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直流电法超前探测异常分级研究及应用

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 251次


摘要:据统计我国2008~2012 期间煤矿较大及重特大突水事故中,约70%为掘进工作面引起的。分析事故原因多为水文地质条件不清,防排水措施不到位等。目前直流电法超前探测技术探测掘进工作面前方灾害性水文地质异常体已成为煤矿生产安全方面有效手段之一。但实际应用中含导水构造电法反映异常特征规律性把握不准确,往往造成异常区多报或误报,现通过异常分级法的研究及应用现能更准确的解释掘进巷道前方0~100m内水文地质异常体及其位置,现对已经验证的超前探测实例反映特征进一步分析总结,供参考。

:超前探测;异常分级;水文地质异常体

Study on the anomaly classification DC method of advanced detecting and application

Daifengqiang

(1.CCTEG XI’AN Research Institute ,Xian710077,China)

Abstract: According to statistics, China's coal mine during  from 2008 to 2012 large and heavy water inrush accidents, about 70% of the driving caused by working face. Analysis of the causes of the accident is hydrological geology not clear, the water and drainage measures are not in place. At present, the pre detection technique of DC method to detect the disaster of the front side of the working face has become one of the effective methods in the coal mine production safety. But in the practical application, the electrical resistivity method is not accurate to reflect the regularity of abnormal characteristics, often caused by abnormal area or false alarm, the research and application of the anomaly classification method can be used to explain the hydro geological anomaly body and its position in front of the 0~100m.This paper shows the analysis and summarization of the advanced detection case which has been verified.

Key Advanced detection; anomaly classification; hydro geological anomaly

0、引言

水文地质异常体(断层、裂隙带、陷落柱、积水采空区等)给煤矿安全掘进带来各种隐患,当这些异常体含水或导水时容易导致煤矿发生透水事故,危害井下工作人员的生命安全。如何有效探明掘进巷道前方水文地质异常体并及时准确做出地质灾害的预测预报,是煤矿生产过程中必须要认真对待的问题。目前直流电法超前探测技术在煤矿巷道掘进已经得到广泛应用,但实际应用中异常特征分析不准确,往往造成异常区多报、误报和漏报,影响巷道安全掘进和掘进进度。目前通过异常分级法的研究及应用能更准确的解释掘进巷道前方0~100m内水文地质异常体及其位置。现对已经验证的超前探测实例反映特征进一步分析总结,供参考。

1、直流电法超前探测原理

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、A2 、A3 、A4,分别往地下供入直流电建立人工电场,根据电流场分布原理,各供电电极分别供电时都是点电源,其电流线以Ai(i=1、2、3、4下同)极为球心往外辐射,其等电位面是以Ai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、N电极测得2个球壳之间的电位差UMN


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Ai与MN之中点O之间的距离AiO。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、N两个电极获得。实际上M、N间的电位差包括掘进工作面前方、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Ai产生的电场分布特征可表示为:

UM =Iρ/(4πRAM), UN =Iρ/(4πRAN)

其中,UM 、UN为M、N点之电位(v),I为供电电流强度 (A);

ρ为均匀空间介质电阻率(Ψ· m);

RAM、RAN为观测点M、N到点电源Ai的距离(m);

所测的视电阻率ρS =KΔUMN /I

 K为装置系数,ΔUMN =UN -UM

2、超前探测施工技术

矿井直流电法超前探测采用7 电极系装置,施工前先进行井下无穷远的布设和施工区域内的标点工作,无穷远距离施工探测区域400~500 m ,根据前方目标体的大小点距一般选取2~4m,以点距4m为例,第一个电极A1距离工作面10 m(确保迎头前方无盲区)。完成后,在迎头后方一定距离内布置A1、A2、A3、A44 个发射电极和MN 接收电极(见图2)。在井下施工时,分别向供电电极A1、A2、A3、A4发射额定电流, 利用接收电极MN 探测不同区段内的电压值,并计算出相应的视电阻率值,最终绘制出A1、A2、A3、A4供电点的视电阻率-极距曲线图。

图2 直流电法超前探测施工布置图

3、超前探测数据处理及异常分级方法

首先对采集到的数据进行视电阻率计算,并进行全空间、巷道影响校正及归一化处理,最终得到反映巷道前方的A1、A2、A3、A4供电点的相对视电阻率曲线图。

异常划分通常有两种途径来确定:

第一种途径在同一水文地质条件下对该区域进行了大量的超前探测,并取得相应的探掘对比资料,分析总结出该区域相对视电阻率值与水文地质对应情况,根据经验值并结合本次超前探测对异常进行分级;

第二种途径是在一个新的矿区,根据数理统计学,一般可把异常参数分成5个等级,如下:式中为参数算术平均值,为参数的标准偏差值。

时为相对高电阻率区域,标书迎头前方可能存在相对高电阻率异常区段,异常区段不含水;

为正常区,表示迎头前方无含水异常或含水构造;

为一级异常区,一般对应前方含水导水性较差或无构造、不含水的岩性变化;

为二级异常区,一般为岩石电性变化较大, 如岩石相变、含水断层、淋水裂隙及老窑等局部含水性较强的水文地质异常体;

为三级异常区,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”水文地质异常体。

4、应用实例

实例1内蒙古乌审旗某矿某矿中央一号辅助运输大巷超前探测,本次超前探测第一个电极A1距离迎头10m,A1~A4、M、N依次按直线从迎头向后方布置。探测结果如图3所示:

图3 中央一号辅助运输大巷4月30日超前探测成果图

前期在该矿区做了大量的井下电法超前探测,通过收集探掘对比资料总结得出异常幅值大于95区段为迎头前方无含水异常或含水构造,90~95区段一般为前方含水导水性较差或无水文地质异常区, 85~90左右的异常区多表现为局部顶板锚索弱滴淋水,异常幅值在80~85左右的异常区多表现为煤壁、顶板淋水或弱水文地质异常体,70~80左右的异常区多表现为顶板淋水较大或存在含水构造异常区段。

解释成果:本次电法超前探测相对视电阻率位于92.5~107,算术平均值,标准偏差值,结合前期探测总结成果及本次超前探测成果图分析迎头前方100m范围内没有发现明显视电阻率低阻异常区段。

验证情况:巷道掘进过程中未发现明显的水文、地质异常。

实例2 内蒙古乌审旗某矿30201工作面辅助运输巷13年9月21日进行了电法超前探测,探测结果如图4所示:

图4 30201工作面辅助运输巷4月30日超前探测成果图

解释成果:本次电法超前探测相对视电阻率位于72.5~114,算术平均值,标准偏差值,1号异常区位于迎头前方46~55m区段,相对视电阻率值72.5~85,为三级异常区段,建议对异常区段进行钻探验证,确定其异常性质。

验证情况:迎头F-1钻孔终孔130m仰角6°,47m见岩石、50m出水,54m涌水量30m³/h,终孔涌水量27m³/h,该处为地质异常区导致岩层相对富水,钻探揭露情况与物探资料较为吻合。

实例3 内蒙古准格尔旗某矿胶轮车乘人车站联络巷13年9月21进行了电法超前探测,图5为超前探测成果图,该巷道为两头对掘,从一端进行电法超前探测。

解释成果:本次电法超前探测相对视电阻率位于78~127,算术平均值,标准偏差值,此次超前为自左向右探测36m,显示迎头前方有3 处视电阻率相对低阻异常区,1号异常位于迎头前方4m~10m,相对视电阻率值78~90;2号异常位于迎头前方16m 附近,相对视电阻率值88~90;3号异常位于迎头前方30m~33m 附近,相对视电阻率值82~90。上述3处异常区段1号异常为三级异常,2号异常为一级异常,3号异常为二级异常。

图5胶轮车乘人车站联络巷13年9月21进行了电法超前探测成果图

验证结果:1号异常为左侧掘进巷道揭露断层时突水7m3/h~700m3/h,证明断层导水;2号异常未验证;3号异常为右侧掘进巷道揭露另一小断层出水约30m3/h。

3、结语

直流电法超前探测在煤矿巷道安全掘进起到了有效的指导作用,能较为准确的预测预报迎头前方水文地质异常体及位置,对工作面的安全掘进提供了科学的参考资料。

直流电法超前探测在一个矿区进行大量勘探工作时,可以结合探掘对比资料总结出适合该区域的相对视电阻率与水文地质异常体的相应特征,通过对异常区进行分级,可对迎头前方潜在的水害威胁进行更准确的预测预报,为煤矿的安全生产提供科学参考资料。

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 代凤强: 1982- ,男(汉族),安徽砀山人,本科,工程师,从事煤田电法勘探专业,电话:02981778153,电子信箱:daifengqiang@163.com

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