿生产地质服务,1、探查煤层赋存形态，为采掘设计提供依据,3、探查火烧区、风化带、侵入岩范围，合理布置采面,4、探查地层界面分布,3、探查奥灰岩溶富水性，圈定注浆加固区域,1、探查采空区范围及积水情况,4、探查断层、陷落柱等地质构造的富导水性,5、探查隐伏导水通道,2、探查地质构造分布，减少无效掘进,煤矿安全生产保障,1、预测瓦斯聚集区,2、预测预报各类地质灾害,煤矿防治水中常用地面物探方法,,地震勘探是利用地层和岩石的弹性差异来探测地质构造、寻找有用矿产资源的重要地球物理勘测方法。,,,,1、煤层起伏形态,2、采空区,3、断层形态、大小,4、陷落柱形态及大小,,三维地震,解决问题,,,三维地震规则束状观测系统示意图,煤矿防治水中常用物探方法,,,,,,地面电法,瞬变电磁法瞬变电磁法是在地表敷设不接地线框，输入阶跃电流，当回线中电流突然断开时，在下半空间就要激励起感应涡流，并且此涡流场随时间以等效涡流环的形式向下传播、向外扩展，利用不接地线圈、接地电极或地面中心探头观测此二次涡流磁场或电场的变化情况。,瞬变电磁法工作原理示意图,,瞬变电磁工作装置,大定源内回线装置,重叠回线装置,中心回线装置,偶极装置,可控源音频大地电磁法,可控源音频大地电磁法是以有限长接地导线为场源，在距偶极中心一定距离（r）处同时观测电、磁场参数的一种电磁测深方法。随着接收频率的逐渐减小，用不极化电极探测不同深度上的电性变化，以了解目的层的空间分布情况。其探测深度与发射频率和接收频率有关，频率越低，探测深度越大。,可控源音频大地电增法工作原理示意图,,大地表面水平电偶极子、电磁场各分量及坐标系,,b.标量测量c.标量共磁道测量,标量方式,可控源音频大地电磁法工作装置,,2.矢量测量方式,CSAMT有标量、矢量和张量三种测量方式，在煤炭地质、煤田水文地质、煤矿隐蔽致灾地质因素勘查中一般采用TM模式旁侧装置形式，进行标量测量。,电阻率法（直流电剖面、直流电测深、激发极化法等）,,电阻率法是最为常用的水文物探方法之一，它是以岩石介质的导电性差异为基础，通过研究人工建立的地下稳定电流场的时空分布规律，来解决水文地质问题。,对称四极垂向测深工作装置示意图A、B为供电电极，M、N为测量电极,,三极电剖面工作装置示意图A、C为供电电极，M、N为测量电极,联合剖面工作装置示意图A、B、C为供电电极，M、N为测量电极,中间梯度工作装置示意图A、B为供电电极，M、N为测量电极AB不动，MN间距离不变，在AB中部1/3范围内沿测线逐点移动观测,高密度电法,高密度电法实际上是集中了电剖面法和电测深法特点，即测剖面又测深，包括温纳装置、施伦贝尔装置等。,温纳装置,,煤矿防治水中常用井下物探方法,,,井下物探,22,矿井瞬变电磁超前探测,直流电法超前探测构造富水性,地震反射波超前探测构造,井下物探超前探测方法,23,矿井工作面物探探测方法,无线电波透视探测工作面小型构造,音频电透视探测工作面顶底板富水性,瞬变电磁工作面探测富水性,煤矿防治水中孔内物探技术,,自然电位,视电阻率,密度,自然伽玛,测井曲线,,,,,,它是利用掘进巷道的钻孔进行钻孔物探探测，探测围岩介质的电阻率和极化率二个物理参数。随着测量探头从孔口慢慢推进到孔底，可以对钻孔周围和孔底20～30米范围内进行探测，扩大了钻孔探测的有效范围，可以对富水体及导水通道等有害地质体进行精细有效的探测预报。,现场工作示意图,煤矿防治水中孔内物探技术,,这种孔内物探方法，是一种新的矿井巷道超前探水预测技术。,钻孔激发极化法,巷道的锚杆和锚网支护,巷道的钢槽和钢骨了架,巷道的机电设备和电缆,巷道掘进机,避开了井下人文和自然的强干扰背景，提高微弱信号的识别和处理能力。,煤矿防治水中孔内物探技术,,钻孔激发极化法,,地-井-巷联合精细探测技术,28,物探技术的发展,▲单一方法的多解性难以克服,▲水文地质条件日益复杂,▲干扰因素难以排除,▲现实对准确率的要求越来越高,,50年代,60-90年代,2000年以来,技术现状,存在的问题,,50多年的发展，物探技术取得长足进步，技术体系化、队伍专业化、应用规模化，在矿井水文地质勘探中扮演着越来越重要的作用，各矿区都陆续开展了水文物探技术应用，覆盖了国内90以上的大中型矿井，很好的指导了矿井安全生产。,随着矿井开采广度、深度的加大，矿井水文地质条件日趋复杂,,DX17陷落柱,DF2正断层,奥灰岩溶发育区域,地震时间剖面,,,地面电法探测岩溶水,岩溶富水区反映明显,,煤层顶板水,,,,地面电法探测煤层顶板水,,电法探测采空区积水,,,,采空区,,,,采空积水,正常地层,采空积水,采空区,积水区,,,综合水文物探的必要性,,随着科学技术的进步，“原创性”发展越来越难，而“组合式”发展已成为主流，使众多不同的技术有机地组合在一起，便会产生质的飞跃。综合物探可使不同内涵的多学科互相渗透，不同机制的参数优化组合，以克服单方法、单参数的多解性和局限性。充分发挥各种探测手段在特定环境下的技术优势，开展地面和井下多种技术手段综合探测、综合分析以及结果的互相印证，实施“多手段、多角度、多层次”的综合立体式的物探手段，以提高物探成果的精度。,,地-井-巷联合精细探测技术良性循环示意图,地面物探无损探测圈定异常部位,钻探、水文资料验证异常提供已知物性资料,井下物探贴近目标进一步精细探测,地-井-巷联合精细探测技术,,地-井-巷联合精细探测，通过采用“多手段、多角度、多层次”的综合立体式的物探技术，充分发挥了不同探测方法的优点，在有机融合中实现自我更新、细化、修改、补充、完善，验证情况证明，物探成果的解译精度得到明显提高。,,所采用的综合物探方法,地-井-巷联合精细探测技术,,,地面三维地震,典型原始单炮记录,地面三维地震,有效波,有效波,有效波,有效波,,,a井深18m药量2Kgb、井深20m药量2kg,,c、井深22m药量2Kgd、井深24m药量2Kg,三维地震与钻孔资料井联合解释,,测井曲线合成记录,波阻抗层位标定,波阻抗反演剖面,钻探方法比较直观，纵向分辨率较高，由于一点一孔的局限性，不能以点带面，对于大范围采空区显然无能为力，因此，充分利用地震资料的横向分辨率较高及投入少、范围广的优势，提高探测解译精度。,时间剖面,时间剖面,三维数据体,地震利用先进的分频处理技术、层析静校正技术、相干体技术、动态解释技术、岩性解释技术-波阻抗反演技术、属性解释技术、叠前时间偏移处理技术、小面元高精度三维地震勘探等技术，可以获得高精度的地质成果。,不同落差断层在地震时间剖面上的反映,断层在时间剖面上的显示,陷落柱在时间剖面上的显示,采空区在时间剖面上的特征，直观明显,,瞬变电磁法,地面电法优缺点,可控源音频大地电磁法,高密度电法,直流电阻率电法,感应类对低阻反映比较灵敏，对高阻层穿透能力强，受地形影响较小，但受高压线、人文干扰影响较大，易产生低阻屏蔽。传导类对低阻反映比较灵敏，抗干扰能力强，但受地形影响较大，存在体积效应。*电法野外施工相对简单，由于存在多解性，因此室内资料处理、解释相对较复杂。以上为共性，不同方法还有其各自特性。,常用地面电法,地面电法经过先进的处理技术包括“顺层差值”法、地形和深度校正、单点分析、单点修正以及分层解释、三维可视化等技术，可以获得高精度的地质成果。,,奥灰岩溶水,,煤层顶板水,,,,,,富水陷落柱,不富水断层、富水断层,阻水断层,局部富水断层,,,X矿3煤顶板砂岩裂隙分布图,司马矿二采区3煤层顶板富水异常平面图,,,,,,已被矿方验证,已被矿方验证,,阳煤集团开元公司黄丹沟矿老空水及岩层水探测,积水验证,,经矿方验证，采空不积水,内蒙古自治区鄂尔多斯市大地精煤矿浅层二维地震及瞬变电磁综合勘探资料解释及验证情况,积水区,积水区,积水区,积水区,,,资料验证,矿井瞬变电磁超前探,对低阻充水破碎带、采空积水等低阻体反映较灵敏、体积效应小，施工方便、快捷、效率高，既可以用于煤矿掘进头前方，也可以用于巷道侧帮、煤层顶、底板等探测，为煤矿在生产过程中水患和导水构造的超前预测预报提供技术支撑。,矿井物探技术,井下瞬变电磁观测系统的布置,观测系统的设计主要考虑到现场的支护及金属干扰情况，条件允许的情况下采用U形观测系统，异常形态简单，易于分析解释。,,扇形观测系统,,U形观测系统,主要用于超前探测巷道掌子面前方150米范围内的不良地质体的预测预报，包括断层、陷落柱、采空区等的预测预报。,地震反射波超前探,,MSP与MTEM综合探测技术,,,,底板斜下30超前探测视电阻率等值线图,三维立体显示图,三采区胶带巷迎头MSP超前探测纵波偏移剖面图,,MTEM与无线电波透视的综合工作面探测,,,无线电波透视布置示意图,无线电波透视成果,瞬变电磁对工作面的探测,关键技术,,属性解释技术有实用价值，使地震信息分析结果更为清晰、直观，更易于反映出其内部所蕴含的地质意义，有利于提示解释人员对地质现象的认识，使解释人员能够在短时间内从宏观上认识整个勘探区内地质异常体的几何形态、发育规模及空间展布规律等。基于“体”的解释概念，优越于传统的地震解释方法，可以有效的提高解释的精度与效率。,C3相干体顺层切片,煤层地层倾角及方位角属性,煤层主频属性,,煤层主频振幅属性,解释成果对照图,地震属性解释技术,岩性解释解释技术,,在时间切片上也可获得煤层及其顶板的岩性信息。根据钻孔资料发现煤层顶板主要为泥岩、细砂岩和砂岩。,,顶板岩性切片,顶板4m岩性切片,,,底板岩性切片,底板4m岩性切片,了解煤层顶、底板岩性对后期的开采至关重要，常规地震剖面不能提供相关信息，而波阻抗反演剖面则有助于解决此类问题。,岩性解释解释技术,电法三维可视化解释技术,地面电法三维数据体,三维透视,地形叠加,钻孔载入,趋势面分析,三维切片,电法三维可视化解释技术,,,,传统的电法资料解释方法是建立在单点曲线、视电阻率断面图和视电阻率平面图基础上的，而这些图件全部是一维或二维图件，反映的成果多为局部和某一方向，因此解释的时候不直观，缺少空间上的对比和参照，反映不出异常在空间上的赋存情况。,三维可视化技术通过采用立体显示技术在三维空间内直接解释地层的富水、采空积水分布范围和分布特点，利用扫描和追踪技术使解释人员快速选定目标，准确快速的描述地质规律，提取更多的地质信息，使地质成果更加丰富准确。,视角变换,任意切片,异常追踪,关键技术体系,正演模拟技术,综合矿井物探技术,地球物理反演技术,电法三维可视化技术,高精度三维地震技术,地震属性解释技术,,应用实例,,1、地面地震-井下地震-井下瞬变联合探测采空区及采空积水范围,井田范围示意图,,可疑区域,,,,,,,,地面地震根据反射波消失扭曲圈定采空区范围,,,井下地震进一步精确采空区边界,,,井下瞬变电磁解释积水情况,2、地面三维地震-地面瞬变电磁-井下地震波超前探测矿井瞬变电磁联合探测构造富导水性,山西某矿区断层、陷落柱较发育，含水层富水性强，采用了地-井-巷联合精细探测技术，取得了很好的效果。,利用钻孔资料对物探数据进行标定,地面物探资料对安城断层的解释,根据井下探测结果，当日迎头前方120m内存在R1、R2、R3三处界面，分别位于迎头前方31～37m、60～66m、102m处。其中R1界面附近没有富水，R2界面局部富水，R3界面在各个方向都存在低阻异常且落差较大，推断为安城断层。,3、地面三维地震-地面瞬变电磁-井下地震波超前探测矿井瞬变电磁联合探测构造富导水性,到2012年6月为止，掘进巷道已通过探测范围，经验证在当日探测迎头前方30米左右处，存在一小型断裂构造，与矿井巷道震波超前探测解释的R1异常反射界面较为吻合。由于本次巷道是与水平方向成以9度前进，R2异常反射界面在本次巷道掘进过程中未得到验证，预计该异常为煤层内部存在小的破碎带；R3异常反射界面与本次验证情况较为相符，为安城断层赋存区域，预计落差31米左右，比正常地段涌水量大。验证情况较好。,目标体的验证情况,3、地面、跨孔CT、孔中三维激光扫描联合探测采空区,通过地面物探解释，大海则煤矿矿区东北部43210回风顺槽中段附近存在采空区异常，图1中品红色虚线圈定部位为地面解释的采空区，蓝色为积水异常。,,图1布置3个钻孔验证低阻异常，并开展跨孔CT,3、地面、跨孔CT、孔中三维激光扫描联合探测采空区,通过孔间电磁波CT法，圈定了3个高吸收系数异常区，见图2中红色区域，分析为采空区积水。,图2CT法成果图,3、地面、跨孔CT、孔中三维激光扫描联合探测采空区,最终通过孔中三维激光扫描，准确的刻画了整个空区（老巷）的形态，为掘进巷道成功避开废弃老巷提供了资料。,4、井下瞬变电磁直流电法探测采空区,物探掘进巷道60～100米有低阻异常，异常性强，推断该处有富水构造或富水老空。在迎头施工长探62米出水，总出水量达10几万方。,直流电法迎头探测,5、井下瞬变电磁峰峰三矿迎头构造解析,,,本次探测虽无明显低阻异常，但左右两帮视电阻率差异较大，有明显界面，分析为断层构造影响，矿方已掘进验证。,6、地面电法解释采空区,,“上三带”孔，南11层采空,裂隙,裂隙,地面瞬变电磁圈定煤层顶板砂岩富水区,,准备掘进的工作面中存在顶板富水区,,巷道掘进方向瞬变电磁超前探视电阻率等值线图,迎头前方有低阻异常区,根据矿方验证，巷道掘进到物探异常区出现涌水现象造成煤层流失，涌水量到达60m/h。,,,矿方验证，工作面回采至该处时，揭露老巷，突水量到达1000m/h。,,峰峰峰合煤矿工作面探测,,根据矿方验证，超前钻探揭露老巷，水量到达50m/h。,,峰峰峰合煤矿掘进迎头探测,74,矿井瞬变电磁探测岩溶水,井下探测岩溶水,,无线电波透视探测工作面内导水构造,概括总结,地-井-巷联合精细探测是在综合物探的基础上，采用“多手段、多角度、多层次”的综合立体式的物探手段。不仅要做到野外精细探测，在室内的资料处理解释方面要采用目前较先进的技术手段进行综合分析、精细解释。,两点建议,2、提前谋划物探工作,1、根据实际，选择合适的物探方法,综合物探不是多种方法和手段的任意罗列，也不是投入的方法和手段越多越好，而是应根据矿方的实际情况（包括地质、水文地质条件及地表条件、需要解决的实际问题等），充分利用各种物探方法的优点，选择最佳方法或手段的优化组合，使其达到“技术可靠、经济合理”。,物探与其它勘探手段不同，除了野外数据采集外，室内资料处理解释工作量非常大，如果时间紧，不仅不能保证野外施工质量，可能造成成果资料达不到预期效果。无论从人力、物力、财力都是一种浪费。所以一定要提前做好计划。,,,谢谢,