煤矿水害矿井物探方法与技术2010-11太原.ppt

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煤矿水害矿井物探方法与技术,中国矿业大学资源与地球科学学院于景邨,

（一）井下水害体发育位置,1）掘进巷道前方水害体超前探测;2）工作面煤层顶板水害体探测;3）工作面煤层底板水害体探测;4）工作面外边界断层或老空区赋水性探测;5）废弃不良钻孔赋水性检测;6.）赋水构造注浆效果检测（前后对比）。

3.前言,

（二）井下物探方法预报物理依据,从电性上分析不同地层的电性分布规律为：

煤层电阻率值相对较高，砂岩次之，粘土岩类最低。

由于煤系地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，其导电性特征在纵向上固定的变化规律，而在横向上相对比较均一。

当存在构造破碎带时，如果构造不含水，则其导电性较差，局部电阻率值增高;如果构造含水，由于其导电性好，相当于存在局部低电阻率值地质体。

综上所述，当断层、裂隙和陷落柱等地质构造发育时，无论其含水与否，都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律。

这种变化规律的存在，为以岩石导电性差异为物理基础的电磁法探测方法提供了良好的地质条件。

3.前言,煤矿井下水文电（磁）法技术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。

3矿井电磁法技术及特点,

（一）掘进巷道前方水害体类型,二、掘进巷道前方水害体矿井物探方法与技术,

（二）单极偶极法与技术,二、掘进巷道前方水害体预报矿井物探方法与技术,3.1矿井直流电法勘探,3.1矿井直流电法勘探,装置形式：

研究内容：

A,B,M,N,巷道,三极电测深,A,B,M,N,巷道,对称四极测深,划分煤层底板含水层、隔水层，确定其厚度及埋深；调查底板灰岩岩溶及其发育影响范围；圈定底板隐伏断层、裂隙发育带等垂直导水通道。

3.1矿井直流电法勘探,特点：

理论成熟、浅部勘探精度高；体积效应大；由于高阻煤层屏蔽影响，能反映底板以下地质情况；工作效率低、劳动强度大；在工作面中间底板下形成盲区。

3.1矿井直流电法勘探,超前探测方法布置示意图,采用三极测深装置形式，但在测量过程中，用三个供电点依次供电，测量电极MN在巷道内以一定的间距向后移动。

3.2矿井直流电法超前探,3.2矿井直流电法超前探,3.2矿井直流电法超前探,3.2矿井直流电法超前探,3.2矿井直流电法超前探,特点：

用于探测巷道掘进前方的地质构造问题，并对前方地质异常区的富、含水性作定性评价。

施工条件受巷道空间、长度的影响较大。

探测结果受巷道内局部电性不均匀体影响较大。

主要预测巷道掘进前方的地质构造问题，并对前方地质异常区的富、含水性作定性评价。

瞬变电磁法（Transientelectromagneticmethod,TEM）属时间域电磁测深法，又称“纯异常场法”，利用接地回线源向地下发送一次电磁场，在一次电磁场间歇期间，用线圈对地下地质异常体所产生的二次涡流电磁场进行观测，通过对二次涡流电磁场特征的研究来探测地质构造异常、地下含水层的分布情况。

3.3矿井瞬变电磁法勘探,矩形框磁力线,穿过Tx中心的横断面内电流密度等值线Tx=800400m,3.3.1基本原理,3.3矿井瞬变电磁法,瞬变电磁法工作原理示意图,2.3矿井瞬变电磁法勘探,3.3矿井瞬变电磁法,3.3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。

3.3矿井瞬变电磁法,超前探测施工方法技术,3.3矿井瞬变电磁法,3.3矿井瞬变电磁法,3.3矿井瞬变电磁法,矿井瞬变电磁超前探测测点布置及探测范围,瞬变电磁法探测方向示意图,3.3矿井瞬变电磁法,矿用瞬变电磁仪器CUGTEM武汉中地物探科技有限公司TerraTEM澳大利亚生产PROTEM47HP加拿大生产,TerraTEM瞬变电磁仪实物,3.3矿井瞬变电磁法,3.3矿井瞬变电磁法,3.3矿井瞬变电磁法,（a）（b）,（a）巷道迎头前方顶板；（b）巷道迎头前方顺层；（c）巷道迎头前方底板,（三）矿井瞬变电磁探测方法与技术,二、掘进巷道前方水害体预报矿井物探方法与技术,（三）矿井瞬变电磁探测方法与技术,超前探测应用实例分析,超前探测应用实例分析,两种超前探测方法比较:

1.单极-偶极法采用接触式探测,接地电阻处理好坏直接影响探测结果可靠性,体积效应大（为球体）,工作效率较低，受巷道长度限制，对高、低阻反映均较灵敏,探测距离在6080m,无探测盲区;2.矿井瞬变电磁法采用非接触式探测,具有明显方向性,体积效应较小（约束角为6090度的锥体）,对低阻反映较灵敏,工作效率高，不受巷道长度限制，但受高度限制（不小于1.8m）,探测距离在00m,距离巷道迎头有0m左右探测盲区;,工作面顶板探测技术,巷道赋水异常区域切眼工作面平面顶板导水断层巷道,工作面煤层顶板水害体类型,图a图b,工作面煤顶底板水害预报矿井物探方法与技术,三、工作面煤层顶板水害预报矿井物探方法与技术,工作面煤层底板水害体类型巷道局部赋水裂隙发育通道含水陷落柱或富水体工作面平面导水断层巷道,工作面底板探测技术,四、工作面煤层底板水害预报矿井物探方法与技术,矿井瞬变电磁法应用矿井瞬变电磁法探测采掘面内导水陷落柱,四、工作面煤层底板水害预报矿井物探方法与技术,工作面底板注浆前后矿井瞬变电磁法检测效果,五、工作面切眼外侧或巷道外侧帮断层富水性探测,工作面平面位置边界断层边界断层,

（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220m），可降低体积效应，提高勘探的横向分辨率。

特点：

3.3矿井瞬变电磁法,（3）无高阻煤层屏蔽影响）（与直流电法比较），能反映顶、底板内地质情况。

同时，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，在浅部形成20m左右的盲区。

3.3矿井瞬变电磁法,（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。

（7）多解性。

3.3矿井瞬变电磁法,3.3矿井瞬变电磁法,全空间问题,3.3矿井瞬变电磁法,1）煤矿赋水体井下瞬变电磁响应三维正演模拟（不同于地面）？

2）矿井防爆瞬变电磁仪器研制？

3）水平层状介质地电模型矿井瞬变电磁法理论曲线？

4）矿井瞬变电磁法单方向辐射电磁场工作装置研制？

5）提高矿井瞬变电磁法探测低阻异常体分辨率和精度？

6）矿井瞬变电磁法探测结果三维可视化显示技术?

3.4矿井直流电透视,直流电透视工作方式示意图,通过利用数值模拟技术进行了大量的模拟工作，得出直流电透视的有效探测深度和工作面的宽度存在一定的关系，最佳探测范围为0.4L（L为工作面的宽度）左右的深度段。

直流电透视层析成像图,3.4矿井直流电透视,由于高阻煤层屏蔽影响，能反映底板以下地质情况；能反映工作面中间底板下岩层的含水情况；工作效率低、劳动强度大；勘探深度不易确定；矿井音频电透视的理论研究。

特点：

3.4矿井直流电透视,4在煤矿防治水中的应用,探测工作面煤层顶板岩层内富水异常区，为打钻疏放水提供靶区。

探测工作面煤层底板含水层、隔水层厚度及埋深；调查底板灰岩岩溶及其发育影响范围；圈定底板隐伏断层带、裂隙发育带等垂直导水通道。

探查巷道掘进前方富水异常体，如：

断层带、陷落柱、采空区老窑水。

探测工作面内部的小断层、陷落柱、火成岩体、封堵不良钻孔等。

4在煤矿防治水中的应用,4.1探测工作面煤层顶板岩层内富水异常区，为打钻疏放水提供靶区。

4在煤矿防治水中的应用,4在煤矿防治水中的应用,4.2探测工作面煤层底板含水层、隔水层厚度及埋深；调查底板灰岩岩溶及其发育影响范围；圈定底板隐伏断层带、裂隙发育带等垂直导水通道。

4在煤矿防治水中的应用,4在煤矿防治水中的应用,4.2探测工作面煤层底板含水层、隔水层厚度及埋深；调查底板灰岩岩溶及其发育影响范围；圈定底板隐伏断层带、裂隙发育带等垂直导水通道。

平煤集团梨园矿,探测煤层底板含水构造两中方法比较1）音频电透视技术采用接触式探测,接地电阻处理好坏直接影响探测结果可靠性,体积效应大,工作效率较低，分辨率低,工作面完全贯通后才能测量，对高、低阻反映均较灵敏,探测距离取决于供电电流大小,无探测盲区;2）矿井瞬变电磁法采用非接触式探测,具有明显方向性,体积效应较小（约束角为6090度的锥体）,对低阻反映较灵敏,工作效率高，分辨率高,工作面是否贯通均可测量，但受高度限制（不小于1.8m）,探测距离在00m,可以分别从两上、下顺槽对工作面底板进行探测，探测范围覆盖工作面底板。

距离巷道周围有0m左右范围为探测盲区。

5.1矿井瞬变电磁法,1）小线框TEM理论上有待于进一步深入研究；2）井下干扰因素的排除与校正；3）轻便防暴仪器的研制开发。

5矿井电法的发展展望,1）矿井雷达仪器发展（天线），探测距离应达到40米以上；2）实时处理软件系统。

5.2矿井探地雷达,5矿井电法的发展展望,将地面物探方法引入到矿井下应用（频率域激发极化法、核磁共振等）。

开展井下、地面联合物探解决特殊问题。

综合物探，如用矿井地震法（如TSP）确定小构造，用矿井电法判断含水性。

5.3其它新方法,5矿井电法的发展展望,防治水的监测及预报。

矿井开采动态破坏带的监测。

5.4矿井电法应用范围的拓展,5矿井电法的发展展望,5.4煤层开采底板破坏带的动态监测,煤矿工作面回采过程中，其底板破坏裂隙带是动态变化的。

根据完整岩石破坏后，由于体积澎胀，电阻率升高数倍；或破坏后岩体充水，而造成电阻率下降数倍的原理，采用矿井电阻率法进行底板破坏带范围的探测及动态检测是可行的。

电阻率CT测试是以孔中高密度电法技术为主，以孔间直流电透视法相辅助进行探测的电阻率成像方法。

测试时孔中预埋电极，形成孔中、孔巷间的电阻率CT测试区域。

进行背景测试及开采后动态视电阻率测试，通过测取不同时期底板岩体视电阻率变化图像，进行动态对比与分析。

该方法与井下注水方法等探测方法相比，具有探测数据量大，动态连续，费用少等特点，是一种理想的底板破坏带动态测试技术。

5矿井电法的发展展望,煤层开采底板破坏带的动态监测观测系统,底板破坏带探测的电阻率CT成像电极布置示意图,5矿井电法的发展展望,淮北采煤工作面顶板岩层移动4天连续视电阻率图像,底板监测现场布置与施工,利用巷道、底板钻孔等构成多测线、多电极采集方式，通过光纤、电话、宽带网络的多种方式进行系统控制与数据通讯。

数据进行电位、电流、电阻率解编、二位、三维AGI联合反演，获取有效的地电场参数数据体。

阳泉五矿8403工作面底板破坏带动态探测机巷视电阻率剖面和钻孔电流变化动画,底板扰动带范围,灰岩17m,灰岩28m,灰岩41m,钻孔电流,阳泉五矿8403面底板采动视电阻率剖面图,本次底板监测系统还包括震波（微震、反射波）、角位移等监测同步进行，通过9113试采，在9115实现了采20m留20m方案，较原来采15m留20m多回收了资源7%，取得了较好的安全效益和经济性。

山东淄博埠村矿9113条带开采面三维电阻率动态计算图像与开采关系,皖北煤电公司五沟矿1013工作面，地电场监测工作于2008年3月18日开始，在5月12日工作面已回采60m时，向矿方发出底板有可能突水警报；5月13日矿方及时进行机巷清理和排水管路布设；5月14日的下午14：

00时，底板出水，初期出水量为5m3/h，5月15日出水量增大到20m3/h，5月17日水量渐小并停止。

本次提前30小时成功预报，使工作面生产不受影响，得到生产部门的肯定。

五沟矿成功预报底板突水,谢谢!

2010年11月,