综合电法在煤矿积水老空区探查中的应用.pdf

张振勇，韩德品，陈香菱，等 综合电法在煤矿积水老空区探查中的应用 J 矿业安全与环保，2013，40(1):77 80文章编号:1008 4495(2013)01 0077 04技技术术经经验验综合电法在煤矿积水老空区探查中的应用张振勇1，韩德品1，陈香菱2，牟义3(1 中煤科工集团西安研究院，陕西 西安 710077;2 中国煤炭地质总局 煤航地质勘查院，陕西 西安 710054;3 煤炭科学研究总院，北京 100013)摘要:从煤矿老空区探测的必要性出发，对比分析了常规电法的特点，强调了综合物探方法的重要性，阐明不同方法可以相互补充、印证，以提高探测效果。以东庞矿 9102 工作面附近小窑积水采空区探测为例，采用瞬变电磁法和直流电法综合探测，取得了良好效果。实践表明，只要选取合理的探测方法和解释技术，深度 250 m 内、大面积积水采空区、小范围积水采空巷道探测可靠性均比较高;采用综合电法手段时，只要正确选择技术参数和装置，探测采空区的效果是良好的。关键词:采空区;瞬变电磁法;直流电法;综合电法中图分类号:TD745;P631 8文献标志码:B网络出版时间:2013 01 09 17:04网络出版地址:http:/www cnki net/kcms/detail/50 1062 TD 20130109 1704 016 htmlApplication of Comprehensive Electrical Method in Detection ofOld Gob with Water in Coal MinesZHANG Zhenyong1，HAN Depin1，CHEN Xiangling2，MOU Yi3(1 Xi an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group，Xi an 710077，China;2 Geological Exploration Institute of ARSC of CNACG，Xi an 710054，China;3 China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)Abstract:This paper，starting from the essentiality of the detection of old mined out area，analyzed the characteristics ofthe conventional electrical methods，pointed out the importance of the comprehensive geophysical prospecting method，andexpounded that different methods can complement and confirm each other so as to improve the detection effect Transientelectromagnetic method and D C electrical method were used for the detection of a small old mined out area near 9102 workingface in Dongpang Mine，better effect was achieved The practice indicated that if rational detection methods and explanationtechnique were selected，the mined out areas in depth range of 250m and with large amount of accumulated water and theworked out roadway with small amount of accumulated water can be effectively and reliably detected;when comprehensiveelectrical method was used，good effect can be achieved in mined out area detection as long as the technical parameters anddevice were correctly selectedKey words:gob;TEM method;DC electrical method;comprehensive electrical method收稿日期:2012 05 15;2012 09 04 修订基金 项 目:“十 一 五”国 家 科 技 支 撑 计 划 项 目(2007BAK24B02)作者简介:张振勇(1981)，男，山东聊城人，硕士研究生，工程师，主要从事应用地球物理、水文地质方面的研究。E mail:zhenyong463163 com。近年来，采空区和废弃小煤窑积水溃入矿井所造成的淹井事故时有发生，如 2005 年广东大兴煤矿透水事故、2006 年山西新井煤矿透水事故、2007 年陕西省尧头三号井透水事故、2008 年河南省许昌大仝煤业有限公司透水事故、广西那读煤矿特大透水事故、2010 年山西王家岭煤矿突水事故等，都属于典型的采空区积水引发的突水淹井事故。可见，积水采空区和废弃小煤窑已经成为制约煤矿安全生产的重大隐患。只有准确探明采空区的空间分布和积水77第 40 卷第 1 期2013 年 2 月矿业安全与环保MINING SAFETY ENVIRONMENTAL PROTECTIONVol.40 No.1Feb.2013情况，才能有的放矢，采取必要的防治水措施，防患于未然。1煤矿老空区电磁场的响应特征煤层未被采动时，地层一般呈现成层性和完整性，小区域内同一地层的电性差异不会太大。通常情况下，视电阻率值在采空区(孔洞)为最高，其次是石灰岩、煤层，泥岩及有充水岩溶裂隙的岩层最低。煤层被采空后，煤层上下岩层间形成一定的孔隙，破坏了岩石的完整性、连续性，故该处电阻率值明显高于周边完整岩石的电阻率值，表现出局部高阻特性。当采空区的孔隙被水充填，其电阻率则呈低阻反映1。这些特性成为电磁法探测地下采空区的地球物理特征。2综合物探方法的重要性目前，煤矿采空区探测常用的电磁法包括常规直流电法、高密度电阻率法等为主的传导类方法，以及瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法、EH 4、大地电磁法等为主的感应类方法2 3。然而，每种物探方法都有其缺点:1)常规直流电法、高密度电阻率法受高阻屏蔽影响大，体积勘探效应明显，探测深度较小，受地形影响较大。2)瞬变电磁法抗电磁干扰能力差，浅部存在探测盲区，对于薄板状直立良导体反映不明显4 5。3)可控源音频大地电磁法由于人工源发射功率有限，为保证较强的观测信号，需限制其收发距，从而导致当发射频率较低时测区不满足远区场条件，计算出的卡尼亚电阻率发生畸变;对浅层的分辨率低。4)地质雷达探测方法采用高频电磁波，衰减较快，探测深度较浅(一般小于 60 m)。由于采空区的地表、地质条件，以及埋藏深度、分布形态差异较大，实际工作中为了达到较好的探测效果，需要应用多种方法综合探测、对比分析，以相互补充、印证。3实例分析3 1地质任务东庞矿浅部的原小煤矿(康宏、东兴一、东兴二、建东)与东庞矿 9100 采区共同开采 9 号煤层，9102工作面位于 9101 工作面北侧，西与小煤窑接壤，被小窑越界开采的可能性极大，小窑突水的堵水孔在本测区 9102 的 1 31、2 31、3 31 附近。因此，需查明 9102 工作面附近的小窑分布和突水通道位置，为东庞矿下一步合理布置工作面提供科学依据。3 2方法选择结合地质任务，为达到探测目的和要求，采用如下综合电法探测。1)瞬变电磁(TEM)法。探测较大范围的积水采空区效果较好。2)高分辨中间梯度剖面法。探测较小规模的巷道类采空区和面积类采空区，在没有其他干扰的情况下，效果较好。3)高分辨直流电测深法。二维探测巷道或工作面采空区效果明显，尤其是含水采空区。3 3资料处理与解释物探方法解释的依据，主要是根据对观测资料的反映特征与测区的地质、地球物理特征的分析、对比，确定出物性特征与地质目标体的形态、产状、规模、深度、电性参数等定性概念。3 3 1TEM 法测深定性解释TEM 法第 3 测线的断面如图 1 所示。在探测目的区内 s(15 85 m)地层电性总的趋势为高低高，局部测点除外。9 号煤层位于相对电性较低的层位中，推断其可能为大面积采空并积水;1 5 号、8 10 号、27 29 号测点为向下连通奥灰的通道，其中 27 29 号测点奥灰内存在一个近似垂向的低阻异常区(上部 9 号煤层下等值线闭合，下部开口)，推断为奥灰内岩溶发育区(此处推断为陷落柱)，与当地小煤窑地面打钻注浆堵水位置一致(小煤窑不知道此处是 1 个类似陷落柱的岩溶发育区，只知道此处奥灰突水淹井了)。图 1瞬变电磁第 3 测线视电阻率等值线断面87Vol.40 No.1Feb.2013矿业安全与环保MINING SAFETY ENVIRONMENTAL PROTECTION第 40 卷第 1 期2013 年 2 月3 3 2高密度电测深法定量解释在 9100 采区第 5 线做了 1 条试验测线，见图 2，从图 2 中可以看出，右边在煤层深度上存在 2 个低阻异常闭合圈，与已知小煤窑采空通道(含水)对应，由已知到未知，在同层的左边号、号低阻异常闭合圈是类似的，所以号、号异常推断为充水的老窑采空区。由此可以得到该深度的极距及电平信号的大小等资料。图 2第 5 线高密度电测深法断面3 3 3高分辨电剖面法定量解释如图 3 所示，图中上方的曲线是实测的视电阻率剖面曲线，下方的曲线是重新计算的异常曲线。本次解释的标准为零线，大于零的为高阻异常，小于零的为低阻异常。本次高分辨电剖面法在全测区共测 5 条电剖面，复测了局部点。在小窑堵水孔附近均作了加密线。高分辨直流电剖面法结果显示规律如下:小煤窑采空通道主要以漏斗状形态出现，当测线与之正交时表现为一标准的低阻漏斗，当测线与之斜交时表现为一不标准且较宽的低阻漏斗，各测线之间形态近似，容易辨认。当有含水低阻裂隙存在时，也表现为低阻漏斗，但不标准，时断时续，一般影响范围较大。图 3第 2 线局部电剖面曲线3 4测区综合推断地质结果3 4 1综合探测平面图如图 4 所示，在测区内发现 8 个低阻条带区，推断为 9 号煤含水采空区(推测出小煤窑巷道即导水通道共 30 多条)，其中心分别是位于 55 号点的 1 号采空区，位于 47 号点的 2 号采空区，位于 40 号点的3 号采空区，位于 35 号点的 4 号采空区，位于 31 号点的 5 号采空区，位于 26 号点的 6 号采空区，位于20 号点的 7 号采空区，位于 16 号点的 8 号采空区。各采空条带分布的巷道多少不一，采掘范围的大小也不近相同。图 4东庞矿 9102 工作面采空区及含水通道综合探测平面图97第 40 卷第 1 期2013 年 2 月矿业安全与环保MINING SAFETY ENVIRONMENTAL PROTECTIONVol.40 No.1Feb.20133 4 2综合物探结论1)小煤窑主要采空通道在 9102 工作面内存在几十条小窑采空巷道，并纵横交错，杂乱无章，主要划分为 8 个采空条带(区)。其中 1 号采空区采动范围较大(局部宽约160 m)，其余各采空条带间隔 40 80 m 不等，采空区宽 40 50 m。低阻异常区为老空充水区。2)老窑中奥灰突水点附近的构造通过对 TEM 断面图和切平面图的分析，该测区中小窑突水点附近(第 2、3 线附近)的突水构造主要存在局部近 EW 向和 NE 向裂隙，造成局部近似垂向低阻发育(推断为陷落柱)，将底板奥灰水导通所致，其水源主要来自奥灰岩溶水。3 5物探结果验证如图 5 所示，东庞矿为了验证 9102 工作面被小煤窑偷采和便于下一步防治水工作，在 9102 胶带下山大巷内放射状打群钻验证，在 1 个钻场顺煤层共打了 11 个孔，一旦进入物探异常区，钻孔出黑水，之后漏风，在测区外低阻异常(下山)外伸处，打钻仍然出黑水。钻探验证结果全部与物探结论吻合。图 5东庞矿 9102 胶带下山小煤窑采空区钻探验证平面图4总结与分析1)东庞矿探测积水采空区采用的是综合物探方法，即直流电法(高密度直流电测深法、高分辨电剖面法)与瞬变电磁法。虽然该处采空区埋藏深度较深(250 m 内)，但由于地表平坦，几乎没有地形影响，可以使用高精度探测方法(如高分辨电剖面法)。2)在深度较深时，TEM 法不能很好地反映较小的巷道，不能直接反映采空区的具体边界(相对高分辨直流电法)。3)从矿区实际应用情况看，只要选取合理的探测方法和解释技术，深度 250 m 内、大面积积水采空区、小范围积水采空巷道探测可靠性均比较高。4)实践表明，采用综合电法手段时，只要正确选择合理的技术参数和装置，排除各种干扰，探测采空区的效果是良好的。参考文献:1 张进国，徐新学 高密度电法在地下煤矿采空区探测中的应用 J 西部探矿工程，2004(8):65 66 2 闫长斌，徐国元 综合物探方法及其在复杂群采空区探测中的应用 J 湖南科技大学学报:自然科学版，2005，20(3):10 14 3 于国明，李静，韩革命 综合物探方法在深部煤层采空区检测中的应用研究 J 陕西地质，2003，21(2):62 69 4 赵庆珍，安润莲 瞬变电磁勘探技术在采空区探测中的应用 J 山西煤炭，2007，20(4):15 17 5 夏双力 瞬变电磁法在探测小窑采空区、陷落柱中的应用 J 中国煤田地质，2006，18(1):68 69(责任编辑:李琴)08Vol.40 No.1Feb.2013矿业安全与环保MINING SAFETY ENVIRONMENTAL PROTECTION第 40 卷第 1 期2013 年 2 月