CN104216023A

CN104216023A - 矿井掘进巷道高密度三维直流勘探方法

Info

Publication number: CN104216023A
Application number: CN201410441874.0A
Authority: CN
Inventors: 韩进; 施龙青; 牛超; 邱梅
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2014-12-17

Abstract

本发明涉及一种矿井掘进巷道高密度三维直流勘探方法，包括：步骤10，使用“M”形测线布置对具有水害突水威胁区域实施地球物理勘探；步骤20，删除受近场效应影响的数据删除；步骤30，建立与之相对应的地球物理正演模型；步骤40，根据正演模型，确定反演模型，划定低阻异常范围；步骤50，利用钻探对低阻异常范围进行验证；步骤60，根据低阻异常范围和水文地质条件，对掘进巷道水文地质情况进行综合分析，并作出评价报告。发明通过对掘进巷道进行矿井三维高密度直流电法施工，以特有的测线布置方式、电极供电、测量排列方式等，对掘进巷道进行地球物理勘探。同时利用不同类型的地球物理建模、正反演等，提高物探成果解译的准确性。

Description

矿井掘进巷道高密度三维直流勘探方法

技术领域

本发明涉及煤矿领域，特别涉及一种矿井掘进巷道高密度三维直流勘探方法。

背景技术

随着煤炭资源开采不断加大，受水害威胁区域的煤炭资源已经基本开采完毕。目前，构造发育及开采技术条件复杂区域成为煤矿采掘的主要场所，矿井开拓期间遇到的水害问题日趋严重。井下巷道掘进期间遇到的断层水、裂隙密集带水、底板灰岩水、顶板砂砾岩水、老空水等成为主要的水害类型。

目前，矿井巷道掘进超前地球物理勘探有多种方法，其中应用于煤矿超前探测的方法主要有直流电法、瞬变电磁法、瑞雷波法等，而解决水害问题的主要为电法、电磁方法。

(1)矿井直流电法属全空间电法勘探。它以岩石的电性差异为基础，在全空间条件下建场，使用全空间电场理论，处理和解释有关矿井水文地质问题。超前探测是研究掘进头前方地层电性变化规律，预测掘进头前方含、导水构造的分布和发育情况的一种井下电法探测新技术。由于采用点源三极装置进行井下数据采集工作，无穷远电极对巷道内测量电极的影响可以忽略不计，故其电场分布可近似为点电源电场。由于供电电极位于巷道中，其电场呈全空间分布，可利用全空间电场理论对数据进行分析解释。根据点电源场理论分析，点电源在均匀全空间的电力线呈射线发散，等电位面为以供电点为球心的球面，电位差则是以供电点为球心的同心球壳，球壳厚度应为测量电极间距。

请参考图1和图2，均匀介质中，当A点供电时，测量电极M、N所产生的信号是由于图中阴影部分的影响，在全空间条件下，该阴影包含供电点前后左右上下等各个方向的体积。由于阴影所包含区域的影响可以反映到MN处，显然，前方的异常信息也可以反映到MN处。

图3示出了电法勘探原理图，如图3所示，堵头内某位置的异常会使测量电位差曲线产生畸变，但该畸变在堵头内部并不能直接测量，图中虚线所示。根据电法勘探的体积效应，畸变的实质是球状等位面发生畸变，即MN所在的球壳发生变形，根据等值性原理，在掘进巷道内的测量点上也可以观测到这种变化，所不同的是幅度可能会降低，如图中实线所示。

实际上，井下三极装置探测的是勘探体积范围内包括巷道影响在内的全空间范围的岩石、构造等各种地质信息。

图4示出了矿井直流电法超前探测成果图。从图4可知，矿井直流电法优点：精度高，受干扰影响小，适合于沿井下巷道进行底板岩层富水性二维勘探。矿井直流电法超前探缺点：探测区域仅限制于测线前方，仅能对巷道前方60m有效。

(2)矿井瞬变电磁法(请参考图5至图8)是将地面瞬变电磁法应用井下，原理完全一样。瞬变电磁技术是我国上世纪末从加拿大引进，瞬变电磁法或称时间域电磁法(Timedomainelectromagneticmethods)，简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。工作时，在发射线圈中通以一定波形电流，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流，断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小，而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。由于矿井瞬变电磁的特殊适用性，其仅适用于无金属锚网支护、人为金属设备、工业电流影响下的巷道掘进超前探测。

瞬变电磁法优点：体积效应小、低阻响应灵敏、施工效率高，能穿透高阻屏蔽层，主要适用于地表中深部水文勘探工作。

缺点：抗干扰能力低，受人为设施干扰影响极大；由于关断时间存在而产生浅部勘探盲区；全空间效应依然存在，探测方向依然受接受线圈外法线方向影响；探测数据量及精度受测点密度限制，存在人为探测盲区；探测成果基于探测方向限制，仅能提交扇形成果图，其三维成图为后期简单差值处理；其对构造富水性分辨能力较差。

结合以上方法、技术的缺点和不足，本发明以直流电法为基本点，以高密度电阻率方法为技术手段，通过开发针对三维超前探测方法，解决井地球物理勘探遇到的下人为干扰多、工作环境恶劣、适应性强、目标明确、准确可靠等现实问题。同时结合水文钻探、水化学等水文地质条件综合勘探技术，对巷道掘进遇到的水害问题进行危险性评价，并提出有效的解决措施、合理的建议要求，保障矿井安全开拓。

发明内容

本发明的目的是提供一种可提高物探成果解译的准确性矿井掘进巷道高密度三维直流勘探方法。

为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供了一种矿井掘进巷道高密度三维直流勘探方法，包括：步骤10，使用“M”形测线布置对具有水害突水威胁区域实施地球物理勘探，“M”形测线中的两条测线布设于巷道两帮，一条测线布设于巷道底板中间位置，数据采集方式采用二极装置，跑极方式为连续观测；步骤20，数据采集结束后，删除受近场效应影响的数据删除，以免造成解译资料的假异常现象发生；步骤30，根据井下掘进所遇到的特殊水害类型，需要建立与之相对应的地球物理正演模型；步骤40，根据正演模型，确定反演模型类型、模型单元尺寸、反演计算方程等，并根据反演结果，对掘进巷道超前探测进行解译，划定低阻异常范围；步骤50，利用钻探对低阻异常范围进行验证，并对富水区域进行疏放水或断层破碎区域进行注浆封堵治理，查明富水区的水文地质条件；步骤60，根据低阻异常范围和水文地质条件，对掘进巷道水文地质情况进行综合分析，确定富水异常区的水源类型、与其他含水层的水力联系、突水危险性评价、突水治理措施及意见等，接触巷道掘进期间的水害威胁，并作出评价报告。

进一步地，步骤30包括：步骤31，根据掘进巷道的地层产状、岩性、地球物理性质参数建立基础模型；步骤32，根据掘进巷道遇到的水害类型，建立超前探测三维地质模型，同时确定模型中单元的尺寸。

进一步地，三维地质模型包括断层地质模型、老空水地质模型、小型背斜构造地质模型、底板灰岩岩溶地质模型等。

进一步地，步骤40中，根据基于最小二乘法的圆滑约束反演理论确定反演结果。

进一步地，基础模型的参数包括拘谨巷道顶底板地层倾角、厚度、走向、电阻率范围，巷道走向及巷道尺寸。

发明通过对掘进巷道进行矿井三维高密度直流电法施工，以特有的测线布置方式、电极供电、测量排列方式等，对掘进巷道进行地球物理勘探。同时利用不同类型的地球物理建模、正反演等，提高物探成果解译的准确性，并指导水文钻探施工，是对矿井掘进巷道超前探测的有效物探技术手段。

附图说明

图1是点电源电位及电力线分布图；

图2是点电源球壳原理图；

图3是电法勘探原理示意图；

图4是矿井直流电法超前探测成果图；

图5是巷道掘进头TEM超前探测装置方式；

图6是+30°瞬变电磁超前探测扇面图；

图7是0°瞬变电磁超前探测扇面图；

图8是-30°瞬变电磁超前探测扇面图；

图9是井下掘进巷道三维高密度探测测线布置示意图；

图10是井下掘进巷道断层模型示意图；

图11是井下掘进巷道三维高密度探测等电位线分布示意图；

图12是井下掘进巷道三维高密度探测正反演物理模型网格划分示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

巷道掘进时，若遇到涌水量突然变大时，应停止掘进，根据地质条件分析掘进巷道水文地质条件并实施地球物理勘探；或根据采掘工程布置，掘进前方需穿越断层、构造复杂区域、老空水威胁区域等具有水害突水威胁区域时，需要实施地球物理勘探。本发明中，探放水钻孔的施工是以物探成果为指导的，同时钻探成果又反馈至物探资料解释，提高物探资料解释的准确性。

请参考附图9至图12，本发明提供了一种矿井掘进巷道高密度三维直流勘探方法，包括：

步骤10，使用“M”形测线布置对具有水害突水威胁区域实施地球物理勘探，“M”形测线中的两条测线布设于巷道两帮，一条测线布设于巷道底板中间位置，数据采集方式采用二极装置，跑极方式为连续观测。

例如，请参考图9，图9中101为巷掘进迎头。物探施工可采用普通型高密度激电仪器，电缆采用集中式30芯电缆。井下掘进巷道三维高密度直流电法超前探测施工时，在掘进巷道空间内布置三条测线，其中一条掘进巷道迎头左帮测线112，巷道底板测线111，巷道掘进迎头右侧帮测线110；观测方式采用二级观测装置，其中巷道掘进迎头顶板供电电极106、巷道掘进迎头中间供电电极107、巷道掘进迎头底板供电电极108，测量电极位于三条测线上，无穷远电极分别布设于巷道后方最大位置处；数据采集滚动为连续滚动，即三个供电电极都作为三条测线使用。

步骤20，数据采集结束后，删除受近场效应影响的数据删除，以免造成解译资料的假异常现象发生，其原因是二极装置中的无穷远电极需要相对布设于供电电极、测量电极无穷远处，即OA>5OB,OM>5ON，由于井下巷道空间的限制，此条件不能完全满足。

步骤30，根据井下掘进所遇到的特殊水害类型，需要建立与之相对应的地球物理正演模型；根据矿井实际问题建立基于条件约束原理的正演模型，可减少正演计算误差。

步骤40，根据正演模型，确定反演模型类型、模型单元尺寸、反演计算方程等，并根据反演结果，对掘进巷道超前探测进行解译，划定低阻异常范围；

以图10断层模型为例，由砾岩113、粗砂岩114、泥岩115、砂质泥岩116、灰岩117、粉砂岩118、断层破碎带119组成，其中，断层破碎带的富水性为我们所要探测的主要目标。

根据直流电法勘探理论，以图11井下掘进巷道三维高密度探测等电位线分布示意图为例，根据不同供电位置时的等电位线分布特征109，确定地质模型的电阻率分布特征。

通过正演模拟，对模型内部进行单元网络划分，以图12为例，105为网格节点，104为巷道顶板，103为巷道底板，X轴为顶板方向，Y轴为侧帮方向，Z轴为探测方向。网格划分时设定在不同的方向上尺寸可调整，以减少网格数量，在允许的精度范围内减少正演计算时间；通过正演确定的地质模型，然后用观测到的视电阻率数据反演地质模型的电阻率。

步骤50，利用钻探对低阻异常范围进行验证，并对富水区域进行疏放水或断层破碎区域进行注浆封堵治理，查明富水区的水文地质条件；

步骤60，根据低阻异常范围和水文地质条件，对掘进巷道水文地质情况进行综合分析，确定富水异常区的水源类型、与其他含水层的水力联系、突水危险性评价、突水治理措施及意见等，接触巷道掘进期间的水害威胁，并作出评价报告。

例如，根据物探结果，利用钻探对异常体进行验证，同时该钻孔可以作为富水区域的疏放水钻孔或者断层破碎带的注浆孔。取得涌水水样，利用水化学手段对迎头涌水化学特征，通过与矿井其他性质的涌水对比，综合分析掘进迎头涌水水源性质、与其他含水层水力联系等水文地质条件。通过以上综合研究，对矿井掘进迎头水害威胁性进行评价，并编制评价报告，保证巷道安全掘进。

本发明中的物探成果的定性与钻探成果、水化学成果的定量综合解释了掘进巷道水害的类型、水力联系、涌水量特征、赋存状态等水文地质条件。通过综合分析以上资料，对掘进巷道水害威胁程度进行评价，并出具评价报告，保证巷道安全掘进。

优选地，步骤30包括：步骤31，根据掘进巷道的地层产状、岩性、地球物理性质参数建立基础模型；步骤32，根据掘进巷道遇到的水害类型，建立超前探测三维地质模型，同时确定模型中单元的尺寸。

优选地，三维地质模型包括断层地质模型、老空水地质模型、小型背斜构造地质模型、底板灰岩岩溶地质模型等。

优选地，步骤40中，根据基于最小二乘法的圆滑约束反演理论确定反演结果。即：

(J^TJ+uF)d＝J^Tg

其中，

F＝f_xf_x ^T+f_zf_z ^T，

f_x为水平平滑滤波，

f_z为垂直平滑滤波，

J为偏导数矩阵，

J^T为偏导数矩阵的转置矩阵，

u为阻尼系数，

d为模型扰动因子，

g为残差因子。

优选地，基础模型的参数包括拘谨巷道顶底板地层倾角、厚度、走向、电阻率范围，巷道走向及巷道尺寸。

本发明的效果是：

1、本发明使用时，通过对掘进巷道进行矿井三维高密度直流电法施工，以特有的测线布置方式、电极供电、测量排列方式等，对掘进巷道进行地球物理勘探。同时利用不同类型的地球物理建模、正反演等，提高物探成果解译的准确性，并指导水文钻探施工，是对矿井掘进巷道超前探测的有效物探技术手段。

2、本发明中包含的“物探先行、钻探验证、其他水文地质条件探查、综合分析评价”的技术路线具有指导及借鉴意义。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种矿井掘进巷道高密度三维直流勘探方法，其特征在于，包括：

步骤10，使用“M”形测线布置对具有水害突水威胁区域实施地球物理勘探，所述“M”形测线中的两条测线布设于巷道两帮，一条测线布设于巷道底板中间位置，数据采集方式采用二极装置，跑极方式为连续观测；

步骤20，数据采集结束后，删除受近场效应影响的数据删除，以免造成解译资料的假异常现象发生；

步骤30，根据井下掘进所遇到的特殊水害类型，需要建立与之相对应的地球物理正演模型；

步骤40，根据所述正演模型，确定反演模型类型、模型单元尺寸、反演计算方程等，并根据反演结果，对掘进巷道超前探测进行解译，划定低阻异常范围；

步骤50，利用钻探对所述低阻异常范围进行验证，并对富水区域进行疏放水或断层破碎区域进行注浆封堵治理，查明富水区的水文地质条件；

步骤60，根据所述低阻异常范围和所述水文地质条件，对掘进巷道水文地质情况进行综合分析，确定富水异常区的水源类型、与其他含水层的水力联系、突水危险性评价、突水治理措施及意见等，接触巷道掘进期间的水害威胁，并作出评价报告。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤30包括：

步骤31，根据掘进巷道的地层产状、岩性、地球物理性质参数建立基础模型；

步骤32，根据掘进巷道遇到的水害类型，建立超前探测三维地质模型，同时确定模型中单元的尺寸。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述三维地质模型包括断层地质模型、老空水地质模型、小型背斜构造地质模型、底板灰岩岩溶地质模型等。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤40中，根据基于最小二乘法的圆滑约束反演理论确定反演结果。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基础模型的参数包括拘谨巷道顶底板地层倾角、厚度、走向、电阻率范围，巷道走向及巷道尺寸。