网络并行电法勘探在黄陵矿区油型气防治中的应用.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.058网络并行电法勘探在黄陵矿区油型气防治中的应用（1.煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，安徽 淮南 232001；2.平安煤矿瓦斯治理国家工程研究中心有限责任公司，安徽 淮南232001；3.煤炭开采国家工程技术研究院，安徽 淮南 232001）摘要 针对黄陵矿区油型气赋存精准探测难题，黄陵矿业二号矿采用了网络并行电法，对 3条掘进巷道底板及巷道前方进行了探测，摸清了底板及巷道前方油型气赋存情况，根据勘探结果采取了针对性措施，有效防治油型气安全威胁，进一步完善了黄陵矿区油型气精准治理安全技术体系。关键词 油型气；精准探测；电法勘探；油型气赋存；精准治理中图分类号P631.3文献标识码B文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0184蛳 040引言直流电法仪器大都采用高密度电法技术进行数据采集。所谓高密度电法就是一种阵列式勘探方法，是多种排列的常规电阻率法与资料自动反演处理相结合的综合方法咱员暂。纵观 20 世纪末电法勘探的发展态势，从理论、方法、野外仪器、观测系统都呈现一种拟地震采集处理的趋势。网络并行电法仪器的数据采集方式采用的是一种拟地震的采集方式。电法勘探的信号产生主要是通过供电电极 AB向大地供电，而地震勘探主要是单点激震。针对这种情况，网络并行电法仪器主要采用单极供电（AM法）与偶极子供电（ABM 法）这 2 种方式来进行数据采集与处理咱圆暂。网络并行电法勘探建立在高密度电法勘探设备的基础上，不但能完成传统直流电法的各种测量方法，而且能极大地提高野外勘探的效率与采集数据量咱猿暂。网络并行电法仪的起点是传统和高密度电法勘探，并行、海量、高效数据采集与处理是该系统的核心咱源暂。一般的高密度电法仪是在传统电法仪的基础上加上了单片机电极转换控制系统，通过多芯电缆与电极的连接来构成，整套系统只有 1 个 A/D转换器，导致其只能串行采样。要实行并行采样，就必须使每一电极都配备 A/D 转换器；而能自动采样的电极相当于智能电极，智能电极通过网络协议与主机保持实时联系，在接受供电状态命令时电极采样部分断开，让电极处于供电状态，否则一直工作在电压采样状态，并通过通讯线实时地将测量数据送回主机。通过供电与测量的时序关系对自然场、一次场、二次场电压数据及电流数据自动采样，采样过程没有空闲电极出现。智能电极与网络系统结合，实现了网络并行电法勘探，完成拟地震勘探的数据采集功能，从而大大降低了电法数据的采集成本。1矿区概况黄陵二号煤矿地处陕西省黄陵县，煤炭资源丰富。井田总面积约为 352 km2，资源储量 970 Mt，为高瓦斯矿井。矿井的生产规模为 800 万 t/a，如图 1所示。矿区含煤地层为侏罗系中统延安组（J2y），其中 2 号煤层为本矿区主采煤层，如图 2 所示。2 号煤层埋深 120460 m，煤层厚度 0.307.15 m 之间，可采厚度 0.804.69 m，煤层厚度变化较小，属稳定可采的中厚煤层。2 号煤层受成煤环境的影响，该煤层变质程度相对较低，属弱粘煤气煤。3 号煤层上距 2 号煤层 1.218.35 m，平均间距 9.25 m；3 号煤厚度 0.021.83 m，平均厚 0.45 m，属局部分布的不可采煤层。图 1黄陵二号矿区域位置图 2黄陵二号煤矿地层柱状柱状岩性组延安组J2y2 组砂岩3 煤泥岩砂岩泥岩互层0.37.511.218.359.250.021.830.45厚度/m芦村二号煤矿芦村一号煤矿党家河煤矿整合区黄陵二号煤矿黄陵一号煤矿双龙煤矿红石岩煤矿仓村煤矿-能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.41842023 年 8 月Aug.,2023本井田为单一近水平煤层，赋存稳定，无大的构造破坏，水文地质条件简单，全井田划分为 6 个盘区。采用斜井开拓方式，单水平开拓全井田，采用大采高一次采全高综合机械化开采，全部垮落法管理工作面顶板。随着矿井开采活动的进行，在矿井瓦斯涌出量逐年增加的同时，煤油气共生矿区的特征在生产中逐渐显现出来。矿区采掘过程中，多次出现围岩瓦斯异常涌出现象。2网络并行电法勘探原理同所有的直流稳定场电法勘探场源一样，网络并行电法所采用的场源仍然是点电源电场（A.）和异性点电源电场（AB），在均匀各向同性地下半空间介质中，点电源点场的任意一点 M 的电位分布为式（1），A、B 两异极性点源在地下任一点 M 处所产生的电位为式（2）。即：U=I籽2仔RAM（1）UABM=UAM+UBM=I籽2仔1RAM-1RBM蓸蔀（2）式中：I 为电流，A；籽 为电阻率，；RAM为 AM点间的距离，m；RBM为 BM 点间的距离，m。与常规电法和高密度电法不同的是网络并行电法采用了类似地震的阵列采集方式，测线上多个电极同时对所产生的电场进行电位采集，最大限度地获取电位在空间上的分布即进行全电场观测咱5暂，同时由于同步测量不同极距电位、电流值，不需要变换极距，因此网络并行电法采集效率更高。3勘探方法本次采用网络并行电法勘探方法，分别对 215辅运巷、215 胶带巷和 413 辅运巷底板和巷道前方进行探测。巷道探测布置如图 3 所示。设置电极距为 1.5 m，迎头位置为起点，向巷道后方布置 48 个探测电极与 1 个公共比较电极 N，测线总长 72 m，将无穷远电极 B 板放置在最后一个测点后方 200 m处。根据点电源场的全空间球形对称理论，理论上对此区域形成迎头前方 100 m 的探测范围。图 3巷道探测布置4成果解释4.1215 辅运巷底板及巷道超前电阻率分布特征在 215 辅运巷 3 060 m 位置，采用网络并行电法对巷道底板及巷道前方进行了探测，探测结果如图 4 所示。从图 4 可以看出，底板整体电阻率分布不均匀，在巷道前方 15 m 以内范围，巷道底板受采动卸压影响，电阻率较高。215 辅运巷 3 060 m 电法超前探测结果由图 5 可知，在巷道迎头前方分布呈现明显高低阻交叉，在迎头前方 15 m 内，采动影响范围较大，造成此区域电阻值偏高，再向前方出现应力集中区，电阻值较低。前方 20 m 以后由于地质结构影响呈现高低起伏。图 4215 辅运巷 3 060 m 底板电法探测结果曹腾飞，等网络并行电法勘探在黄陵矿区油型气防治中的应用图 5215 辅运巷 3 060 m 电法超前探测结果4.2215 胶带巷底板及巷道超前电阻率分布特征215 胶带巷 3 090 m 底板电法探测结果如图 6所示。215 胶带巷 3 090 m 底板在联络巷区域也存在高阻区，对应采动应力影响底板破坏区，可以看出在其它位置底板岩层分布呈现非均匀性，底板深部位置受采动影响，电阻值较低。根据 215 胶带巷3 130 m 底板电法探测结果如图 7 所示。此位置没有受到联络巷影响，底板电阻率分布规律基本一致。顶板煤层巷道掘进方向探测范围为迎头前方 100 m1.5 m200 m20 m底板B 极N 极48 个60.245.230.215.20.210.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.05.0电阻率/（赘 m）X/mX/m-2.5-7.5-12.5-17.5-22.51.5-1.5电阻率/（赘 m）10.020.030.040.050.060.00.080.089.398.7108.0117.31852023 年 8 月Aug.,2023图 6215 胶带巷 3 090 m 底板电法探测结果图 7215 胶带巷 3 130 m 底板电法探测结果图 8215 胶带巷 3 090 m 电法超前探测结果图 9215 胶带巷 3 130 m 电法超前探测结果4.3413 辅运巷底板及巷道超前电阻率分布特征413 辅运巷 630、660 m 底板电法探测结果如图10、11 所示。从图 10、11 可以看出底板较近位置阻值较高，为采动卸压影响，底板 310 m 为低阻层，岩层分布较平稳，推测为泥岩层；12 m 以下阻值较高，岩层起伏较小。掘进面推进 30 m 后的探测结果与 630 m 基本一致。215 胶带巷 3 090 m 电法超前探测结果如图 8所示，迎头前方采动影响造成高阻区，前方 10 m 位置为应力集中区的低阻区，10 m 以后同样呈现高低起伏。215 胶带巷 3 130 m 直流电法超前探测结果如图 9 所示。由于迎头前方 2 m 内阻值很高，造成此图其余位置阻值起伏不显著，但其数值变化较大。根据 413 辅运巷 630、660 m 电法超前探测结果如图 12、13 所示。从中分析可以看出迎头较近位置受采动影响阻值较高，迎头前方电阻逐渐降低，存在应力集中的低阻区，其余位置电阻率波动幅度较小，阻值变化范围小。综合 215 辅运巷、胶带巷和413 辅运巷区域的迎头前方电阻率结果，分析可知215 巷道底板存在局部电阻变化较大区域，底板岩层稳定性低。413 辅运巷底板存在 7 m 厚度低阻区，推测为泥岩层，泥岩低渗特征能够封闭油型气，该区域内油型气涌出危险性低。图 10413 辅运巷 630 m 底板电法探测结果图 11413 辅运巷 660 m 底板电法探测结果28.222.015.89.53.310.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.05.0电阻率/（赘 m）X/m-2.5-7.5-12.5-17.5-22.5119.591.463.435.37.3电阻率/（赘 m）X/m0.0-10.0-20.0-30.0-40.0-50.0-60.0-70.0-80.0100.0 125.0 150.0 175.0 200.0 225.025.050.075.00.0X/m1.5-1.5电阻率/（赘 m）10.020.030.040.050.060.00.055.080.6106.1131.7157.2X/m1.5-1.5电阻率/（赘 m）10.020.030.040.050.060.00.075.099.4123.9148.3172.819.5316.1412.759.365.9710.0 15.0 20.0 25.030.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.05.0电阻率/（赘 m）X/m-2.5-7.5-12.5-17.5-22.524.319.214.08.93.7电阻率/（赘 m）-2.5-7.5-12.5-17.5-22.510.0 15.0 20.0 25.030.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.05.0X/m能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.41862023 年 8 月Aug.,2023（上接第 103 页）灾因素为 3 号煤层开采完毕形成的老空区积水。（2）对 9106 工作面水害进行物探得知，区域内主要积水区为工作面上部 3 号煤层积水区，积水区位于工作面走向 5001 050 m 区域范围内。（3）对 9106 工作面积水量进行钻探验证得知，工作面上部积水量较小，后半段裂隙发育较好，钻孔出水量呈初始量大、衰减速度快的规律。参考文献1李学潜.电法在煤矿水害隐蔽致灾因素探查中的应用 J.山西建筑，2022，48（15）：104-106.2刘建荣，周梓欣.准南煤田某煤矿水害隐蔽致灾因素分析 J.内蒙古煤炭经济，2022（1）：30-32.3孟海龙.矿井隐蔽致灾因素特征及探查技术研究 J.煤炭与化工，2015，38（6）：12-16.4高兴栋.山东省煤矿水害现状探讨 J.山东煤炭科技，2017（1）：100-101.5仝联合.煤矿隐蔽致灾因素的探测与防控对策 J.内蒙古煤炭经济，2015（8）：95.6雷光学.起伏地形条件下瞬变电磁法探测煤矿水害隐蔽致灾因素应用研究 D.徐州：中国矿业大学，2021.作者简介李亮（1994-），男，助理工程师，毕业于山西大同大学地质灾害防治与测量专业，主要从事地测防治水技术工作。收稿日期：2022-11-285结论（1）网络并行电法勘探技术可以对底板及巷道前方进行超前探测或动态监测，能够摸清底板及巷道前方油型气富集情况，是实现矿井地质透明化的一种有效探索，为矿区油型气精准治理实施提供了依据。（2）根据 215 辅运巷、胶带巷网络并行电法探测结果，215 巷道底板存在局部电阻变化较大区域，底板岩层稳定性低。（3）根据 413 辅运巷网络并行电法探测结果，413 辅运巷底板存在 7 m 厚度泥岩层，能够有效封闭油型气，该区域内油型气涌出危险性低。参考文献1何清立，李霄龙，王志勇.高密度电法在滑坡地质灾害勘查治理中的应用 J.工程地球物理学报，2016，13（1）：99-104.2 吴超凡，邱占林，杨胜伦，等.网络并行电法与传统电法超前探测效果对比 J.物探与化探，2015，39（1）：136-140.3 禹峰，蓝天鹏，杨锋.网络并行电法在电力工程岩溶勘察中的应用 J.工程与建设，2016，30（4）：457-459.4刘向红，张平松，孙林华，等.三维直流电阻率法在水源井探测中的应用研究 J.中国地质，2012，39（5）：1421-1426.5杨海涛，温亨聪，刘宝宝.双模网络并行电法探水技术指导矿井水害防治 J.煤炭技术，2020，39（12）：110-114.作者简介曹腾飞（1995-），男，助理工程师，硕士研究生，主要从事煤矿瓦斯防治方面的工作。收稿日期：2022-12-12图 12413 辅运巷 630 m 电法超前探测结果图 13413 辅运巷 660 m 电法超前探测结果X/m1.5-1.5电阻率/（赘 m）10.020.030.040.050.060.00.040.077.8115.6153.3191.1X/m2.5-2.5电阻率/（赘 m）10.020.030.040.050.060.070.080.090.090.097.3104.7112.0119.30.0100.0能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4187