岳建华-煤矿水害防治地球物理技术现状及展望

岳建华—煤矿水害防治地球物理技术现状及展望第一页，共82页。报告提纲43

发展历史1技术现状2

未来展望结论建议第二页，共82页。1发展历史第三页，共82页。1.11980－1990年矿区水文物探上世纪70年代末到80年代中期是煤炭电法勘探技术发展速度最快、推广范围最广、地质成果最多的时期。在继续进行隐蔽地区普查找煤的同时，逐步开展寻找水源和解决矿区水文地质问题的地面水文物探工作。在面积为82.5平方公里的云南姚安盆地，应用电测深法查明了盆地基底起伏形态，圈定了第三纪含煤地层范围，并根据电法资料分析了古地理和盆地沉积环境，解释了第四系含水层和富水带的分布。第四页，共82页。1.11980－1990年矿区水文物探在河南义马矿区、登封矿区、禹县含煤区、新郑含煤区，在内蒙古陈旗、东胜、准哥尔，在贵州在六枝矿区北段、盘县矿区，在江西乐平矿区涌山和丰城矿区石滩，在湖南嘉禾县袁家矿区北段，在陕西合阳东王地区，在新疆乌鲁木齐河东铁厂沟一碱沟等地，通过寻找岩溶裂隙水，为一大批生产矿区或规划开发矿区既找到了丰富的水源，也为矿区防治水工作提供了重要的基础资料。第五页，共82页。1.11980－1989年矿区水文物探主要勘查技术对称四极电测深主要技术支撑1984年，中国矿业大学与江苏煤田物测队联合开发直流电测深正反演微机软件，代替理论量板法和人工经验方法进行电测深定量解释。安徽煤田物测队提交的任楼地区水源电法勘探报告，全部采用该微机软件反演解释，提高了分层能力和解释精度，地质效果明显。

1985年，国家计划委员会批准进口煤田露天综合勘探设备，中国煤田地质总局引进10台套法国SYSCAL

R2数字电法仪，改善了装备条件。第六页，共82页。然而好景不长。从80年代后期起，由于国家投入的地质勘探经费不足，加之大面积普查找煤工作结束，煤炭电法勘探进入低迷期。部分煤田物测队因国家计划任务不饱满、工程量缩减或撤或并，而一部分电法勘探队伍则走向社会地质市场，转向城市或工程地质勘查，矿区地面水文物探工作因此受到重大影响。1.11980－1989年矿区水文物探第七页，共82页。1.21990－1999年矿井电法勘探80年中后期，开滦范各庄矿、淮北杨庄矿等几次大的煤矿突（透）水事故引起高度重视，以煤矿防治水为主要任务的矿井物探工作提上议事日程。1987年，煤炭部总工程师陈明和到中国矿业大学调研，要求启动煤矿防治水矿井物探工作。1988年底，结合淮北杨庄煤矿II617工作面突水后复采论证，中国矿业大学矿井物探研究室与淮北矿务局地测处联合开展“以矿井直流电法勘探为主，矿井地震勘探、放射性测量、微重力测量和红外测温为辅”的综合矿井物探试验工作。第八页，共82页。1.21990－1999年矿井电法勘探在淮北杨庄煤矿的井下综合物探技术试验工作历时2年，100多人先后参与了该项工作。当时在应用矿井物探方法探测和评价煤层底板突水条件方面无成功案例（匈牙利米什科奇大学，全苏矿山地质力学与矿山测量科学研究所）无专用设备（地面仪器）无参考资料（中情所，国家图书馆）无理论指导（半空间理论）第九页，共82页。1.21990－1999年矿井电法勘探在杨庄矿开展的井下技术试验工作包括：巷道顶、底板电测深巷道电剖面法矿井高密度电阻率法煤层层测深法直流电透视法微重力测量红外测温矿井地震勘探坑透法试验内容电法类：装置形式，极间距与测点点距选择，施工方法与技术，电极及其接地问题，供电电源，干扰特征与压制方法，资料整理与处理，图示方法地震类：观测系统，激发方式，检波器布置，巷道空气波压制，资料处理与解释微重力测量：普通重力测量与重力梯度测量坑透法：层析成像技术第十页，共82页。1.21990－1999年矿井电法勘探矿井电法勘探基础研究得到国家资助：1989年，巷道影响和全空间效应的物理模型实验研究1990－1994年，层状介质全空间电场线性滤波法正演计算，顶、底板电测深曲线自动反演算法，层测深曲线的线性滤波法1996－1997年，实现了巷道影响下全空间电流场边界单元法数值模拟算法，提出巷道影响下的全空间电流场理论1998年，实现了考虑巷道影响的全空间电测深、层测深边界单元法数值模拟2000－2003年，实现巷道影响下全空间电流场有限差分法和有限单元法数值模拟算法（国家自然基金）第十一页，共82页。1.21990－1999年矿井电法勘探巷道影响下的全空间电流场理论：全空间效应电流场具有向全空间分布的趋势;空间任何方位的地质异常体均会在观测结果中有所反映巷道影响巷道内不导电空气对全空间电流场的分布产生“畸变”影响，使得巷道周围的电流场分布特征既不同于全空间，也不同于半空间含煤地层宏观电各向异性垂直层面和平行层面布设的双异极性电流源，其电流场分布具有明显差异，其等效电流回路的电阻满足不同的串、并联关系;同时，观测结果一般以布极一侧地质异常体的电性响应为主（方位特性，兰州大学学报）第十二页，共82页。1.21990－1999年矿井电法勘探矿井电法勘探方法与技术不断丰富和完善：侧帮电测深探测工作面内陷落柱（矿大）直流电透视探测工作面内小构造（矿大）音频电透视探测工作面底板含、导水构造（西安院）点源梯度法巷道掘进头超前探（河北煤研所，矿大）超前探孔中单极－偶极法巷道掘进头超前探（矿大）水下采煤矿井物探（山科大特采所）试验从两淮转向徐州，应用推广至山东、河北、河南、陕西等省底板承压水问题突出的矿区，底板突水事故频发的现象从此得到有效遏止。第十三页，共82页。1.32000－

矿井电磁法勘探背景95年，中国煤田地质总局组织“九五”物探科技调研后，决定引进瞬变电磁法。97年初，中国矿业大学和中煤物探研究院各引进一台SIRO－TEM

3F瞬变电磁仪。如何用？98年前后，水文地质条件简单的兖矿综采放顶煤工作面受顶板红层砂岩水的困扰，严重影响生产效率;权台矿3煤25工作面回采掉水，怀疑顶板砂岩水受灰岩水补给。因此，探测顶板砂岩富水区的问题提上议程，但矿井直流电法在顶板布设电极遇到困难。怎么办？第十四页，共82页。1.32000－

矿井电磁法勘探矿井瞬变电磁法井下技术试验2001年，矿大于景村矿井瞬变电磁法理论及应用技术研究博士论文完成2002年镇江岩土工程勘查院陈金方、矿大于景村等，2003年皖北段中稳等分别发文介绍任楼矿应用矿井TEM探测底板陷落柱和检测注浆效果2003年，矿大刘树才，岳建华在第六届中国国际地球电磁学学术研讨会上结合徐矿和兖矿应用介绍了矿井瞬变电磁法探测巷道顶、底板含水构造的方法技术2003年，中科院白登海等在第六届中国国际地球电磁学学术研讨会上结合峰峰牛儿庄应用实例介绍了地下全空间瞬变电磁法及其在煤矿水害预测中的应用第十五页，共82页。1.32000－

矿井电磁法勘探矿井瞬变电磁法井下技术试验2006年，焦作煤业郭纯、刘白宙等发表《地下全空间瞬变电磁技术在煤矿巷道掘进头的连续跟踪超前探测》2006年，矿大刘志新、于景村等应用矿井瞬变电磁法探测工作面内封闭不良钻孔2007年，刘志新、岳建华等提出巷道掘进头超前探测的扇形观测技术2008年后，中国矿大，西安煤科院，安徽理工大学等多家高校科研机构和企业发表了许多关于矿井瞬变电磁法探测老空积水的文章第十六页，共82页。1.32000－

矿井电磁法勘探矿井瞬变电磁法井下技术试验发射和接收装置多匝小回线，提高观测信号强度观测方式重叠或分离探测目标巷道顶、底板，工作面内，掘进头前方含水体方向特性判定异常体空间方位井下干扰特征及其压制方法保证观测质量，提高探测距离仪器适用性研究第十七页，共82页。1.32000－

矿井电磁法勘探矿井瞬变电磁法基础研究2003年，岳建华等在中国地球物理学会年会上分析了多匝小回线装置视电阻率偏小的原因2005年，博士点基金资助2006年，国家自然基金资助2007年，国家自然基金资助中国矿大刘志新，杨海燕，姜志海，胡博，周仕新等一批年轻博士、硕士发挥重要作用，实现了矿井瞬变电磁法的2D、3D有限元法、有限差分法、边界元法数值模拟，使基础研究得以顺利开展。第十八页，共82页。1.32000－

矿井电磁法勘探矿井瞬变电磁法基础研究总结了多匝小回线装置收、发特征及其对观测结果的影响认识和掌握了典型地电体的异常响应特征，为定性解释奠定了基础认识和掌握了天线方向特征，确立了异常体空间定位的理论基础初步掌握了时深转换的规律，为定量解释奠定了基础西安煤科院闫述等发表了井下全空间瞬变电磁法薄层和细导线响应特征的数值模拟结果上述理论研究成果对于区分各类电磁类干扰和含水体、导水通道的有效异常具有重要指导意义第十九页，共82页。2005年全国煤矿共发生水害事故109起、死亡605人。其中发生一次死亡10人以上特大水害事故13起、死亡360人，同比分别上升160%、233.6%；分别占全国煤矿特大事故起数、死亡人数的22.4%和20.7%。2005年水害损失惨重（一）水害事故频发回溯2005年第二十页，共82页。2006年呈上升趋势山西省连续发生两起特大和特别重大透水事故：3月18日，吕梁市临县胜利煤焦有限公司樊家山井发生一起特大透水事故，死亡28人；5月18日，大同市左云县张家场乡新井煤矿又发生一起特别重大透水事故，井下被困矿工56人全部遇难。

（一）水害事故频发第二十一页，共82页。国务院领导重要批示（二）社会压力骤增新华社《国内动态清样》先后登载了湖南省煤矿水害严重、国有煤矿存在重大安全隐患等信息，引起了国务院领导同志的高度重视。2006年元月温家宝、华建敏相继作出重要批示，要求认真研究、采取措施抓紧解决。

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2006年6月15日，全国煤矿水害防治工作座谈会召开。国家安全生产监督管理总局局长李毅中，国家安全生产监督管理总局副局长王显政，国家煤监局局长赵铁锤，国家煤监局副局长付建华、王树鹤、彭建勋出席会议。李毅中、王显政、赵铁锤作重要讲话。（三）国家局反应及时第二十三页，共82页。2006年国家安监总局、国家煤矿安监局出台《关于加强煤矿水害防治工作的指导意见》。2006年7月，国家煤矿安监局组成七个督查组对山西、四川、贵州、内蒙古、黑龙江、河南、河北等进行了煤矿水害防治安全督查。国家安全监管总局、国家煤矿安监局组织编写了《全国煤矿典型水害案例与防治技术》、《华北地区奥灰水综合防治技术》、《煤矿防治水工作指南》等煤矿防治水参考资料。第二十四页，共82页。（四）水害仍难遏止第二十五页，共82页。2007年“水难”再起7月29日8时30分左右，河南省三门峡市陕县支建矿业有限公司支建煤矿东风井，因河床水通过采空区涌入井下，造成22采区69人被困“8.17”山东新汶华源矿业公司洪水淹井事故，造成181人遇难第二十六页，共82页。2007年8月24日专家北京会商煤矿水害北方以底板奥陶系岩溶水突出和老空透水为主，南方以顶、底板岩溶水和老空水突（透）水为主地表水体溃入矿坑事故在南、北均占相当的比例陷落柱、断层、岩溶塌洞等天然通道及“上、下三带”、防水煤（岩）柱失效等是煤矿水害发生的主要突（透）水通道由老窑和关闭煤矿老空区引发的透水事故增多超强度开采引发新的水害问题解决问题的根本出路——发展可靠、精细的勘探技术第二十七页，共82页。1.32000－

矿井电磁法勘探煤矿防治水物探的法律保障2008年出台了《关于预防暴雨洪水引发煤矿事故灾难的指导意见》和《关于进一步加强煤矿水害防治工作的意见》，2009年以国务院安委会办公室名义下发了《关于防范煤矿水害事故的紧急通知》。2009年正式颁布实施《煤矿防治水规定》（安监总局第28号局长令）。第二十八页，共82页。《煤矿防治水规定》有关内容第三十条水文地质补充勘探工程量布置，应当满足相应的工作程度，并达到防治水工作的要求。

矿井进行水文地质补充勘探时，应当对包括勘探矿区在内的区域地下水系统进行整体分析研究；在矿井井田以外区域，应当以水文地质测绘调查为主；在矿井井田以内区域，应当以水文地质物探、钻探和抽（放）水试验等为主。

矿井水文地质补充勘探工作应当根据矿井水文地质类型和具体条件，综合运用水文地质补充调查、地球物理勘探、水文地质钻探、抽（放）水试验、水化学和同位素分析、地下水动态观测、采样测试等各种勘查技术手段，积极采用新技术、新方法。第二十九页，共82页。第三十五条井下水文地质勘探应当遵守下列规定：（一）采用井下物探、钻探、监测、测试等手段；（二）采用井下与地面相结合的综合勘探方法；（三）井下勘探施工作业时，保证矿井安全生产，并采取可靠的安全防范措施。 第四十条矿井可以根据本单位的实际，采用直流电法（电阻率法）、音频电穿透法、瞬变电磁法、电磁频率测深法、无线电波透视法、地质雷达法、浅层地震勘探、瑞利波勘探、槽波地震勘探方法等物探方法，并结合钻探方法对资料进行验证。《煤矿防治水规定》有关内容第三十页，共82页。1.32000－

矿井电磁法勘探煤矿防治水物探的法律保障2010年3月，骆驼山煤矿和王家岭煤矿透水事故发生后，国家安全监管总局、国家煤矿安监局在全国煤矿系统开展了为期3个月的水害隐患排查专项行动。全国各地区煤矿安全监察机构将水害防治列入重点监察、专项监察和定期监察之中。2011年颁布实施新修改的《煤矿安全规程》（防治水部分）。第三十一页，共82页。1.32000－

矿井电磁法勘探地面、井下物探与钻探相结合的立体勘查技术最近3－5年，各方神仙大显神通，因地制宜地开展物探工作，以瞬变电磁法为主，以地震勘探、直流电法勘探、可控源电磁法、高密度电法、探地雷达、微重力测量、放射性测量、核磁共振法为辅的多方法综合、井上下立体勘查的技术体系基本形成第三十二页，共82页。2技术现状第三十三页，共82页。1.基础工作、补充水文勘探3.工作面顶、底板探测6.老窑、采空区及富水性探测5.回采过程中底板水位动态监测7.煤岩柱隔水时效性评价8.注浆堵水效果检测2.巷道掘进过程中的超前探测4.工作面内或巷道侧帮探测CSAMT法瞬变电磁法电阻率法地震勘探电磁波成像法核磁共振法水文测井地质雷达9.突水点探测、灾后水害治理井下孔地孔间地面孔中MSP法第三十四页，共82页。2.12D/3D电阻率成像(建议采用三极装置）第三十五页，共82页。第三十六页，共82页。第三十七页，共82页。第三十八页，共82页。第三十九页，共82页。第四十页，共82页。方法优点：观测资料直观形象，异常形态简单，分辨率高数据处理解释软件成熟，定量化水平高施工简便、快速，可采用高密度电法仪提高自动化程度可避免高密度电法的测量盲区，并能通过采用施伦贝尔装置提高勘探深度施用条件：300m以浅地表有第四系覆盖中等良导电地层第四十一页，共82页。2.2地面瞬变电磁法第四十二页，共82页。大回线固定源法第四十三页，共82页。第四十四页，共82页。时间域CSEM法（电性源TEM法）第四十五页，共82页。孔—地瞬变电磁法动态监测地下流体运移第四十六页，共82页。新生界底界含隔水层的划分,富水区及断层导水性研究精确探测煤系底部的碳酸岩界面,划分岩溶裂隙发育带、富水带下组煤小构造探测2.3地震岩性反演与震电联合解释第四十七页，共82页。阳泉二矿复杂山区228井Inline方向JASON波阻抗反演剖面3煤12煤15煤8煤第四十八页，共82页。震电联合解释实例第四十九页，共82页。由于岩石导电性对含水的敏感性，矿井防治水物探主要以矿井电（磁）法勘探为主，目前常用的方法有：矿井直流电法（电阻率法），矿井直流（音频）电透视法，矿井瞬变电磁法，无线电透视法和三极超前探等方法。2.4矿井地球物理勘探第五十页，共82页。方法装置应用顶底板电测深法①Schlumberger法②Wenner法③三极断面测深法划分含隔水层，分层定厚，确定地层系数（F系数，含水率）多极距电剖面法①多极距偶极剖面；②多极距联合三极剖面③单极-偶极

④复合对称四极剖面圈定含（导）水构造联合测深剖面法三极法同上高密度电阻率法①温纳偏置装置②三极装置同上层测深与电透视法①垂直赤道偶极装置②水平赤道偶极装置回采工作面内电磁波层析成像法①固定发射法②正同步法③斜同步法④多方位观测法回采工作面内矿井瞬变电磁法①多匝重叠回线法②多匝分离回线法所有以上应用第五十一页，共82页。巷道顶、底板电测深法巷道顶底板电测深法研究布极一侧垂向电性变化，用于含、隔水层划分，并可用于隐伏断层、陷落柱等构造和岩溶探测第五十二页，共82页。探测煤层内地质异常的布极方法

矿井直流电透视法—巷道间探测工作面内构造第五十三页，共82页。层测深法—单一巷道探测工作内构造固定在巷道侧帮的赤道偶极子AB向周围介质发射电流场，另一对偶极子MN则沿巷道移动测量第五十四页，共82页。矿井直流超前探—点源梯度法采用单点电源A供电，用固定M、N电极测量。常用三个供电点的资料综合解释前方地质异常第五十五页，共82页。矿井直流超前探—常用解释方法是交绘法

第五十六页，共82页。模型尺寸：10×80×100m3

第五十七页，共82页。第五十八页，共82页。第五十九页，共82页。视深度等于AO/2第六十页，共82页。D代表底板到模型中心的距离，模型厚10m

第六十一页，共82页。第六十二页，共82页。视深度等于AO/2第六十三页，共82页。矿井瞬变电磁法—多匝小回线超前探第六十四页，共82页。矿井瞬变电磁法—顶、底板，侧帮探测第六十五页，共82页。井下超前探测顺层采空区，阳泉第六十六页，共82页。多匝小回线TEM观测结果存在问题实测感应电动势数值偏大，衰减偏慢仪器视电阻率值偏小，且随时间增大进一步减小普遍采用的处理办法：计算时增大发送线框等效面积计算时引入深度校正

评论：两种校正办法都是主观的，本质上只是将电阻率和深度增大一定倍数。第六十七页，共82页。问题的分析

TEM理论都未考虑观测装置（发送线框和接收线框本身及其相互间）的电感和电容。发送线框自感和寄生电容导致供电波形畸变接收线框自感和寄生电容导致观测信号震荡，通常采用并联适当阻尼电阻的方式，在临界阻尼条件下进行测量，将观测信号的畸变最小化发送线框和接收线框之间的互感和电容耦合是造成小线框观测信号畸变之源第六十八页，共82页。第六十九页，共82页。弹性波超前探（MSP法）矿井老空区探测与水害防治关键技术与装备——矿井地震全空间极化偏移成像方法及其应用第七十页，共82页。电磁波全息成像技术第七十一页，共82页。3未来展望第七十二页，共82页。“十二五”科技支撑计划“煤矿突水、火灾等重大事故防治关键技术与装备研发”（2013BAK06B00）第七十三页，共82页。课题一

矿井突水重大灾害实时监测预警技术突水水源隔水关键层破坏突水形成初期突水灾害监测突水危险源突水危险源精细探测技术监测导水通道隔水层断裂实时监测预警技术

监测突水前兆涌水异常监测预警技术监测堵水效果注浆封堵动态监测技术注浆第七十四页，共82页。突破矿井突水灾害监测和预警技术瓶颈突水危险源精细探测技术隔水层断裂实时监测预警技术涌水异常监测预警技术注浆封堵动态监测技术

研制突水精细探测和实时监测的装备突水危险源精细探测仪煤岩含水率分布场监测仪全波形多通道岩体声发射仪突水水源在线分析仪矿坑涌水量实时监测仪注浆封堵动态监测系统第七十五页，共82页。矿井水害监控信息系统第七十六页，共82页。主要创新点围绕突水危险源、隔水层断裂、突水早期和注浆封堵等四个主要环节，研发技术与设备，实时监测突水灾害发生、发展、演