矿井水文物探方法技术

矿井水文物探方法技术矿井水文物探是指应用于煤矿防治水方面的矿井物探方法，鉴于岩石导电性对含水的敏感性，矿井水文物探主要以矿井电法勘探为主，目前常用的方法有：矿井直流电测深法音频电透视法、矿井瞬变电磁法、无线电透视法和三极超前探等方法。主要用于探测矿井涌水补给源、隐伏导水通道、裂隙带、隔水层厚度和巷道迎头前方含水构造等水文地质问题。1矿井直流电法矿井直流电法又称为矿井电阻率法，其测点位于地下巷道或采场内，与探测目标体的相对位置关系较为复杂，为针对性地解决各类地质问题，电极的排列形式、移动方式等多有变化，从而衍生出不同的矿井电阻率法。一般，电极的移动方式决定着矿井电阻率法的工作原理，电极的排列方式决定着矿井电阻率法的分辨能力和电性响应特征，而勘探目标体相对测点的空间位置决定了矿井电阻率法的布极位置。按照工作原理，矿井电阻率法可分为：矿井电剖面法、矿井电测深法、巷道直流电透视法、集测深和剖面法于一体的矿井高密度电阻率法、直流层测深法和直流电法超前探等按照装置形式的不同，每类方法又可细分为若干种分支方法。矿井电剖面法可分为偶极剖面法、对称四极剖面法、三极剖面法、微分剖面法。矿井电测深法可分为对称四极电测深和三极电测深。巷道电透视法又分为三极电透视法、赤道偶极电透视法、音频电透视法等根据测点和电极在巷道中的位置，又可分为巷道顶板、底板和侧帮电阻率法等。例如，当电极全部布置在巷道底板上时，对应的电测深法称为巷道底板电测深，当电极全部布置在巷道一帮上时对应的电测深法称为巷道侧帮电测深法，等等。目前，矿井水文物探中常用的矿井电阻率法见表1-1所示。表1-1常用矿井电阻率法及应用范围方法主要应用范围巷道底板电测深法探测煤层底板隐伏的断层破碎带、导水通道、含水层厚度、隔水层厚度等。矿井电剖面法探测煤层底板隐伏的断层破碎带、导水通道。直流电透视法探测采煤工作面顶板、底板内富水区、含水裂隙带、陷落柱范围等。三极超前探探测掘进巷道迎头前方的含水构造。矿井电阻率法基本原理矿井电阻率法同地面电阻率法原理相同，它通过一对接地电极把电流供入大地中，而通过另一对接地电极观测用于计算岩石电阻率所必需的电位或电位差信息。对于矿井电阻率法而言，供电、测量电极通常布置在巷道顶、底板或巷道侧帮上，从各种方位去观测巷道周围稳定电流场的分布、变化规律，籍以了解巷道顶、底板或所在岩层内的地质情况。1.3矿井电剖面法矿井电剖面类方法的特点是在测量过程中电极间距保持不变，同时沿测线逐点测量视电阻率值。由于电极间距不变，沿测线方向矿井电剖面法顺层（或垂直层面）的探测范围大致相等，因此所测得的剖面曲线是测线方向上一定勘探体积范围内介质电性变化的综S合反映。矿井电剖面法是研究沿巷道方向岩体电性变化的一种灵活而有效的方法，常用于探测与巷道正交或斜交的隐伏裂隙带、断层破碎带等横向电性变化大的地质异常体。煤矿井下经常采用的电剖面法有对称四极剖面法、偶极剖面法和微分剖面法等。这些方法既可用于探测断层和裂隙发育带，又可用于评价断裂带的含水程度，也可用于验证其它矿井电法方法所发现的异常。1.4矿井直流电测深法电测深类方法的主要特点是在测量过程中保持测点不变，由小到大或由大到小逐渐改变供电电极间距，对应的垂直层面（或顺层）勘探“深度”将不断增大，从而可观测到主要反映测点附近垂直层面（或顺层）方向上介质电性变化的电测深视电阻率曲线。同时，将不同测点的电测深观测结果进行对比，可以了解沿测线方向上的电性变化特征。图1-4为巷道底板对称四极电测深法的工作装置示意图。图1-4巷道底板对称四极电测深工作原理示意图巷道底板（或顶板）电测深法装置形式选择，主要考虑可施工巷道的长度。当巷道长度足够大时，多选用对称四极电测深法；当巷道可施工长度较短时，为减少测量“盲区”，可选用三极测深法。井下施工中，由于巷道内岩石裸露，加上浮煤、铁轨、金属支架等表层电性不均匀体和随机地电干扰影响，施工条件较差、表层地电干扰严重，宜采用固定MN法，并应用较小测点距和较小极距变化跨度的高分辨电极距系列，以利于提高巷道底板电测深法的地质分辨能力。在矿井全空间条件下，因介质不均匀所造成的电流场分布非均一性十分突出，巷道不同方向的电测深结果与布极一侧介质的电性特征密切相关。含煤地层中的三维地电异常体在不同方位巷道电测深法的观测结果上具有不同的反映，利用这一特性在巷道的不同部位布置电测深工作，可以突出布极一侧岩石电性变化特征，据此可以研究陷落柱等二维或三维地电异常体的几何形态、空间位置和富水性等，从而达到为煤矿安全生产提供详尽地质资料的目的。这种全方位电测深技术在确定地电体空间方位、解决全空间效应带来的多解性问题方面具有良好的应用前景［75。］1.5矿井直流电法超前探技术矿井电法超前探测技术用于掘进巷道迎头的超前探测工作，具有高效、简便、测距大、对水敏感、适应性强等特点，在超前探测含水断层、判断破碎带的存在及其是否富水等方面取得了可喜成果。1．矿井直流电法超前探原理矿井直流超前探采用三极装置，如图1-18所示，在全空间介质中利用单点电源A供电（另一供电极B置于相对无穷远处），用M、N电极测量。超前探与电测深工作方式不同，它是将A极固定在巷道迎头，向后逐点移动MN电极，测量电位差AU，并以测量电极MNMN的中点为记录点，按1-7式计算视电阻率后，就可绘制出沿巷道的视电阻率剖面曲线。ZI,1A(+I)ZI,1A(+I)巷道NM图1-18单极—偶极法测量原理图在均匀介质中，点电源A形成的等位面为球面，测量电极MN所测电位差AU 是通MN

过M、N两点等位面值之差，此时沿巷道移动MN测量计算的视电阻率曲线将是一条直线。若电流分布范围内存在电性异常体（如含水地质异常等），不论异常体在巷道迎头前方还是其它方位，都会引起等位面的变化，视电阻率值也会发生变化。若是低阻异常体会引起视电阻率值降低，反之，高阻异常体则引起视电阻率增高。如图1-19所示，当巷道迎头前方存在低阻体时，因其吸引电流而引起整个电流场的畸变，使得MN附近电流密度降低，故视电阻率减小。通过分析实测视电阻率剖面曲线的变化规律，就可分析巷道附近有无含水地质异常体。p2P1巷道电流线pp2P1巷道电流线p<p12图1-19高阻岩层对电流场的排斥作用由于全空间视电阻率影响因素较多，只用一个供电点的剖面曲线很难判定异常体的空间位置，所以实际工作中常常如图3-1-20所示布置A2、A3三个供电电极（三点），另一供电电极B设在在无穷远处，测量电极MN在巷道内按箭头所示方向以一定间隔移动。A]、A2、A3供电点间距一般在2〜10m之间，最大电极距AO应根据地质任务和巷道长度确定，一般小于100m。MN的大小要考虑信噪比及探测精度的影响，其移动间隔应尽可能小，通常为2〜6m。相对无穷远极B的距离BO>5AO。min max底板巷道B顶板MON 顶板MON a3a2A1图1-20三点—三极超前探装置示意图测量方法是每移动一次测量电极MN,分别测量由A]MN、A2MN、A3MN装置所对应

的视电阻率P、P、P值。然后向后移动MN(扩大电极距)，重复测量三个供电点的s1 s2 s3视电阻率值，由此可以测得三条视电阻率值曲线。通过三组视电阻率曲线对比，可以校正、消除表层电性不均匀体的干扰，判断异常体的空间位置。2．三极超前探的资料解释井下三极装置观测的视电阻率值是勘探体积范围内包括巷道影响在内的全空间范围的岩石、构造等各种地质信息。特别是MN电极附近电性不均匀影响最大，往往使得剖面曲线出现大的起伏或锯齿状跳跃，需要通过三点的视电阻率剖面曲线对比，进行校正。资料解释的方法和步骤如下：首先进行测区岩石电性参数测试，了解测区正常岩石电性特征和已知的异常地质体的电性特征；给定相应的地电模型及其参数，分别计算正常场和异常场理论曲线；实测曲线与理论曲线比较，确定异常点位置及异常类型；利用几何作图法确定异常体的具体位置。图1-21为几何作图法原理示意图，方法是分别以实际供电点A2、A3为圆心，以该供电所测异常极小点坐标为半径画圆，若三圆弧相切点在正前方，则切点即为异常体界面位置；若三圆不相切，并且曲线异常形态类似，则异常体界面与巷道平行或斜交，其公切线即为异常体界面位置。Rs巷道 A， A2■ A「界面图1-21几何作图法原理示意图目前，直流超前探技术探测结果的可靠性和精度还有待提高，特别是在如何克服巷道表层电性不均匀体、人文设施干扰的方法等方面还需进一步深入研究完善。

2音频电透视技术由于直流电透视应用稳定电流场，其观测仪器一般采用方波供电，宽频带接受，抗干扰能力相对较弱。煤科院西安分院有关科技人员开发了音频电透视仪器，它通过单一低频率交流供电、接受仪器等频测量等手段消除干扰，提高了抗干扰能力和观测精度，可小电流供电，有利于仪器设备的防爆。由于音频电透视采用低频交流供电，一般为15Hz〜100Hz,在此频率下电场的性质与直流电场基本相同，所以其工作原理和资料处理解释方法是一样的。但由于工作面宽度的限制，直流电透视的勘探深度往往不能控制，为此，可提高供电电流频率，利用交变电磁场的趋肤效应，来控制勘探深度。现在已经开发了多频点音频电透视技术及仪器设备。目前，音频电透视技术在理论上还没有建立起勘探深度与不同频率电流场间的关系，对于不同地电参数的影响规律还不清楚。现在的解释深度还只能凭经验确定。大量应用实例表明，矿井音频电法透视对于采煤工作面顶底板内部的导水构造及含水层的富水性探测，取得了良好的地质效果，为采煤工作面注浆改造及防治水工作提供了依据。在受水害威胁的大水矿区，常用于检查底板注浆改造的效果。3矿井瞬变电磁法根据瞬变电磁法对低阻体反应敏感的特点，将其用于煤矿井下水文勘查还是近几年的事情。由于矿井瞬变电磁勘探在井下巷道中进行，采用多匝小回线装置测量，井下噪声、资料处理和解释方法与地面瞬变电磁法和矿井直流电法不同，主要有以下几方面的特点：（1） 由于井下测量环境与地表不同，无法采用地表测量时的大线圈（边长大于50m）装置，只能采用边长小于3m的多匝小线框，因此与地面瞬变电磁法相比具有数据采集工作量小，测量设备轻便，工作效率高，成本低等优点；对于其他矿井物探方法无法施工的巷道（巷道长度有限或巷道掘进迎头超前探测等），可采用测量装置小、轻便的矿井瞬变电磁法探测。（2） 由于采用小线圈测量，点距更密（一般为2〜20m）,可降低体积效应，提高勘探的横向分辨率。（3） 井下测量装置靠目标体更近，将会大大提高异常体的感应信号强度。（4） 利用矿井瞬变电磁法小线框发射电磁波的方向性，可分别用于探测巷道底板下一定深度内含水异常体垂向和横向发育规律、顶板一定范围内含水低阻异常体的发育规律及巷道掘进迎头超前探测等。（5） 由于瞬变电磁法关断时间的影响，与其它物探方法相比，无法探测到更浅部的异常体，往往在浅部形成20m左右的盲区。（6）矿井瞬变电磁法勘探受井下金属仪器设备（采煤机械、变压器、金属支架等）的影响较大，需要在资料处理解释中进行校正或剔除。目前，矿井瞬变电磁法主要用于解决煤层顶板（或底板）岩层内部的富水异常区探测、巷道掘进迎头前方的突水构造预测、含水陷落柱勘查等水文地质问题。矿井瞬变电磁法基本原理矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法原理基本一样，井下测量的各种装置形式和时间序列也相同。由于矿井瞬变电磁法勘探是在煤矿井下巷道内进行，与地面比较矿井瞬变电磁场应为全空间。-ZZt=t-ZZt=t2TX--L-----1t=t3图3-1全空间瞬变电磁场的传播矿井瞬变电磁法同样面临全空间电磁场分布的问题。因煤层通常为高阻，电磁波易于通过，所以煤层对TEM来说就没有像对直流电场那样的屏蔽性，故TEM所测信号为线框周围全空间岩石电性的综合反映。但可利用小线框体积效应小、电磁波传播具有方向性的特点通过改变线框平面方向并结合地质资料来判断地质异常体的空间位置。矿井瞬变电磁法井下施工方法技术矿井瞬变电磁法工作装置主要有重叠回线和偶极装置两种。应用重叠回线装置或中心回线测量，其优点是地质异常响应大、施工方便；缺点是线圈互感、自感效应强，一次场影响严重。采用偶极装置优点是收发线圈互感影响小，消除了一次场影响；缺点是二次场信号弱。

1测点布置及施工方法矿井瞬变电磁法在煤矿井下巷道内进行，测点间距2〜20m之间。根据多匝小线框发射电磁场的方向性，可认为线框平面法线方向即为瞬变探测方向。因此，将发射接收线框平面分别对准煤层顶板、底板或平行煤层方向进行探测，就可反映煤层顶、底板岩层或平行煤层内部的地质异常(见图3-2)。(a)探测煤层底板(b(a)探测煤层底板(b)探测煤层顶板巷道断面卢煤层发射线框900—•探测方向(c) 探测煤层方向图3-2瞬变电磁法探测方向示意图2.巷道掘进迎头超前探测技术应用瞬变电磁法探测井下巷道迎头前方的含水构造，与其它矿井物探方法相比，具有施工空间小、方向性强、速度快、基本不耽误掘进施工等优点。巷道瞬变电磁法工作装置一般采用多匝数、小重叠回线组合来进行超前探测。先将发射线圈和接受线圈固定在线框支架上，这样在探测过程中就可以快捷地移动线圈，提高工作效率。测点布置方法如图3-3所示，图中箭头方向即为线框平面法线方向。为了便于对比，除在迎头方向布置测点外，还应在两侧邦布置若干测点。

图3-3瞬变电磁法超前探工作布置示意图4矿井无线电波透视成像技术坑道无线电波透视法（又称坑透法）是较早用于查明工作面内部的地质构造的物探方法。随着采煤机械化程度的提高，要求在开采前查清工作面内隐伏构造及其它影响正常开采的不良地质体的程度越来越高，在这方面坑道无线电波透视法发挥了极其重要的作用。经过20多年的发展，特别是CT成像技术的应用，使得坑透技术探测工作面内小构造异常的能力大幅度提高，将坑透结果用于水文地质的综合分析，在煤矿防治水工作中的作用也逐步提高。4.1基本原理电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性（电阻率P和介电常数e）的不同，它们对电磁波能量吸收不同，低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用。当波前进方向遇到断裂构造所出现的界面时，电磁波将在界面上产生反射和折射作用，造成能量的损耗因此在矿井地质条件下，如果发射源发射的电磁波在穿过煤层途中遇到断层、陷落柱、含水裂隙、煤层变薄区或其它构造时，波能量将被吸收或完全屏蔽，则在接收巷道收到微弱信号或收不到透射信号，形成透视异常区，即为所要探测异常体的位置和范围（如图4-1）。阴影区0C阴影区0C（a）矿井巷道工作布置图 （b）衰减曲线剖面图图4-1电磁波透视法工作原理图目前的坑透仪器，只测某个固定频率的透射电磁波的磁场振幅分量。在电磁波射线路径上介质电磁性质的变化和波阻抗的变化，造成电磁场强度的变化；反之，分析电磁场强度的变化，就可以预测测区介质的物性变化。煤层中传播的电磁波在介质中任意点的磁场表达式可表示为e-pr.H=H—-sin9 （4-1）0r式中H—介质中某点的实测场强；H0—决定发射功率和周围介质的初始辐射场强；r—发射机与接收机之间的直线距离；p—决定于工作频率、介质电阻率、介电常数等参数的介质吸收系数；9—发射天线轴与观测点方向间的夹角。显然，H值随r和卩而变化，其中射线路径上卩值的变化，是使H值发生异常变化的关键因素。B=① 1.2[（1+62..①282）12一1] （4-2）由式（4-2）可知，在一定频率（①=2吋）时，卩值是煤或岩石的介电常数8，导磁率卩，电导率6的函数。由于煤层与顶底板岩石介电常数有较大差异，而导磁率产变化很小，所以在电磁波射线路径上出现煤层与岩层的交替时，就发生卩与H值的明显变化。又由于煤层相对于顶底板岩层是一种波导介质，当它厚度发生变化时（如煤层变薄），其波阻抗就发生变化，也造成卩与H值的变化。3.2工作方法1）准备工作在下井进行无线电波透视工作以前，应了解坑透工作面具体的工作环境，如电缆、金属管道、电气设备等主要人工导体的分布以及煤层顶底板岩性、煤质、工作面宽度、巷道高度、支护材料、瓦斯浓度、温度等情况，同时要了解工作面内已揭露的地质构造、水文地质条件等因素。在此基础上，可以确定工作频率，布置坑透测点，制定工作顺序和井下工作时间表。2）观测方式及测点布置观测方式采用定点法，即发射机相对固定于某巷道事先确定好的发射点位置上，接收机在另一巷道一定范围内逐点沿巷道观测场强值，观测射线呈扇形分布，发射线圈与接收线圈所在平面应与巷壁垂直。为确定透