三维改进并行电法福建小煤矿底板富水区探测.pdf

1222020 年第 8 期 三维改进并行电法福建小煤矿底板富水区探测 邱占林 1,2 曾东富3 郭玉森1 （1. 龙岩学院 资源工程学院，福建 龙岩 364012； 2. 福建师范大学 地理科学学院，福建 福州 350007； 3. 福建紫金铜业有限公司，福建 龙岩 364204） 摘 要 为查明福建小井尖煤矿底板富水区情况，通过运用三维改进并行电法对该小煤矿进行双巷底板及工作面内穿透 探测，由此进行三维电阻率联合反演。结果表明三维改进并行电法探测技术能有效响应含水低阻异常体，可直观圈定富 水区的分布范围及总体连通情况，为福建小煤矿防治水工作提供一些技术参考。 关键词 改进并行电法 三维探测 富水区 矿井水害 小煤矿 中图分类号 TD745 文献标识码 A doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.08.042 Three-Dimensional Improved Parallel Electricity Detection of Water-rich Area of Floor in Fujian Small Coal Mine Qiu Zhan-lin1,2 Zeng Dong-fu3 Guo Yu-sen1 1.Institute of Resource Engineering, Longyan University, Fujian Longyan 364012; 2.College of Geography, Fujian Normal University, Fujian Fuzhou 350007; 3.Fujian Zijin Copper Co., Ltd., Fujian Longyan 364204 Abstract In order to find out the water-rich area of the bottom plate of Xiaojingjian Coal Mine in Fujian Province, the double-lane bottom plate and working face penetration detection is carried out by using three-dimensional improved parallel electric , and the 3D resistivity joint inversion was carried out. The results show that the three-dimensional improved parallel electric can effectively respond to the water-bearing low-resistivity anomaly, and can directly delineate the distribution range and overall connectivity of the water-rich areas, and provide some technical reference for water prevention and control work in small coal mines in Fujian Province. Key words improved Parallel Electricity 3D detection water-rich area mine water hazard small coal mine 收稿日期 2020-05-11 基金项目 国家自然科学基金青年科学基金资助项目 （41704120） ； 福建省中青年教师教育科研项目（科技类）（JAT190759）；龙 岩市科技计划项目（2019LYF13010，2018LYQM0101）；福建 省大学生创新创业训练计划资助项目（201811312068） 作者简介 邱占林（1984-），男，福建上杭人，讲师，工程师，博 士研究生， 地质工程系主任， 主要从事矿井灾害防治与水土保持研究。 1 改进并行电法三维探测技术 1.1 改进并行电法的基本原理 改进并行电法是常规直流电阻率法的一种，是 继高密度电阻率法集电剖面与电测深为一体的基础 上发展起来的新一代电法勘探技术。该技术是主要 基于阵列式、拟震式思想开发的电法技术，具有多 装置、多极距的高密度组合功能，同时还具有多次 覆盖叠加的快速、同步数据采集优势，具有能够探 测钻孔外围一定范围的能力，最大侧向探测距离为 电极控制段的长度。由于采用并行电法勘探技术， 其数据采集具有同时性和实时性，可得到供电时测 线上的各电极点全部电位曲线，使得改进并行电法 图像更趋于真实合理，仿真效果更好，从而大大提 升了视电阻率的纵、横向时间分辨率。 根据分布式电极观测装置的不同，改进并行电 法数据采集方式可分为两种AM法 （单点电源场） 和 ABM 法（双点电源场）[1-4] （图 1）。利用改进 并行电法仪所采集的原始数据可以实现高密度电阻 率法和高分辨地电阻率法物探解译，也可以进行 2D 或 3D 电阻率反演成像解释。同时，改进并行电法 勘探系统所采集的数据属于全电场空间的电位值， 其同步性电位测量，有效避免了因时间差引起的数 据干扰问题。 1232020 年第 8 期 图 1 改进并行电法采集方式及电位变化情况 1.2 三维探测的技术原理 三维探测技术是基于改进并行电法的 3D 反演 并进行观测系统改进的一种新勘探技术，其实质在 于 3D 电阻率层析（CT）全空间成像技术。观测系 统一般布置于两条巷道中，形成空间展布范围广的 3D 透视扫描 CT 系统进行数据采集。根据底板富水 区探测的目的，将测线系统分别布置在工作面运输 巷和回风巷中，切眼巷道因其距离较短而不布置电 极，工作站的布设一般根据探测距离的长短而定。 具体布置方法为充分利用工作面两条巷道，如在运 输巷中布置供电测量系统，在回风巷中布设无穷 远供电 B 极。当运用改进并行电法仪进行电位变化 情况数据采集时，运输巷中各供电电极 A 与回风巷 中对应无穷远极B形成观测地电场， 电极A （164） 逐点供电依次扫描，形成类似于无线电波透视扫描 的扇形观测区，其他电极通过程控实现电位值的实 时、 同步测量， 实现双巷空间的全电场3D透视效果。 当采集结束时，将系统和无穷远极在两条巷道中对 调，再次实施采样，可获取海量地电场参数，达到 对底板及以下区域的多次覆盖测量，有利于异常值 的检验和剔除，大大提高了 3D 电法的探测精度。 若探测距离较长时，每条巷道可布置多工作站测线 系统， 其编号规定为巷道号工作站号， 即测线 （i-j） 。 现场布置时，前工作站最后一个电极与后工作站第 一个电极位置重合，并依次移动另一巷道中的无穷 远 B（i-j）极（图 2）。 图 2 改进并行电法三维探测现场布置 数据反演处理时，将其电极坐标统一规定在井 下坐标系统内，并对各站地电数据进行有效拼接， 联合进行双巷全空间 3D 全空间视电阻率 CT 成像 反演，其 3D 模型反演及求解修改量 Δm 如下式所 示 ΔdGΔm （1） TTT G GC CmGdλ∆∆ （2） 11 1 1 n mm n dydy dxdx G dydy dxdx            （3） 式中 G-Jacobi 雅克比矩阵； λ- 阻尼因子； Δd- 观测参数值 d 与正演理论值 d0的残差向 量； Δm-3D 初始模型 m 的修正向量； C-3D 模型光滑矩阵。 3D 反演一般流程为首先将其模型剖分成 3D 网格，其宽度一般为 0.51 个电极距，然后求取所 划分网格单元内用于反演的电导率值参数。3D 反 演的观测数据是全空间电场背景下所测量的单极 - 单极电位值参数或单极 - 偶极电位差值参数。且因 其变化范围较大，通常选取对数来表示反演数据及 3D 模型参数，用于改善反演的可靠性和稳定性。将 3D地电数据体进行水平切面及垂直剖面综合提取， 可得到采煤工作面内及底板下不同深度的视电阻率 值分异情况，形成直观的视电阻率三维探测成果图。 结合已有的基础地质及物探资料，可综合分析该工 作面内及底板下不同标高范围内的富水区（性）情 况，从而实现双巷改进并行电法 3D 全空间探测。 1.3 三维探测的物性基础 1242020 年第 8 期 由于待测区域内地层层序清楚，层位稳定，其 横向、纵向上均表现出一定的电性变化规律。运用 改进并行电法可 3D 探测采煤工作面横向上的低阻 含水、导水构造及富水区（性）分布规律，同时也 可探测纵向上不同深度的地质构造、富水及其导通 问题。当采煤工作面内及底板下岩层中存在断层等 构造变形时，其电阻率值通常会发生相应变化；当 存在富水区时，该区域与周围岩层存在显著的电性 结构差异，一般呈现出低电阻率值。两者均将打破 岩层电性结构在横向与纵向上的原有规律。这种变 化特征的存在，为以电性差异为应用地球物理基础 的改进并行电法 3D 探测的实施提供了良好的物探 前提 [1]。 2 三维探测实例分析 2.1 研究区概述 福建小井尖煤矿处在闽西南聚煤区中部含煤条 带，二叠系中统童子岩组（P2t）是主要煤系地层 [5]。 该矿主采 38、39 号煤层，28、29 号煤层局部可采， 年产量 9 万 t/a，属于福建省小煤矿规模。首采面为 620-38号采煤工作面， 水文地质条件属中等类型， 主要充水水源为 38 号煤层顶板砂岩裂隙水及栖霞 组（P2q）底板灰岩水。38 煤层底板至栖霞灰岩间 距正常情况下为 35.455.1m，平均间距为 38.7m。 其顶板砂岩裂隙水，是采掘巷道直接充水水源，主 要通过断层、裂隙等通道以淋水或滴水的方式向巷 道排泄。该工作面发育 F2 逆断层，导水性弱，一 般不会给正常的生产带来水害威胁， 而F4正断层 （产 状258∠ 43，垂直断距 H040m），局部与 底板砂岩裂隙或栖霞灰岩溶隙导通，导水性较强， 是需要防范的区域。 2.2 现场布置及数据采集 为了探测该煤矿 620-38 号采煤工作面的底板 富水区情况，在矿方地质部门的配合下，采用改进 并行电法探测技术对工作面两侧巷道底板及以下范 围内的岩层视电阻率分布特征进行3D全空间探测。 井下数据采集坐标系选取以运输巷 F2 断层位置为 平面直角坐标原点（0，0），沿该巷指向 F4 断层 点（437，0）方向为 X 轴正向，则垂直回风巷方向 为 Y 轴正向。现场直接在双巷底板依次布置电极和 电法测线， 运输巷和回风巷各布置4站， 其中第一站、 第二站、第七站、第八站为运输巷探测工作站；第 三站、第四站、第五站、第六站为回风巷探测工作 站（图 2）。每巷均布设 64 个电极，极距为 5m， 切眼巷道不布设，每站测线长度为 315m。数据采 集采用 NPEI-DHZI-1 改进并行电法勘探系统，现场 实施的采集方式为AM法， 每站轮流选用0.5s和2.0s 恒流供电方波采集数据一次，并进行了全部复测， 复测结果基本相同，从而保证了电阻率数据采集的 可靠性。 2.3 数据处理 （1） 选取全空间数据类型， 深度转换系数为0.5， 二次场延迟时间范围为 0100ms 等控制性参数，对 系统所存储的原始数据采取 AM 装置形式进行不同 功能模块的预处理。 （2） 本次处理的电极坐标采用 （X， Y， Z） 形式， 规定 F2 断层点为坐标原点，切眼指向运输巷为 X 正方向，沿着切眼巷道为 Y 正方向，Z 坐标值取 0。 （3）在预处理参数输入后进行整周期各电极 的电流 - 电压转换，通常采用其均值或方差值，本 次处理采取均值替代二次场参数。 （4）由此获得稳定电流值 I 与电位值 V 后进 行畸变异常值剔除，结合背景值分析，明显不符合 规律的畸变值一般是由供电测量电极藕合条件的 改变或井下金属器具、游散电场等干扰所引起。 （5）利用传统直流电法视电阻率计算公式可 进行视电阻率值模块计算，但为了进一步获得真实、 有效、可靠的电阻率值，则需要对预先处理的视电 阻率进行二次解编、插值，多余地电信息校正与光 滑约束处理，全空间电场 3D 反演，进而得到逼近 真电阻率值的反演模型结果。 （6）从模型结果中提取 3D 地电数据体，进行 视电阻率水平切面和垂直剖面成图，并选 surfer 和 illustrator 软件进行辅助成图 [5]。 2.4 探测结果分析 对工作面两侧双巷采集的数据采用全空间三维 电阻率反演 CT 成像技术，利用全空间 3D 层状模 型，可有效反映工作面底板下不同深度的岩层电性 分布及变化规律，可直观反映探测区域的相对低阻 区总体连通情况，主要通过形成工作面底板不同深 度的视电阻率异常区水平切片的空间总体分布来表 示。结合工程揭露的煤岩层、地质构造条件以及巷 道底板积水情况，对该工作面两侧巷道之间底板富 水区分布及连通性进行综合分析。但工作面底板下 不同层位的相对低阻异常区的电阻率阈值因不同岩 性地层而异，因而只能通过同一层位中电阻率值的 1252020 年第 8 期 相对大小来划分，电阻率值明显减小的区域则为相 对富水区。据此可知，该工作面探测区域的底板下 90m 范围内存在 6 个低阻异常区域，其电阻率值均 在 20Ωm 以下，分别定义为 DZ1 ～ DZ6 改进并行 电法低阻异常区（图 3），分述如下 （1）DZ1 低 阻 区 靠 近 回 风 巷， 位 于 X10401180m，Y120168m 之间，大小形态比 较稳定，发育较深，沿工作面底板向下延伸超过 55m，进入灰岩地层，可能与栖霞灰岩水有较强的 水力联系，为重点防范区域之一。 （2）DZ2 低 阻 区 靠 近 回 风 巷， 位 于 X740810m，Y140180m 之间，上小下大发育， 电阻率值较稳定，朝工作面底板下延伸达 40m，在 栖霞灰岩顶界面处消失，未进入灰岩地层。在不考 虑受岩性变化的前提下，可能与底板砂岩裂隙水有 一定的水力联系。 （3）DZ3 低 阻 区 靠 近 回 风 巷， 位 于 X365415m，Y150180m 之间，透镜状发育， 电阻率值变化不大，底板负法向延伸深度为 40m。 与 DZ2 相似，在不考虑受岩性变化的前提下，可能 与底板砂岩裂隙水有一定的水力联系。 （4）DZ4 低 阻 区 靠 近 运 输 巷， 位 于 X620708m，Y036m 之间，大小形态比较稳定， 电阻率值呈现由上而下升高的趋势，朝底板负法向 延伸不超过 40m，未进入栖霞灰岩地层。在不考虑 受岩性变化的前提下，可能与底板砂岩裂隙水有一 定的水力联系。但在 Z-10 -20m 处，低阻值范围 沿 X 方向展布变大，与 F4 断层局部导水有关，需 要引起注意。 （5）DZ5 低 阻 区 靠 近 运 输 巷， 位 于 X440600m，Y040m 之间，横向展布范围较大， 低阻异常区向下逐渐变小甚至尖灭，朝工作面底板 下方延伸也不超过 40m。在不考虑受岩性变化的前 提下，可能与底板砂岩裂隙水有一定的水力联系。 但与 DZ4 类似，受 F4 断层影响，在中部出现低阻 区范围变大的情况，需要注意防范。 （6）DZ6 低 阻 区 靠 近 运 输 巷， 位 于 X305365m，Y060m 之间，形态略微有变化， 电阻率值由小变大再变小，沿底板下方延伸深度不 超过 40m。在不考虑受岩性变化的前提下，可能与 底板砂岩裂隙水有一定的水力联系。 2.5 探查验证 根据综合分析结果，矿方有针对性地实施探放 水钻孔。其中低阻异常区 DZ1 处的钻孔 ZK1，孔 深 56.7m，其出水量随着钻进深度的增加而增大， 由 10.43m3/h（Z-25m） 上 升 至 23.67m3/h（Z- 55m），据此说明了该异常区富水性强，受栖霞灰 岩水的影响大；ZK2 孔深 45m，施工至 -30m 时， 钻孔出水量陡然增大到 19.72m3/h，且钻孔岩心出现 擦痕等断层证据，由此表明 DZ4、DZ5 受控于导水 断层 F4，其富水性强。后续施工的辅助性验证钻孔 ZK3、ZK4，分别对应于 DZ4、DZ5，进一步证明 DZ4、DZ5 是 F4 正断层发育且导水所致。总体上， 与探测分析结果较为吻合。 图 3 工作面底板不同深度三维探测异常区总体分布情况 3 结论 （1）改进并行电法三维探测技术是通过观测 系统的改进及 3D 电阻率反演 CT 成像而建立的一 种全空间 3D 观测技术，对矿井底板法向深度范围 内相对低阻异常体具有良好的响应，为工作面水害 防治提供适用性强的物探手段。 （2）探测应用实例证明该三维探测技术能有 效获取工作面底板电性变化深度剖面，能较直观地 反映相对低阻异常区的总体连通情况，实现富水区 的3D全空间圈定， 与工程钻探验证结果较为一致， 对疏水减压探放水钻孔与注浆加固施工起到较好的 指导作用。 （3）福建小煤矿地质条件复杂，低电阻率值 的高变质无烟煤对低阻含水异常体具有一定的干 扰，需要联合多种物探技术，补充对比验证，方可 达到较为理想的地质探测效果。电阻率值与岩层富 水性之间的定量关系研究及 3D 反演过程中冗余构 造信息的有效利用，均需要进一步探讨。 【参考文献】 ［1］ 张平松，孙斌杨 . 煤层回采工作面底板破坏探查 技术的发展现状[J].地球科学进展， 2017， 32 （06） （下转第 130 页） 1302020 年第 8 期 577-588. ［2］ 刘盛东，吴荣新，张平松，等 . 三维并行电法勘 探技术与矿井水害探查 [J]. 煤炭学报，2009，34 （07）927-932. ［3］ 吴荣新，刘盛东，张平松 . 双巷并行三维电法探 测煤层工作面底板富水区 [J]. 煤炭学报，2010， 表 2 各模拟结果最大值统计 开采方案 一次采 全厚 分 2 层 分 3 层 第一种 方案 第二种 方案 第三种 方案 应力最大值 /MPa 17.82717.68517.92417.97717.833 顶板最大下沉量 /cm 26.50626.04225.91525.68827.251 底板最大回弹量 /cm 22.63920.14320.03419.98219.401 顶板塑性破坏深度 /m 16.00016.00016.00016.00016.000 底板塑性破坏深度 /m 16.00013.00013.00013.00013.000 从表 2 可以得出（1）分层开采时，整体上 煤壁两端应力集中的最大值比一次采全厚时均要 大。这是因为在上分层开采完后，采煤已造成了覆 岩的破坏，重复开采下，应力重新分布，使得应力 进一步增加。除分 3 层顶板下沉量大于一次采全厚 外，其他情况下的开采顶板岩层下沉量均小于一次 采全厚时的下沉量。（2）分 2 层开采与分 3 层开 采对比分析可知，在累积采厚相同的条件下，分 3 层开采时，应力最大值相对较小，但是顶板覆岩下 沉量较大， 此时， 不利于顶板的控制。 由此可以推断， 分层越多，在多次重复采动下，对地表的损伤较大， 容易引起地表沉陷。（3）分 2 层开采时，三种方 案相比，上分层越薄，对应的应力值越小，而顶底 板岩层位移随着上分层的厚度增加而减小。（4） 顶板塑性破坏大小基本一致，整体上来看，分层开 采的情况下，底板塑性破坏范围小。另外，从图及 数据还可以看出，当顶板垮落，采空区充填后，顶、 底板破坏深度是趋于稳定的。 4 结语 根据前文模拟结果及表格分析可以得出累积采 厚、分层采厚对岩层运动的影响规律 （1）针对于厚～巨厚煤层，可选择分层进行开 采， 以降低顶底板岩层的位移量及底板的塑性破坏。 （2）在相同累积采厚条件下，分层次数多， 每分层采厚相对就较薄，此时，上覆岩层的下沉量 增大，且多次重复采动增加了顶板失稳的概率。 （3）在相同累积采厚和分层层数相同的条件 下，先开采的煤层厚时，顶底板岩层位移量就小， 反之则大。结合上述模拟情况，在不考虑岩层应力 的情况下，应优先选择先厚后薄尽量少分层的开采 方式。 【参考书目】 ［1］ 张年学，盛祝平，李晓，等 . 岩石泊松比与内 摩擦角的关系研究 [J]. 岩石力学与工程学报， 2011，30（S1）2599-2609. ［2］ 管伟明 . 大井矿区巨厚煤层多分层开采覆岩活动 规律及控制 [D]. 中国矿业大学，2018. ［3］ 赵宝峰 . 上行开采条件下多煤层开采覆岩破坏规 律研究 [J]. 矿业安全与环保，2016，43（06） 13-15. ［4］ 胡成林 . 浅埋近距离煤层重复采动覆岩裂隙演化 规律 [D]. 中国矿业大学，2014. ［5］ 李全生，张忠温，南培珠 . 多煤层开采相互采动 的 影 响 规 律 [J]. 煤 炭 学 报，2006，31（04） 425-428. （3）由于煤岩识别技术尚不成熟，唐口煤矿 采用采煤机记忆截割加远程监控模式进行生产。由 于唐口煤矿煤层条件复杂多变，记忆截割模式没有 得到充分应用。 【参考文献】 ［1］ 张建公 . 低照度视频技术在综采工作面监控系统的 应用 [J]. 煤炭科学技术，2013，41（08）92-94. ［2］ 徐亚军，王国法 . 基于滚筒采煤机薄煤层自动化 开采技术 [J]. 煤炭科学技术，2013，41（11） 6-9. 35（03）454-457. ［4］ 邱占林，陈万煌，鲍道亮，等 . 多种物探技术联 合探测矿井水害 [J]. 矿业安全与环保，2016，43 （04）60-63. ［5］ 苏水生 . 福建省煤田地质特征及深部找煤探讨 [C]//2011 年华东六省一市地学科技论坛 . 2011. （上接第 118 页） （上接第 125 页）