CN101603419A - 一种采煤工作面顺煤层透视的矿井直流电法探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种对采煤工作面顺煤层透视的矿井直流电法探测方法。矿井直流电法主要用于巷道底板测深及迎头前方的含水构造，可以解决层位划分和富水体圈定问题；但方法的主要问题是：综采工作面宽度常常大于180m，其内部的隐伏构造难以探测。本发明采用四极AB－MN的直流电法探测装置方式，在测量过程中相对固定供电电极A、B，在另一巷道移动测量电极M、N，在AB－MN最短距离处为中轴线的两侧呈扇形扫描测量；根据电场的分布规律，使用地电成像方法计算出工作面内部的视电阻和视电阻率的分布规律；由此探测工作面煤层内部是否存在地质构造。其优点是：工作量较小、速度快、不受人为因素影响、客观性高、准确性高、属于非破坏性探测方法。

Description

一种采煤工作面顺煤层透视的矿井直流电法探测方法

技术领域

本发明属于煤矿采煤工作面地质探测技术领域，具体说是涉及一种对采煤工作面顺煤层透视的矿井直流电法探测方法，特别是能探测大宽度、工作面宽度大于180m的采煤工作面内部的煤层缺失带、含水导水地质构造的煤层透视方法。

背景技术

矿井直流电法分支方法较多，从布极方式上有对称四极、单极-偶极法及单极-单极法等；从观测方式上有测深法、剖面法和透视法，它们都以全空间电场分布理论为基础，研究不同电性层或不均匀地质体引起的异常场分布特性(即相对于均匀全空间电场分布而产生的异常场特性)，推断解释地质异常体的性质及赋存状态^[1]。

矿井直流电法主要用于巷道底板测深及迎头前方的含水构造，可以解决层位划分和富水体圈定问题。该方法的主要问题是：施工受巷道条件限制，对工作面内部煤层及其顶、底板含水构造的探测距离有限(一般在80m～100m)，而综采工作面宽度常常大于180m，其内部的隐伏构造难以探测^[1][2][3]。

目前，采煤工作面音频电穿透法^[4][5]，作为矿井直流电法的一个重要分枝是近几年发展起来并在逐步完善的新方法，其特点是主要探测采煤工作面顶底板内一定深度范围内的含水导水构造，对顶底板的低阻构造反映敏感、采集信息量和探测距离大、施工效率较高。目前该方法在生产中正在推广应用^[6][7][8]。但该方法的缺点是，对采煤工作面煤层内部的地质构造反映不敏感^[4][5][8]。

无线电波坑道透视法(又称坑透法)^[9][10]。在工作面两顺槽之间发射接收高频电磁信号，利用不同的岩矿石对高频无线电磁波(f≥0.5MHz)能量的吸收差异、构造界面对电磁波反射和折射作用，使其能量被吸收或屏蔽的原理进行解释推断^[11]。一般能探测工作面宽度小于200m(条件好时能探测200多m)的工作面内部的断层等地质构造，但是由于不同地区煤田地球物理特征不同，透视距离差别较大，该方法对不同地区探测结果较难达到满意效果；特别是工作面采长较大(大于180m)时或者煤层吸收电磁波较好时，不能探测到有效信号，无法实现透视探测工作面内部的地质构造^[12][13][14]。

引用文献：

[1]韩德品等，采煤工作面内陷落柱超前探测技术与应用[J]，煤炭学报，Vol.25Supp.2006

[2]王恩营.煤炭开采中小断层研究的几个问题[J].中国矿业，2006，8

[3]王锦祥.现代煤田地质勘探、煤矿矿井物探及测井新技术新方法实用手册[M].中国煤炭出版社，2006.

[4]韩德品，石亚丁等，井下单极-偶极直流电透视原理及解释方法[J]，煤田地质与勘探，1997，Vol25，32～34。

[5]刘志新，岳建华，刘树才.矿井直流电透视方法技术研究[J].安徽理工大学学报(自然科学版)，2003，23(3).

[6]张根良，音频电透视法在煤矿防治水中的应用[J]，河北煤炭，2007(2)，27～28。

[7]王剑峻，音频电透视在煤矿综采工作面的应用[J]，中国矿山工程，2008，Vol.37No.2，36～40。

[8]高致宏等，工作面富水区探测与矿井电法——音频电透视在工作面富水区探测中的应用效果[J]，煤田地质与勘探[J]，2002，第30卷第4期，51-54。

[9]陈兆平，无线电波透视法在矿井地质测探中的应用[J]，煤炭工程师，1996(1)，41～43.

[10]李兰亭；侯吉祥.无线电波坑透探测在大同煤田的应用研究，煤田地质与勘探，2001，29(5)，52～55.

[11]汤友谊.无线电波坑道透视构造煤的研究[J].煤炭学报，2002，27(3)：254～258.

[12]赵益晨.无线电坑道透视技术在高阳矿的应用效果，煤矿现代化，2005，(3)：34～35.

[13]张戬.坑道无线电波透视法在探测井下陷落柱中的应用.科技情报开发与经济，2006，16(19)：166～168.

[14]孙吉益，无线电波坑道透视技术地质解析的局限性[J]，河北煤炭，2008(3)，3～4。

发明内容：

为了解决目前采煤工作面较宽时及煤层屏蔽或吸收高频电磁波不能有效透视较大宽度、宽度大于180m的采煤工作面的难题，本发明提供一种采煤工作面顺煤层透视的矿井直流电法探测方法，该方法能避免煤层屏蔽人工电场，能透视宽度在180m～400m的采煤工作面内部的煤层缺失带、含水导水地质构造，预测预报采煤工作面煤层内部潜在地质构造。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种采煤工作面顺煤层透视的矿井直流电法探测方法，在工作面两顺槽布置供电电极A、B，建立特定直流电场，使该电场的电流线近似垂直于煤层层面，等电位面近似平行于煤层层位分布，测量电极M、N，顺电流线布置，基本垂直于煤层平面、置于工作面两顺槽巷道的上下界面附近测量该电场的电位差；所测得M、N两电极之间的电位差是主要来自工作面煤层内部，因此所测结果主要包含了该工作面煤层内部的地质信息；根据电场的分布规律计算出所测工作面煤层内部的地质异常分布规律。

该方法所采用的井下施工技术为：采用偶极-偶极的直流电法探测装置方式；将两个供电电极A、B和两个测量电极M、N均垂直于煤层平面并分别置于工作面两顺槽巷道的上下界面附近；在测量过程中相对固定供电电极A、B，在另一巷道移动测量电极M、N，在AB-MN最短距离处为中轴线的两侧呈扇形扫描测量；每移动一次MN，测一组参数，包括：发射点号及坐标、接收点号及坐标、MN间的电位差ΔU_MN/mV、供电电流I/mA、MN之间距L_MN/m；测量电极分别置于不同的观测点做扇形扫描测量，测量完毕后移动供电电极A、B至下一设计供电点重复以上步骤，直到测量完所有设计的观测点；然后交换AB、MN的位置按上述步骤重复测量。

供电点距选择依据：当工作面宽度大于100m时，供电点距常采用50m；当工作面宽度小于100m时，供电点距常采用20m～30m；AB供电极之连线垂直于煤层平面；

测量MN之电极距L_MN的选择依据：一般情况下，接收电极MN之间距等于巷道高度；特殊情况可根据矿井下实际的条件布置，但必须使M与N的连线垂直于煤层平面；

测量点距的选择依据：测量电极MN在扇形扫描测量过程中，每测量一次为一个测点，测点之间的距离为测量点距，根据探测分辨率的要求进行选择，测量点距一般为5m～10m。

根据电场的分布规律，使用地电成像方法计算出工作面内部的视电阻或视电阻率的分布规律，展现在工作面范围内便得到所需要的探测结果；

1)参数计算公式：视电阻：R_s＝ΔU_MN/I；视电阻率：ρ_s＝K·ΔU_MN/I，K＝4π/(1/R_AM-1/R_AN-1/R_BM+1/R_BN)，其中：ΔU_MN为MN测量点之间的电位差，I为AB之间的供电电流；

$R_{\mathrm{AM}}=\sqrt{{(X_M-X_A)}^2+{(Y_M-Y_A)}^2+{(Z_M-Z_A)}^2},$ $R_{\mathrm{AN}}=\sqrt{{(X_N-X_A)}^2+{(Y_N-Y_A)}^2+{(Z_N-Z_A)}^2},$

$R_{\mathrm{BM}}=\sqrt{{(X_M-X_B)}^2+{(Y_M-Y_B)}^2+{(Z_M-Z_B)}^2},$ $R_{\mathrm{BN}}=\sqrt{{(X_N-X_B)}^2+{(Y_N-Y_B)}^2+{(Z_N-Z_B)}^2},:$

A(X_A，Y_A，Z_A)，B(X_B，Y_B，Z_B)，M(X_M，Y_M，Z_M)，N(X_N，Y_N，Z_N)分别为各电极的坐标；

2)地电成像方法：一般借助于电位测量确定视电阻率的变化，视电阻率的变化取决于地层的非均匀性；为了描述这种非均匀性，引入局部视电阻率ρ_s(x，y)；即将所测范围在工作面平面上被划分成若干个地电单元ρ_s(x，y)；其中： $e(x,y)=[{\mathrm{\ρ}}_s(x,y)-{\mathrm{\ρ}}_s^0(x,y)]/{\mathrm{\ρ}}_s^0(x,y)$ 为各个单元的电阻率偏差；ρ_s ⁰为理论数值，ρ_s为实测数值；利用视电阻率在不同单元的偏差e(x，y)，将此非均匀性按一定规则用平面图表现出来，就是该工作面地电成像结果。

成图方式为：使用视电阻或视电阻率异常的参数，绘制工作面参数异常的平面图；表示解释结果。

本发明相对于现有技术，其优点如下：

本发明采煤工作面直流层透视探测方法，该方法属于直流电法范畴，采用直流电场探测理论。其有益效果是顺煤层透视工作面时不存在工作面内的煤层及构造屏蔽作用，也不存在盲区，能探测采煤工作面煤层内部的无煤带、含水导水构造等；经试验知探测工作面宽度最大可达400m，尤其是高阻煤层所探测的距离更大，对异常具有放大作用，便于解释。

附图说明：

图1本发明的井下施工技术的示意图；图中A、B为供电电极，M、N为测量电极；

图2本发明的工作面层透视法探测原理示意图；

图3为一具体的工作面层透视探测结果-地电成像的平面示意图。

具体实施方式

本发明采煤工作面直流层透视探测方法，该方法属于直流电法范畴，采用直流电场探测理论；其是顺煤层透视工作面时不存在工作面内的煤层及构造屏蔽作用，也不存在盲区，能探测采煤工作面煤层内部的无煤带、含水导水构造等；

参见图1、图2、一种采煤工作面顺煤层透视的矿井直流电法探测方法，在工作面两顺槽布置供电电极A、B，建立特定直流电场，使该电场的电流线近似垂直于煤层层面，等电位面近似平行于煤层层位分布，测量电极M、N，顺电流线布置，基本垂直于煤层平面、置于工作面两顺槽巷道的上下界面附近测量该电场的电位差；所测得M、N两电极之间的电位差是主要来自工作面煤层内部，因此所测结果主要包含了该工作面煤层内部的地质信息；根据电场的分布规律计算出所测工作面煤层内部的地质异常分布规律。

该方法所采用的井下施工技术为：采用偶极-偶极的直流电法探测装置方式；将两个供电电极A、B和两个测量电极M、N均垂直于煤层平面并分别置于工作面两顺槽巷道的上下界面附近；在测量过程中相对固定供电电极A、B，在另一巷道移动测量电极M、N，在AB-MN最短距离处为中轴线的两侧呈扇形扫描测量；每移动一次MN，测一组参数，包括：发射点号及坐标、接收点号及坐标、MN间的电位差ΔU_MN/mV、供电电流I/mA、MN之间距L_MN/m；测量电极分别置于不同的观测点做扇形扫描测量，测量完毕后移动供电电极A、B至下一设计供电点重复以上步骤，直到测量完所有设计的观测点；然后交换AB、MN的位置按上述步骤重复测量。

供电点距选择依据：当工作面宽度大于100m时，供电点距常采用50m；当工作面宽度小于100m时，供电点距常采用20m～30m；AB供电极之连线垂直于煤层平面。

测量MN之电极距L_MN的选择依据：一般情况下，接收电极MN之间距等于巷道高度；特殊情况可根据矿井下实际的条件布置，但必须使M与N的连线垂直于煤层平面。

测量点距的选择依据：测量电极MN在扇形扫描测量过程中，每测量一次为一个测点，测点之间的距离为测量点距，根据探测分辨率的要求进行选择，测量点距一般为5m～10m。

根据电场的分布规律，使用地电成像方法计算出工作面内部的视电阻或视电阻率的分布规律，展现在工作面范围内便得到所需要的探测结果；

1)参数计算公式：视电阻：R_s＝ΔU_MN/I；视电阻率：ρ_s＝K·ΔU_MN/I，其中，ΔU_MN为MN测量点之间的电位差，I为AB之间的供电电流；

2)地电成像方法：一般借助于电位测量确定视电阻率的变化，视电阻率的变化取决于地层的非均匀性；为了描述这种非均匀性，引入局部视电阻率ρ_s(x，y)；即将所测范围在工作面平面上被划分成若干个地电单元ρ_s(x，y)；其中： $e(x,y)=[{\mathrm{\ρ}}_s(x,y)-{\mathrm{\ρ}}_s^0(x,y)]/{\mathrm{\ρ}}_s^0(x,y)$ 为各个单元的电阻率偏差；ρ_s ⁰为理论数值，ρ_s为实测数值；利用视电阻率在不同单元的偏差e(x，y)，将此非均匀性按一定规则用平面图表现出来，就是该工作面地电成像结果。

成图方式为：使用视电阻或视电阻率异常的参数，绘制工作面参数异常的平面图；表示解释结果。

参见图3、图3为一具体的工作面层透视探测结果-地电成像的平面示意图。

A.物探设计：该工作面宽180m，在904回风巷布置110个测点，904运输巷布置109个测点，测量点距均为10m，供电点距50m。

B.测量方法：分别将两供电电极A、B置于工作面回风巷及测量电极M、N置于工作面运输巷的顶底板上，在测量过程中先相对固定A、B，在另一巷道移动M、N，呈扇形扫描测量。每移动一次MN，对供电电极AB分别测量一遍，测得一组参数(发射点号及坐标、接收点号及坐标、MN间的电位差ΔU_MN/mV、供电电流I/mA、MN之间距L_MN/m)。测点分布于以AB与MN连线垂直于巷道的轴线两侧各10个测点(共计21个)，测量完毕后，移动AB至下一设计供电点(供电点距50m)，重复以上步骤，......，直到测量完成整个工作面。

然后将AB、MN交换巷道，分别将AB置于工作面运输巷，MN置于工作面回风巷，再按上述步骤重复测量并测量完成整个工作面为止。

C.资料处理方法

根据测得的数据由公式计算出视电阻或视电阻率。通过地电成像方法计算研究工作面煤层内部的电性变化规律，可以推断工作面煤层内是否存在地质构造。

D.解释结果

根据采煤工作面的地质构造性质与电性反映的对应关系进行物探-地质解释。一般情况下，煤层缺失带呈低阻反映，断层(含水)裂隙发育带呈(明显)低阻反映。本次904工作面视电阻率低阻异常平面图显示，图中3号低阻异常带推断为煤层缺失带，左上角的低阻异常区为断层F1尖灭端的影响，右上角的低阻异常区为断层F2、F3的影响带，已被回采验证。

Claims (4)

1、一种采煤工作面顺煤层透视的矿井直流电法探测方法，其特征在于：在工作面两顺槽布置供电电极A、B，建立特定直流电场，使该电场的电流线近似垂直于煤层层面，等电位面近似平行于煤层层位分布，测量电极M、N，顺电流线布置，基本垂直于煤层平面、置于工作面两顺槽巷道的上下界面附近测量该电场的电位差；所测得M、N两电极之间的电位差是主要来自工作面煤层内部，因此所测结果主要包含了该工作面煤层内部的地质信息；根据电场的分布规律计算出所测工作面煤层内部的地质异常分布规律。

2、根据权利要求1所述的一种采煤工作面顺煤层透视的矿井直流电法探测方法，其特征在于：该方法所采用的井下施工技术为：采用偶极-偶极的直流电法探测装置方式；将两个供电电极A、B和两个测量电极M、N均垂直于煤层平面并分别置于工作面两顺槽巷道的上下界面附近；在测量过程中相对固定供电电极A、B，在另一巷道移动测量电极M、N，在AB-MN最短距离处为中轴线的两侧呈扇形扫描测量；每移动一次MN，测一组参数，包括：发射点号及坐标、接收点号及坐标、MN间的电位差ΔU_MN/mV、供电电流I/mA、MN之间距L_MN/m；测量电极分别置于不同的观测点做扇形扫描测量，测量完毕后移动供电电极A、B至下一设计供电点重复以上步骤，直到测量完所有设计的观测点；然后交换AB、MN的位置按上述步骤重复测量；

供电点距选择依据：当工作面宽度大于100m时，供电点距常采用50m；当工作面宽度小于100m时，供电点距常采用20m～30m；AB供电极之连线垂直于煤层平面；

测量MN之电极距L_MN的选择依据：一般情况下，接收电极MN之间距等于巷道高度；特殊情况可根据矿井下实际的条件布置，但必须使M与N的连线垂直于煤层平面；

测量点距的选择依据：测量电极MN在扇形扫描测量过程中，每测量一次为一个测点，测点之间的距离为测量点距，根据探测分辨率的要求进行选择，测量点距一般为5m～10m。

3、根据权利要求1或2所述的一种采煤工作面顺煤层透视的矿井直流电法探测方法，其特征在于：

根据电场的分布规律，使用地电成像方法计算出工作面内部的视电阻或视电阻率的分布规律，展现在工作面范围内便得到所需要的探测结果；

1)参数计算公式：视电阻：R_s＝ΔU_MN/I；视电阻率：ρ_s＝K·ΔU_MN/I，K＝4π/(1/R_AM-1/R_AN-1/R_BM+1/R_BN)，其中：ΔU_MN为MN测量点之间的电位差，I为AB之间的供电电流；

$R_{\mathrm{AM}}=\sqrt{{(X_M-X_A)}^2+{(Y_M-Y_A)}^2+{(Z_M-Z_A)}^2},$ $R_{\mathrm{AN}}=\sqrt{{(X_N-X_A)}^2+{(Y_N-Y_A)}^2+{(Z_N-Z_A)}^2},$

$R_{\mathrm{BM}}=\sqrt{{(X_M-X_B)}^2+{(Y_M-Y_B)}^2+{(Z_M-Z_B)}^2},$ $R_{\mathrm{BN}}=\sqrt{{(X_N-X_B)}^2+{(Y_N-Y_B)}^2+{(Z_N-Z_B)}^2},$

A(X_A，Y_A，Z_A)，B(X_B，Y_B，Z_B)，M(X_M，Y_M，Z_M)，N(X_N，Y_N，Z_N)分别为各电极的坐标；

2)地电成像方法：一般借助于电位测量确定视电阻率的变化，视电阻率的变化取决于地层的非均匀性；为了描述这种非均匀性，引入局部视电阻率ρ_s(x，y)；即将所测范围在工作面平面上被划分成若干个地电单元ρ_s(x，y)；其中： $e(x,y)=[{\mathrm{\ρ}}_s(x,y)-{\mathrm{\ρ}}_s^0(x,y)]/{\mathrm{\ρ}}_s^0(x,y)$ 为各个单元的电阻率偏差；ρ_s ⁰为理论数值，ρ_s为实测数值；利用视电阻率在不同单元的偏差e(x，y)，将此非均匀性按一定规则用平面图表现出来，就是该工作面地电成像结果。

4、根据权利要求3所述的一种采煤工作面顺煤层透视的矿井直流电法探测方法，其特征在于：所述的成图方式为：使用视电阻或视电阻率异常的参数，绘制工作面参数异常的平面图；表示解释结果。

Images