矿井工作面开采水文地质条件综合地球物理探测研究.pdf

第 1 9 卷第 7 期 2 O 1 O 年 7 月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo L 1 9，No 7 J u l 2 0 1 0 讨业纵梭 矿 井工作 面开采水文地质条件 综合地球 物理探 测研 究 朱若军 ， 程久龙 ， 张要田 ，王玉和 ， 姜国庆 ( 1 国投新 集能 源股份 有限公 司刘庄 煤矿 ，安徽 淮 南 2 3 6 2 3 2； 2 山东科技大学 矿山灾害预防控制教 育部重点 实验室，山东 青 岛 2 6 6 5 1 0 ) 摘 要：基于对矿井 瞬变 电磁法和高密度电阻率 法理论基础 、技术特点及其 方法局限性 的分析 ，提 出综合运用两种方法进行工作 面水文 地质 条件探测 ，结合 某矿 1 2 1 1 0 1工作 面水文地 质条件 探测 实例 ， 探讨综合地球物理探测 的工作方法技术、数据采集 方法 、资料处 理与解释方法 等 。工程应用 结果表 明： 综合地球物理探测方法 ，既可以弥补矿井 瞬变 电磁法无法分辨顶 、底板 异常响应 的缺 陷，又可 以对两种 方法的探 测结果相互验证 ，排除由于扰 引起 的假异常 ，从 而有效查 明矿井工 作面开采水文地质 条件 ，为 工作面安全回采提供技术保障。 关键词 ： 矿井瞬变电磁法 ；高密度电阻率法 ；水文地质条件 ；工作 面开采 中图分类号 ：P 6 4 1 7 2 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 4 4 0 5 1( 2 0 1 0 J O 7 一。 O 9 8 一O 4 Re s e a r ch o n t h e int e g r a t e d g e o ph y s ica l d e t e ct io n o f hy d r O g e O lO g ica l co n d it io n in min e wo r k in g f a ce ZHU Ru o j u n ，CHE NG J i u l o n g ，Z HANG Ya o t i a n ，WANG Yu h e ，J I ANG Gu o q i n g ( 1 L iu z h u a n g C o a l Min e ，S d i e Xi n ii E n e r g y C o L t d ，Hu a i n a n 2 3 6 2 3 2 ，Ch i n a ；2 Ke y L a b o r a t o r y o f Mi n e Di s a s t e r Pr e v e n t i o n a n d Co n t r o l，S h a n d o n g Un i v e r s it y o f S ci e n ce& Te ch n o l o g y，Qi n g d a o 2 6 6 5 1 0，Ch i n a ) Ab s t r a ct ：Ba s e d o n t h e a n a ly s is o f t h e o r e t ica l b a s is ，t e ch n ica l ch a r a ct e r is t ics a n d 1 imit a t io n s o f min e t r a n s ie n t e le ct r o ma g n e t ic me t h o d ( M TE M )a n d h ig h d e n s it y r e s is t iv it y me t h o d，t h is p a p e r p r o p o s e d t h e in t e gr a t e d ge o phy s ical me t h od t O de t e ct h yd r o g e olo gica 1 con dit ion o f mine wor king f a ce by co mbining t h e a b o ve t wo me t h od s W it h t he d e t e ct ion ca s e in 1 211 0 1 wo r king f a ce，t h is pa p e r d is cu s s e d t he wo r kin g p r o ce d u r e ，d a t a a cq u is it io n，p r o ce s s in g a n d in t e r p r e t a t io n me t h o d s o f in t e g r a t e d g e o p h y s ica l d e t e ct io n Re s u lt s o f e n g in e e r in g a p p lica t i o n s h o w t h a t t h e in t e g r a t e d g e o p h y s ica l me t h o d ca n r e me d y t h e d e f e ct o f min e t r a n s ie n t e le c t r o ma g n e t i c me t h o d ( u n a b le t o d i s t i n g u i s h t h e a b n o r ma l r e s p o n s e s o f r o o f a n d f l o o r )a n d co n t r a s t t h e d e t e ct in g r e s u lt s o f b o t h m e t h o d s ，t h u s r e mo v e t h e f a ls e a n o ma ly a r o u s e d b y in t e r f e r e n ce Th e in t e g r a t e d g e o p h y s ica l m e t h o d ca n e f f e ct iv e ly d e t e ct t h e h y d r o g e o lo g ica 1 co n d it io n o f min e wo r k in g f a ce a n d p r o v id e t e chni ca 1 s u pp o r t f o r s a f e mining Ke y wo r d s ：min e t r a n s ie n t e le ct r o ma g n e t ic me t h o d；h ig h d e n s it y r e s is t iv it y me t h o d；h y d r o g e o lo g ica l co n d it io n；wo r k in g f a ce min in g 瞬变 电磁法和高密度电阻率法，是 目前应用 于矿 井工 作 面水 文地 质 条 件 探 测 的主 要 水 文 物 探 方法。它们在工作 面顶、底板岩层含水地 质异常 体 、裂隙带 富水 性 、导 水 通 道 和 含 隔水 层 厚 度 探 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 3 2 3 基 金 资 助 ： ： 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助( 编 号 ： 5 0 7 7 4 0 5 1 ， 5 0 9 7 4 0 8 1 ) ；9 7 3计 划课 题 ( 编 号 ：2 0 0 7 C B 2 0 9 4 0 6 ) ；山东省“ 泰 山学者”建设工程 专项经费资助 作者简介 ：朱若军( 1 9 7 4 一) ，男 ，安徽 安庆人 ，总工 程师 ，主要 从事煤矿生产和安全的技术及管理工作 。 测等方面 ，取得了良好的应用效果L 】 。但是，由于 理论 基础 和方 法 本 身 的特 点 ，这 两 种 方 法 在 实 际 应用 中 ，仍 存在 一定 的局 限性 。 矿井 瞬变 电磁法 探 测 是 在井 下 巷道 中进 行 的 ， 测量 的是 巷 道 附 近 岩 层 在 一 次场 激 励 下 产 生 的感 应二次场随时间的变化规律 。在进行煤层顶 、底 板岩层含水性探测时，接收天线接 收的是来 自煤 层顶 、底板两个方 向的地电信息，因此很 难判断 电性异常是来 自顶板、底板 ，或者是二者共 同作 第 7期 朱若 军等 ：矿井 工作面开采水 文地质条件综合地球物理探测研究 用的结果 ，这就严 重影 响了资料解 释精度 。矿井 高密度电阻率法 的特殊性 ，是 由电流场 的分 布特 征决定 的，与地 面电阻率法 不 同。矿 井 电阻率法 的电流场在 巷道 中呈 全空 间分 布 ，数值 模拟 、物 理模 拟 和 井 下 技 术 试 验 结 果 均 表 明 ，全 空 间 效 应 和巷道 空 间对矿 井 电 阻率 法 的影 响是 客 观存 在 的 。考 虑到 回采 工作 面煤 层 的 电阻率 高( 主要 是 气煤 、肥煤) ，而顶底板 围岩一般为砂页岩类 ，其 电阻 率 比煤 层 低 得 多 。因 此 ，回 采 工 作 面 底 板 ( 或 顶板 )上 点 电源 的 电流 分 布 ，可 近 似看 作 半 空 间 ，这一 近似 不影 响探 测地 质效 果l _ 3 。 基于 以 上 分 析 ，可 以 考 虑 综 合 运 用 两 种 方 法 进行 工作 面水 文 地 质 条 件 的探 测 ，这 样 既 可 以 弥 补矿井 瞬变 电磁 法无 法 分 辨 顶 、底 板 异 常 的 缺 陷 ， 达到对 异 常 体 准 确 定 位 的 目的 ，又 可 以对 两 种 物 探 方法 的探 测结 果相 互验 证 ，提 高资料 解释 精度 。 1 矿 井 瞬变 电磁法 与 高密度 电 阻率法 基本 原理 1 1 矿井 瞬变 电磁法 基本 原理 矿 井 瞬变 电 磁 法( MTE M) 是 利 用 设 置 于 井 下巷道中的不接地 回线 向巷道周 围空间发射一 次 脉 冲磁 场 ，在 其 激 发 下 ，巷 道 周 围 导 电岩 矿 体 中 激励 起 的感 应 涡 流 ，将 产 生 随 时 间变 化 的感 应 电 磁场( 二次场 ) 。由 于 二次 场 包 含 有 巷 道周 围地 质 体丰富的地电信息 ，通 过在一次场 间歇期间观测 二次场 ，并对 观测信息进 行提 取和分析 ，就可 以 达 到探测 巷道 周 围导 电介质 电性 特征 的 目的 。 由 “ 烟 圈” 理 论 来 看 ，早 期 瞬 变 电 磁 场 是 由 距 离发射 线 框 较 近 的 巷 道 围 岩 介 质 的感 应 电 流 产 生 的 ，可 以反 映 近 距 离 的 电 性 分 布 ；晚 期 瞬 变 电 磁场是 由距离发射线框相对 较远的 围岩介质 的感 应 电流产 生 的 ，可 以反 映 远 距 离 的 电 性 分 布 。全 空 间 条 件 下 ，磁 偶 源 晚 期 计 算 视 电 阻 率 的 公 式为 ： f。 一 c 4 a 2 5 F o ( v S N D s n ) 。 ( 1 ) 式 中： c 为全空间响应系数 ； S、 N 和 s、 分别为 发射线圈和接收线 圈面积及 匝数 ； t 为瞬变延 迟时 间； V I为观测到的归一化二次场 电位场值 。矿井 瞬变 电磁法 时深 转换 公式 为 r D ) 一 j V( p ， t ) d t0 ( 2 ) J 式 中： D ( )为 t 时刻 电磁场传播深度 ； V( p ， )为 任 意导 电介 质分 布情 况下 电磁 场垂直 扩 散速度 。 1 2 矿井高密度电阻率法基本原理 矿井高密度 电阻率法 ，是集 电测深和 电剖面 法于一体 的阵列勘探方法 。该 方法 的核心是实现 的野外测 量 数 据 的 快 速 、 自动 和 智 能 化 采 集 ，一 次布极即可进行多点、多极距 和多参数数据采集 ， 因此数据采样高 、信息量大 ，能够 比较全 面的反 映测 量断 面的 电性特 征_ 7 。并且 该方 法在 资料处 理 解释 中，可以运用 多种参数进 行综合解 释，弥补 了常规 电阻率法 测点 稀疏 和解 释参数 单一 的不足 。 2工作方 法技 术 综 合 地 球 物 理 探 测 要 求 在 工 作 面 胶 带 顺 槽 、 轨 道顺 槽 同 时 布 置 瞬 变 电磁 探 测 测 线 和 高 密 度 电 法 探测 测 线 ，并 充 分 利 用 矿 井 瞬 变 电磁 法 探 测 的 方 向性 特点 ，进行 多方 位探 测 。 2 1 矿 井瞬 变 电磁法 工作 方法 由于巷 道 空 间有 限 ，矿 井 瞬变 电磁 法 的 装 置 尺 寸不能 太 大 ，一 般 采 用 多 匝 小 回线 组 合 。这 种 装 置有效 发 射 面 积 大 ，且 发 射 电流 较 大 ，因 此 发 射 磁矩增 强 ，信 噪 比提 高 ，有 效 勘 探 深 度 也 相 应 增加 。常用 工 作 的 装 置 主 要 有 重 叠 回线 、 中心 回 线 和偶 极装 置 三种 。 矿井瞬变 电磁法装 置较 小 ，可 以灵活 的进行 旋转 、移动 ，施工效率较高 ，同时根据小 回线发 射 电磁 波 的 方 向 性 特 点 ，可 以进 行 多 方 位 探 测 。 一 般认 为 ，线 框 平 面 的法 线 方 向 即为 探 测 的 目标 方 向 。因此 ，通 过 灵 活 调 整 线 圈 法 线 与 巷 道 底 板 的夹角，可探测工作 面顶板 、底 板和顺层 方 向上 介质的电性变化情况 。应 用矿井瞬变 电磁 法进行 竖 直方 向 和 倾 斜 方 向探 测 时 ，线 圈 的放 置 方 式 如 图 1所示 。 图 1 矿 井瞬变 电磁 法探 测方向示意图 2 2 高密 度 电阻率 法工作 方 法 高密度 电阻率法现 场数据采集 ，一 般采用三 电位 电 极 系 ， 即 由 温 纳 四 极( AMNB) 、 偶 极 ( AB MN) 及微 分 ( AMB N)装 置 按一 定 方 式组 合 所构成 的测量系统 8 。高密度电阻率法观测系统布 置如图 2 所示 ，具体测量方式如下 ：首先在设计测 线上按 固定点距 z布置一系列电极 ，然后将电极通 过电缆与主控采集 站 ( 主机)相连。取装 置电极 1 O O 中 国 矿 业 第1 9 卷 间距 a一 妇 ，( i 一 1 ， 2 ， )，将 相距 为 a的一 组 电极 ( 供 电电 极 和测 量 电极 ) 经 转 换 开 关 连 接 到 主机进 行 观 测 ，并 通 过 转 换 开 关 改 变 装 置 类 型 ， 依次完成该测点上各种装置形 式的视电阻率观测； 一 个测点观测完毕 ，转换 开关 自动转 接下一组 电 极 ，以同样方 式 进 行 下 一 测 点 的观 测 ，直 到某 一 电极 间距 的整 条 剖面 观 测完 为 止 ；改变 电极 间距 ， 重复以上观测，直到所有不 同电极 间距 的剖面观 测完为止 _ 8 。 1 2 X 3 X 图 2高密度电阻率法观测 系统布置示意图 3 工程应 用 3 1 工作 面地质 概况 1 2 1 1 0 1 工 作 面 总体 形 态 为 一 单 斜 构 造 ，煤 层 走 向近东 西 ，工 作 面 沿 近 走 向 布 置 ，平 均 走 向长 1 5 0 1 6 m，倾 向长 1 9 2 8 m，平 均 煤 厚 3 8 3 m，局 部受 层滑 断层 影 响 煤 层 变 薄 ，甚 至 缺 失 。工 作 面 直接顶 为砂 质 泥 岩 ，老 顶 为 细 砂 岩 ，直接 底 为 泥 岩或砂 质 泥 岩 ，老底 为 砂 质 泥 岩 、 细砂 岩 或 粉 砂 岩。根据水文地质资料并结合邻 近工作面开采情 况可知 ，工作 面顶 板各 含 水 层 多 以静储 量 水 为 主 ， 含水性不均一 ，局部水量较 大；工作面老底下方， 厚层石英 砂 岩裂 隙发 育 且 局 部 含 水 ，回采 时存 在 突水危 险 。因此 ，为 了查 明 工 作 面水 文 地 质 条件 ， 保 证工作 面安 全 回采 ，开 展 了综 合 地 球 物 理 探 测 研 究 。 3 2地球 物理特 征 瞬变 电磁 法 和 高 密 度 电法 同属 于 电法 勘 探 范 畴 ，都是以岩矿石的 电性差异为基础来研究地质 构造的。由于本工作面所涉及的含水层是顶底板 砂岩层 ，这里 主要 讨 论 砂 岩 地 层 的 电 性 特 征 。结 构致 密完 整 且 不含 水 的 砂 岩 ，在 电 性 上 表 现 为 高 电阻率 特征 ，如 果 砂 岩 裂 隙 发 育 且 含 水 ，那 么 在 裂隙发育、断层或裂隙带附近的电阻率会 比正常 砂岩地层的电阻率大 大降低 ，且 降低的程度视裂 隙发育 和 含水 程 度 的不 同 而不 同 ，裂 隙 愈 发 育 赋 水性愈强，则 电阻率 愈低。这是本次综合地球 物 理探测 的物理基 础 。 3 3 数据采 集 在综合地球 物理探测具 体施工时 ，需在 工作 面轨 道顺 槽 、胶 带 顺 槽 中 同时 布 置 矿 井 瞬变 电磁 法探测测线和高密度 电阻率法探测测线 ，探测 点 距 1 0 m。考虑到工作面倾向长较大，为了较全面地 反映工作面顶底板砂岩 的电性特征 ，矿井 瞬变电 磁法探 测 在 工 作 面 两 顺 槽 均 设 计 两 个 探 测 角 度 ， 分别 为 9 O 。 方 向和 4 5 。 方 向( 发 射 框 法 线 与水 平 面 夹角 ) ，具体 探测方 式见 图 1 。采用 加拿 大产 P R O TE M一 4 7 矿井瞬变电磁仪进行数据采集，装置形式 选用偶 极 方 式 ，发 射 框 为 2 m 2 m 的 矩 形 线 框 。 高密度电阻率法采用 E 6 0 C型全 自动电法仪进行数 据采集，仪器采用方波供 电，抗 干扰能力强、精 度 高 。 3 4 资料处 理与解 释 矿井瞬变 电磁法和高密度 电阻率 法数据，经 过专 门数据 处 理 软 件 进 行 处 理 、成 图 之 后 ，可 以 生成视电阻率断 面图。资料解释 时，需 结合两种 方法获得的成果图进行综合对比。图 3所示为胶带 顺 槽距 切眼 5 O 0 1 2 0 0 m 桩 号段综 合 地球 物 理 探测 的视 电阻率断 面图 。X轴为测 点坐标 ，Y轴 为探 测 深度，右侧 为视 电阻率色谱 图。首先 ，从 矿井瞬 变电磁法视 电阻率断 面图可 以看 出，视电阻率起 伏 变化较 大 ，呈 现 分 区性 ，根 据 视 电 阻率 相 对 大 小 ，解释 中将视 电阻 率 值在 0 4 Q m 的 区域 定 为 A级 异 常区 ，视 电阻率 在 4 8 Q m 的 区 域定 为 B 级异 常 区。该 桩号 段 A、B异 常 区分 别 为 2处 和 6 处。高密度电阻率法断 面图上，根据视 电阻率相 对大小 圈定低 阻 异 常 区 3处 。综 合解 释 分 析 如下 ： 矿井 瞬变 电 磁法 竖 直方 向探 测( 图 3 b )5 1 0 6 1 0 m 段 为 A 级异 常 区 ，含水 性相 对 最强 ，但 是在 上倾 4 5 。 方 向 ( 图 3 a ) 对应 区段 无 明显 低 阻反 映 。 对 比高密 度 电 阻 率 法 剖 面 图( 图 3 c)可 以 看 出 ， 在 底板 5 3 0 6 0 0 m段 存在 一个低 阻异 常 ( 1 ) ，据 此 可 以排 除顶 板 含 水 异 常 ，低 阻 响 应 是 由底 板 砂 岩富水区引起 ；图 3 b中 1 0 5 0 1 1 4 0 m段为含水性 A级异常区，但是在图 3 a中与之对应段为含水性 B级异 常 ，出现这 种现象 的原 因是 在这 个 区段 ，底 板 也存在 一 个 低 阻 异 常 带( 图 3 c 中 3 ) ，因 此 ， 图 3 b中该 A级 异常带 为 顶 、底 板砂 岩含 水 异常 区 共 同作用结 果 。 3 5探测 成果 采用上述 资料解 释方式 ，并结合水文 地质资 料进 行综 合 分 析 ，即可 得 到 整 个 工 作 面水 文 地 质 条件综 合 物 探 结 果 。通 过 结 合 矿 井 瞬变 电 磁 法 和 第 7 期 朱若军等 ：矿井工作面开采水文地质条件综合地球物理探测研究 1 O l 高密 度 电 阻 率 法 进 行 综 合 地 球 物 理 探 测 ，在 1 2 1 1 0 1 工作面共圈定顶板 A级富水 区 5个、顶板 B级 富水 区 4个 、底 板 富水 区 1 4个 。探 测 结 果 表 明 ，工作 面顶 底 板 岩 层 含 水 性 不 均 一 ，呈 现 分 区 性 ，局部块 段 含 水 性 较 强 ，并 且 工 作 面 靠 近 轨 道 顺槽 一侧 底 板 岩 层 的含 水 性 相 对 强 于 胶 带 顺 槽 一 侧 。矿方针对综合地球 物理探测所 圈定富水异 常 区布置钻孑 L 进行放水 ，证 实全部含水 异常区都不 同程度 含水 ，共 计 放 出 水 量 9 4万 m。 ，回采 过 程 中水量小 于 5 m。 h ，放 水效果 显 著 ，为工作 面安 全 顺 利 回采 奠 定 了 坚 实 的基 础 ，从 而 充 分 证 明 了 采 用综合地球物理方法探测 工作面水文地质条 件的 可行 性 和优越 性 。 1 隧 E 隧 E 一 坐标 m (a ) M 1 E M 上倾4 5 。 力柚 坐标 m f b ) MT E M竖直方向 5 O 0 6 0 0 7 O 0 8 0 0 9 0 0 lO 0 O 1 l( ) 0 1 2 o 0 坐标 m ( c) 高密度电阻率法探测 图 3胶带顺槽综合地球 物理探测视 电阻率剖面图 4 结 论 综合运用矿井瞬变电磁法和高密度电阻率法 进行矿井工作面水文地 质条件探测 ，既可以弥补 全 空 间条件 下 矿 井 瞬 变 电磁 法 无 法 确 定 含 水 地 质 异 常体相 对 于 发 射 框 的具 体 位 置 的 缺 陷 ，又 可 以 对 两种方 法 的 探 测 结 果 相 互 验 证 ，排 除 由于 扰 引 起 的假异 常 ，从 根 本 上 提 高 了矿 井 水 文 地 质 条 件 综合 地球 物 理 探 测 资 料 解 释 精 度 ，达 到 优 势 互 补 的效果 。应用结果 表明 ：该技 术可 以有效 查 明矿 井工作面水文地质条件 、圈定顶底板岩层 富水异 常 区 ，从而 指 导 矿 方 有 针 对 性 地 组 织 探 放 水 ，为 工 作 面安全 回 采 奠 定 基 础 。 同 时 ，该 综 合 地 球 物 理 探测技 术 ，在 受 水 威 胁 的 类 似 金 属 、非 金 属 矿 山也可 推广应 用 。 参考文献 1 刘树才 ，岳建华 ， 刘志新煤矿水 文物探技术与应用 M 徐州 ：中国矿业 大学出版社 ，2 0 0 5 2 刘志新 ，岳建华 ，刘仰光矿井物探技术在突水预测中的应 用 E J 工程地球 物理学报 ，4( 1 ) ：9 1 4 3 刘天放 ， 李志聃矿井地球物理勘探 M 北京 ： 煤炭工业 出 版 社 ，1 9 9 3 4 牛 之琏时间域 电磁 法原 理E M 长沙 ：中南大 学 出版 社 ，2 0 0 7 5 于景邮 ， 等深部采场 突水构造 矿井 瞬变 电磁 法探查理 论 及应用r J 煤炭学报 ，3 2 ( 8 ) ：8 1 8 8 2 1 6 Ra i e h e A P， Ga ll a g h e r R GAp p a r e n t r e s i s t i v i t y a n d d i f f u s i o n v e l o cit y J Ge o p h y s i cs ， 1 9 8 5 ， 5 0 (1 0) ： 1 6 2 8 1 6 3 3 7 程久龙 ，等回采工作 面水害 的高 密度电阻率成 像法探测 研究 g J 煤炭科学技术 ， 2 7( 1 0 ) ：3 7 4 o 8 程久龙 ，于师建 ，王渭 明，等岩 体测试与 探测 M 北 京 ： 地 震 出版 社 ，2 0 0 0 9 岳建华 ， 刘树才矿井直流电法勘探 M 徐州 ：中国矿业 大学出版社 ，2 0 0 0 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米