超前探测灾害性含导水地质构造的直流电法

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　 35 卷第 4 期 第 　2010 年
4月

煤 　　 　　 　　 炭 学 报
JOURNAL OF CH I A COAL SOC IETY N

Vol 35 　No. 4 　 . Ap r 　 2010 　 .

　　 文章编号 : 0253 - 9993 ( 2010 ) 04 - 06

35 - 05

超前探测灾害性含导水地质构造的直流电法
韩德品 ,李 　 ,程久龙 ,王 　鹏 丹
1 1 2 1 ( 11煤炭科学研究总院 西安研究院 ,陕西 西安 　710054; 21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 　266510)

摘 　 : 通过研究矿井直流电法 7 电极系探测装置系统 ,成功开发出煤矿掘进巷道顺层超前探测含 要 导水构造的直流电法探测方法 ,解决了较长距离定量预测煤矿掘进工作面前方灾害性含导水构造 及其位置的难题 。通过深入研究地层层状空间的影响及消除方法 、 地层各向异性的影响及消除方 法、 测量电极 M 、 附近的影响及消除方法 、 N 掘进巷道非正前方的影响及消除方法等资料处理技术 , 获得了掘进巷道 (或隧道 )工作面前方地质异常体的电性异常分布信息 ,能定量解释掘进巷道前方
0 ～140 m 内灾害性含导水地质构造及其位置 。

versity of Science and Technology, Q ingdao　266510, China)

水地质构造是煤矿生产中急需解决的疑难问题 。据 河南焦作矿区不完全统计 ,煤矿突水事故发生在掘进 阶段约占 65%
[1]

掘进前方是否存在灾害性含导水地质构造与安全生 产密切相关 。目前矿井下常用的超前探测技术除钻 探外有地震反射波法 法 法
[4 - 7] [2 - 4]

点 ,都有成功应用的实例 。但随着综合机械化采掘方

N ) , and non 2front of roadway head 2 The disastrous water2conducting or water2bearing geological structures and its on.
收稿日期 : 2009 - 09 - 02 　　 责任编辑 : 王婉洁 　　 基金项 目 : 科 技 部 专 项 基 金 资 助 项 目 ( 2008EG122188 ) ; 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 50974081 ) ; “十 一 五 ” 家 科 技 支 撑 计 划 国 　　 作者简介 : 韩德品 ( 1962 —) ,男 ,山东日照人 ,研究员 。 Tel: 029 - 87858793, E - mail: hdp ing2061@1631 com
( 2007BAK24B02)

Abstract:A DC advanced detecting method that’ able to detect the water2conducting or water2bearing structures in s front of the roadway head 2 in the coal m ine tunnel along same layer was successfully developed by studying seven on Key words: advanced detection; water2conducting or water2bearing structures; m ine DC method

longer distance was resolved. The electrical abnormal distribution infor ation of the geological anomalous body in front m of the roadway ( or tunnel) head 2 was obtained after supporting interp retation technique treatm ent, by in 2dep th stud2 on ying the impact & the elim ination 2 method of layered space, formation anisotrop ic, near the measuring electrode (M and

electrodes detection device system of m ine DC method. The difficult p roblem that quantitatively forecasted the disas2

　　 如何有效地超前预测掘进前方隐伏灾害性含导

( 11X i’ R esearch Institu te, China Coa l R esea rch Institu te, X i’ 　710054, Ch ina; 21 Key L abora tory of M ine D isaster P reven tion and Con trol, S handong U ni2 an an

trous water2conducting or water2bearing geological structures and its locations in front of m ine roadway head 2 w ith a on locations can be quantitatively exp lained in front of roadway head 2 w ithin 0 ～140 m. on

[ 5, 10 - 14 ]

关键词 : 超前探测 ; 含导水构造 ; 矿井直流电法 中图分类号 : P63113 　　　 文献标志码 : A
1 1

、 瞬变电磁法

和直接测量地温法

DC m ethod of advanced detectin g d isa strous wa ter 2conductin g or wa ter 2bear in g geolog ica l structures a long sam e layer
。因此 , 准确预测预报巷道或隧道 、 瑞雷波法
[ 15 ] [8]

、 红外测温法

HAN De 2 in , L I Dan , CHENG J iu 2long ,WANG Peng p
2 [5]

1

法的广泛采用 ,巷道掘进的日进尺可达 30 ～50 m ,上 述方法已越来越难以适应当前生产任务要求 ,迫切需 要一种能单次超前探测较长距离 ( > 100 m ) 、 准确率 较高 、 能有效识别并定量解释灾害性含导水构造及其 位置的超前探测技术 。本文提供了这样一种在煤矿 巷道内顺层超前探测含导水构造的直流电法 。

、 地质 雷达

[9]

、 矿井直流电

1　 矿井超前探测技术的回顾与分析

。这些方法各有特

( 1 )地震反射波法 。超前探测中应用较广的有

隧道 /矿井地震剖面法 ( TSP /M SP ) 和隧道垂向地震

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剖面法 ( TUSP ) 。 2 种方法的工作方式稍有差异 , 但 都是利用地震反射原理 ,预测巷道前方最远约 300 m [2] 以内可能存在的不良地质界面 。但该方法对地下 水体无法解释 ,不能准确预报前方的含水性 , 对点状 [4] 导水通道显得无能为力 。 ( 2 )瑞雷波法 。利用瑞雷面波传播特征来探测 前方结构面的一种物探方法 ,该方法同样难以预测掘 进前方构造异常体的含水性 , 且探测距离一般 50 m [5] [ 11 ] 左右 ,特别在松软煤层中超前探测距离较短 。 ( 3 )地质雷达 。以介质的电磁特性为基础 , 研究 不同频率的电磁波经介质反射 、 透射 、 吸收后的能量 衰减 、 频散作用和时间等参数的变化规律 ,对断层 、 陷 落柱 、 老窑等含水体探测效果较好 , 但探测距离较短 ( 20 ～30 m ) , 且易受 工作 面潮 湿及 周围 机器 的干 扰。　 ( 4 )瞬变电磁法 。基于地面瞬变电磁的原理 , 通 过电阻率差异判断地质构造 、 含导水体等 。优点是施 工快捷 ,直接探测二次场 ,探测距离较大 ( ± m ) , 100 对含水构造等低阻体反应敏感 。但井下瞬变电磁方 法存在许多缺点 : ① 掘进工作面附近约几十米范围 为盲区 ; ②巷道内大量存在的金属体被一次场激发 产生强烈的涡流场形成干扰 ,不易分离 ; ③ 接收的信 号包含巷道前方 、 后方地质体的信息 , 对异常体的定 向、 定位存在不确定性 。 ( 5 )红外测温技术 。是以岩石热传导 、 热辐射性 质为基础 ,在一定的距离和观测精度下测量工作面上 的温度变化 ,根据含水体与围岩的温差引起的温度异 常场的分布规律 , 对其进行超前预报 。缺点 : 探测范 [9] 围较短 ,一般小于 30 m ,只能定性解释 ,不能定量 。 ( 6 ) 直接测量地温法 。公开号 : CN101298840A 的专利说明的“ 一种预报隧道施工工作面前方涌水 位置的方法 ”其原理是在巷道侧壁深 5 ～12 m 的岩 , 孔中跟踪测试岩石温度 。缺点 : 不能定量预测地下水 体相对于工作面的准确距离 。 ( 7 )巷道掘进中电阻率法超前探测技术 [ 10 ] 。该 探测技术是使用独立的 1 个或 2 个单极 - 偶极排列 装置进行数据采集 ,利用人工作图法确定异常具体位 置 。缺点 : 没有进一步的处理措施 , 不能发现微弱异 常 ; 探测距离较小 (最大约 42 m ) 。 ( 8 )直流三点 - 三极超前探测法 [ 1 ] (或直流电三 [ 12 ] ) 是在前一方法的基础上发展 点源超前探测技术 而来的 ,对所测数据有初步处理措施 。缺点 : 正演计 算不同地点的正常场和异常场理论曲线很难准确实 现 ,且不考虑地层各向异性时地层的影响 , 因此判断 异常的基础不稳定 ,给进一步解释带来较大误差 。

2　 矿井直流电法超前探测含导水构造的方法

原理
如图 1 所示 , 在层状空间中 , 该技术采用 7 电极 系装置 ,在巷道掘进工作面附近等间距布置 4 个供电 电极 A1 、 2 、 3 、 4 ,分别往地下供入直流电建立人工 A A A (也可使用 6 电极系 , 3 个供电电极 ) , 根据电流 电场 场分布原理 ,各供电电极分别供电时都是点电源 , 其 电流线以 A i ( i = 1、、、 下同 ) 极为球心往外辐射 , 2 3 4, 其等电位面是以 A i为球心的球面 , 该球面的特点是 在同一个球面上的任意一点的电位相同 。由一定间 隔的 M 、 电极测得 2 个球壳之间的电位差 UM N 。 N
211 　 超前探测技术原理 212 　 超前探测施工技术

图 1　 直流电法超前探测原理

在层状空间 、 顺层超前探测条件下 , 根据球对称

原理 ,探测距离等于点电源 A i与 MN 之中点 O 之间 的距离 A i O。当掘进工作面前方无地质构造时 ,获得 的电位差为正常值 ; 掘进工作面前方存在地质构造 时 ,等位面的分布将被改变 , 表现为包含地质构造的 2 个等位面之间的电位差发生变化 , 而该值可以通过 测量掘进工作面后方的 M 、 两个电极获得 。实际上 N M 、 间的电位差包括掘进工作面前方 、 N 后方 、 上方 、 下方 、 、 左方 右方全空间地层的地质信息 。 对于均匀全空间 , 点电源 A i产生的电场分布特 征可表示为 π π UM = ρ/ ( 4 RAM ) , UN = ρ/ ( 4 RAN ) I I 其中 , UM 、 N 为 M 、 点之电位 , V; I 为供电电流强 U N 度 , A; ρ 为均匀空间介质电阻率 ,Ω ?m; RAM 、 AN 为 R 观测点 M 、 到点电源 A i的距离 , m。所测的视电阻 N Δ 率 ρ = K UMN / I, K为装置系数 , ΔUMN = UN - UM 。 S 如图 2 所示 ,建立新的 7 电极系测量系统 。在巷 道掘进工作面附近等间距 L (L = 1 ～8 m )布置 4 个供 电电极 A1 、 2 、 3 、 4 ,与无穷远处布置的 1 个供电电 A A A 极 B 分别构成回路 ,往地下供电建立人工电场 。

Fig11 　The p rincip le of DC advance detection method

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韩德品等 : 超前探测灾害性含导水地质构造的直流电法

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ρ / ρ = ( M N 1ρ 1 / j0 ) / ( M N 2ρ 2 / j0 ) = M N 1 / M N 2 , 已 j j j j S1 S2 MN MN 经将 ρ 项消去 ,即将巷道后方 M 、 附近的地质影 N MN 响已经完全消去 。 21312 　 层状地层和各向异性的影响及消除方法 ( 1 )层状地层的影响 。由于煤系地层呈层状沉 积分布 ,不同地区的煤系地层沉积序列有所变化 , 而 且地层时代不同 ,相似岩层的电阻率也不尽相同 , 同 一层的电阻率也不稳定 ,因此层状地层对测量结果的 影响也不尽相同 ,使所测曲线变化无常 ,不易解释 。 ( 2 )地层各向异性的影响 。理论上只把所有地 层当成各向同性的理想状态 ,没有考虑地层电性的各 向异性 。试验结果表明 : 地层电性的各向异性给测量 结果带来很大影响 ,有时布置电极换个方向其测量数 据会变化 30%以上 , 表现为测量装置本身的布极方 向影响测量结果 。 ( 3 )消除方法 。通过曲线误差分析 , 将同一地点 所测的 4 条测深曲线拟合成 1 条模板理论曲线 。优 点 : 使用实测曲线拟合生成的模板理论曲线 , 包含了 所测地点的地层层状空间电性的反映及本次电法测 量装置带来的地层各向异性的影响 ,比一般正演理论 曲线只考虑地层各向同性时地层的综合电性更准确 、 合理 。再将实测曲线与理论模板进行归一化 ,可得到 归一化解释曲线 Exp ( x, i) 。 该曲线消除了地层层状 空间的影响和各向异性的影响 , 将复杂问题简单化 , 效果很好 。即 ρ ( x, i) - ρ ( x, i) Ss Sl Exp ( x, i) = ×100 % ρ ( x, i) Sl 式中 ,下角 s、分别代表实测和理论 。 l 解释方法 : 当无异常时 , 该曲线理论值 Exp ( x, i)
= 0; 当有异常时 , Exp ( x, i) ≠ 0; 当 Exp ( x, i) > 0 为

图 2　 直流超前探测法井下施工布置
Fig12 　Layout of underground construction of the DC advanced detection method

在巷道后方距供电电极一定距离 ,布置 2 个测量 电极 M 、 (与掘进工作面附近供电电极呈直线分布 , N M 、 间距 1 ～8 m )测量电场中 M 、 间的电位差 。 N N 测量方法 : 每相对固定 1 次 M 、 电极的位置 ,对 N A i ( i = 1、、、 ) 所有供电电极分别单独供电时所建 2 3 4 立的地下电场进行测量 ,测量参数为 (M N /m , A1 O /m , U 1 /V , I1 /A ,ρ / ( ?m ) ) Ω S1
(M N /m , A2 O /m , U 2 /V , I2 /A ,ρ / (Ω ?m ) ) S2 (M N /m , A3 O /m , U 3 /V , I3 /A ,ρ / (Ω ?m ) ) S3 (M N /m , A4 O /m , U 4 /V , I4 /A ,ρ / (Ω ?m ) ) S4

式中 , MN为 M 、 电极之间的直线距离 ; A i O为 A i 、 N O
(O 为 MN之中点 )之间的直线距离 ,即探测距离 ; U i为 A i 、 供电时 M 、 间的电位差 , Ii为 A i 、 的供电电 B N B

流 , ρi 为 A i 、 供电时 ,该装置所测的视电阻率 。 B S 移动 1 次 M 或 N 后 ,再次重复上述步骤 ,直到达 到测量目的为止 。结果获得 4 条视电阻率曲线 。
213 　 资料处理与解释方法

在获取的地质信息中 ,包含有地下全空间各种地

质体的影响 。可归结为测量电极 M 、 附近的 (巷道 N 底板不均匀 , M 、 电极接地条件的不均一 、 N 巷道内局 部电性不均匀地质体等 ) 影响 、 地层层状空间的影 响、 地层各向异性的影响 、 巷道工作面非正前方的影 响 (上方 、 下方 、 左方 、 右方 、 后方 ) 、 巷道工作面前方 的影响 。在均匀空间或层状空间条件下 、 顺层超前探 测时 ,分别采取以下技术措施可予以消除和保留 。
21311 　 测量电极 M 、 附近的影响及消除方法 N ( 1 )测量电极 M 、 附近的影响 。根据视电阻率 N

高阻异常 , Exp ( x, i) < 0 为低阻异常 ( i = 1、、、 条 2 3 4 曲线 ; x = 1、、、 n 个测点 /曲线 ) 。 2 3 …、
21313 　 工作面非正前方的影响及消除方法 ( 1 )工作面非正前方的影响 。矿井下直流电法

微分公式 ρ = M Nρ N / j0 可知 ,所测视电阻率 ρ 与测 j M S S 量电极 M 、 之间的电阻率 ρ 成正比 。但在实际测 N MN 量过程中 ,掘进巷道内底板揭露的岩石不均匀 (有时 是局部炭质泥岩 ,有时是砂岩 ,有时是护底煤等 ) , M 、
N 电极接地条件的不均匀 、 巷道内局部积水或浮渣等

属于全空间探测 ,测量结果包含了巷道工作面非正前 方的影响 (上方 、 、 下方 左方 、 右方 、 后方 ) 和巷道工作 面前方的影响 。前者是干扰 ,后者是需要的 。 ( 2 )消除方法 。采用聚焦法 , 如图 3 所示 , 将 4 个点电源 A i ( i = 1、、、 )分别供入电流时 ,使用同一 2 3 4 对测量电极 M 、 测量电位差 , 通过等位面的几何聚 N 焦法消除非正前方地质构造的影响 ,只保留前方的影 响 。以巷道掘进工作面为直角坐标原点 ,往前方为 X 轴 ,往上为 Y 轴 , 其超前探测前方的范围为以 x = b / ( 2 n 为顶点 、 喇叭口对准前方的“ 准抛物体 ”其中 , 4 个供电点电源时 n = - a / b = - 3, b为 M 、 之间的电 N

造成电性不均匀 , 直接影响 ρ 的大小 , 这是对测量 MN 视电阻率 ρ 的严重干扰 。 S
( 2 )消除方法 。在该探测系统中 , 对于同一个
M 、 所测量的 4 组数据 ( ρ 、S2 、S3 、S4 ) 对应同一 N S1 ρ ρ ρ

个 ρ , 即 ρ N 1 = ρ 2 = ρ N 3 = ρ 4 = ρ N , 因此 , MN M MN M MN M

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极距 , a 为供电电极的最大间距 。该准抛物体垂直于 X 轴的截面为 1 个圆 , 设该圆半径为 R , 其极限最小 探测半径 Rm in = 2L b + b 。 当超前探测距离 L = 100 m , b = 4 m 时 , R≈ 2815 m ,该处轮廓线与 X 轴之夹角 约为 1519 ° L = 140 m 时 , R≈ 4012 m 处轮廓线与 ;当 ) X 轴之夹角约为 1311 °。
图 3　 直流超前探测聚焦法探测范围断面
2

图 4　 告成煤矿直流电法超前探测结果
Fig14 　The results of DC advanced detection in Gaocheng Coal M ine
3

事故 。本次电法超前探测的第 1 个电极 A1距离工作 面 8 m。A1 ～A4 、 、 等间距 4 m 依次按直线从工作 M N 面向后方布置 ,最大极距为 50 m ,无穷远电极 B 距巷 道工作面电极直线距离为 500 m。 探测结果 : 本次均方误差 M = ± 灾害性临界 19, 预报点为 - 38 以下 。此次发现 3 个较小的低阻异 常 ,分别在掘进工作面前方 2 ～5、 10 ～1315、 15 11 19 ～2310 m ,低阻异常峰值分别为 - 17、- 27、- 16。 解释结果 : 如图 4 所示 , 第 2 个异常较大为二级 异常 ,其余较小为 1 级异常 , 没有灾害性异常 。推断 为煤层底板存在导水断裂带 。第 1 个异常矿方认为
= ± 灾害性临界预报点为 - 40 以下 。发现 2 个 3 20, 级低阻异常 ( - 45, - 43 ) ,无其他异常 。

前方地质构造的异常 ,达到了顺层探测掘进巷道工作 面前方的地质构造目的 。
21314 　 解释标准 21315 　 成图方式

计算归一化解释曲线总的平均均方相对误差 (简称“ ) 均方误差 ”为
M =±

导水性较差或无构造 、 或不含水的岩性变化 。

为岩石电性变化较大 , 如岩石相变 、 底臌 、 含水断层 、 淋水裂隙及老窑等局部含水性较强的异常地质体 。 当 Exp ( x, i) > 2 | M | 为三极异常 ,一般为突出 的岩石电性变化 ,如大的导水断层 (或导水裂隙发育 带 )、 积水老窑采空区或潜在的导水或突水地质构造 等强含水体的反应 ,一般为“ 灾害性 ” 地质构造 。

质体的影响 。消除上述影响后的视电阻率剩余异常 即为掘进前方地质构造的异常 , 使用 1 条综合 (异 常 )曲线图或 (综合 ) 拟断面图的形式将该纯异常表 示出来即为解释结果 ,如图 4 所示 。

3　 应用实例

1307 胶带巷曾经发生过煤层底板太原组灰岩水突水

　　 经过总结多次试验结 果 , 规定 当 015 | M | <
Exp ( x, i) ≤| M | 为一级异常 , 一般为对应前方含水

Fig13 　The cross2section diagram of detecting the scope by focusing of the DC advanced detection method

消除上述影响后的视电阻率剩余异常即为掘进

1 2 ( Exp ( x, i) ) 8 ni, X = 1

4, n

∑

不可能有水 , 因为距离工作面太近 , 没有任何迹象 。 3 在强行掘进时底板出水 1 ～2 m / h,矿方不得不对第 3 2 个异常打超前钻探水 , 结果钻孔出水 2 m / h, 异常 3 为破碎带的表现 ,掘进时遇破碎带并安全通过 。 实例 2 　 山西朔州中国中煤能源有限公司平朔分 公司 3号地下矿 9 号煤南翼主运大巷 ,使用此技术对 位于主 6号测量点前 24 m 的巷道工作面进行了探测 。 第 1 个电极 A1距离工作面 10 m , A1 ～A4 、 、 等间距 M N 4 m 布置 ,最大极距 136 m ,无穷远电极 B 距巷道工作 面电极直线距离约 1 km。 探测结果 : 最大探测距离为 126 m , 均方误差 M

当 | M | < Exp ( x, i) ≤ 2 | M | 为二级异常 ,一般

在获取的地质信息中包含有地下全空间各种地

解释结果 : 如图 5 所示 , 2 个 3 级低阻异常 ,分别 位于 40 ～44 m ( 1 号异常 ) 、 ～108 m ( 2 号异常 ) , 100 其中当掘进至 1 号异常 4313 m 处发生老窑透水 , 峰 值突水量约 9 000 m / h, 短时间内工作面被淹 , 排干 水后打钻验证 2 号异常仍为积水老窑采空区 。

解释推断为灾害性的导水断层或积水老窑采空区 。

4 　 　　 结 语

实例 1 　 河南郑州煤电有限责任公司告成煤矿 ,

本方法能定量顺层超前探测掘进巷道前方较长

距离 (最大探测距离达 140 m ) 内的含导水地质构造

第 4期

韩德品等 : 超前探测灾害性含导水地质构造的直流电法

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及其位置 ,尤其能识别灾害性地质构造 , 以保障掘进 巷道的生产安全 。该技术易于掌握 , 方便推广 , 施工 效率高 。方法与仪器已经配套 ,该技术在全国许多存 在水害的煤矿的巷道 (或隧道 ) 掘进过程中得到了应 用 ,结果表明 , 平均距离误差 4187% , 最大异常距离 112 m , 最大探测距离 140 m。该技术可用于超前探 测灾害性高水压含导水构造 、 突水地质构造 、 积水老 窑采空区 、 潜在导水断层及导水断裂发育带等 。 感谢煤炭科学研究总院西安研究院 、 河北邯郸矿 务局 、 山东科技大学 、 中国矿业大学 、 河北煤炭研究所 及支持该技术应用的各大矿业集团等 。本文探测实 例由煤炭科学研究总院西安研究院电法勘探研究所 提供 ,夏宇靖研究员给予了指导 , 在此对该技术有贡 献的专家和同仁一并表示衷心感谢 ! 参考文献 :
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  本文关键词：超前探测灾害性含导水地质构造的直流电法，，由笔耕文化传播整理发布。