CN104265371B - 一种煤矿工作面防治水的水害探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿工作面防治水技术领域，具体涉及一种煤矿工作面防治水的水害探测方法。其利用工作面运输巷、回风巷、切眼、探/放水钻孔和瓦斯抽放钻孔以及对采区进行分区布设的分区边界钻孔布置测线，通过巷道发射‑跨巷接收、巷道发射‑孔中接收、孔中发射‑巷道接收、孔中发射‑跨孔接收等孔‑巷联合的探测方法，在发射电极中输入音频电磁信号并用接收电极采集电位差数据，采用层析成像或三维反演的办法对观测数据进行处理解释。本发明实现了真正意义上的煤矿井下三维电磁数据采集，可准确查明工作面内部及顶/底板各类隐伏含/导水构造的空间位置、发育规模和展布形态等信息，为工作面水害防治提供了有力的技术支撑。

Description

一种煤矿工作面防治水的水害探测方法

一、技术领域：

本发明涉及煤矿工作面防治水技术领域，具体涉及一种煤矿工作面防治水的水害探测方法，其可探测煤矿井下工作面内部及顶/底板含/导水构造的空间位置、发育规模以及展布形态等的三维电磁法观测系统。

二、背景技术：

尽管受到环境保护压力和清洁能源冲击等因素的影响，煤炭在我国能源结构中依旧占据主导地位，最新统计数据显示，2013年煤炭占我国能源消费比重为67%。我国浅部煤炭资源的开发已难以满足当前国民经济迅速发展的需求，地下资源的勘探、开采逐渐向深部延拓，这不但对各种地球物理勘探方法提出了更高的要求，由此导致的各类矿井安全问题也日益突出，特别是煤矿工作面透水事故，近几年频频在媒体报道中出现，造成巨大的生命和财产损失。为了满足矿井地质安全保障的迫切需求，预防和减少各类矿井地质灾害的发生，在开采前期查明工作面内部及顶/底板隐伏的灾害性地质构造，如采空区、陷落柱、断层以及裂隙密集带等含/导水构造，成为当前矿井物探亟需解决的关键问题。

开展矿井物探，可利用井下巷道、钻孔等条件实施测量，与地面勘探相比更接近深部的灾害性地质体。矿井电法根据异常地质体与围岩间的电性差异来探测识别异常区域，与其他物探方法相比，在探测表现出低阻特性的含/导水构造时具有独特优势。矿井直流电法在理论上相对成熟，应用中发展出了电测深、电剖面、电透视以及超前探测等多种观测方式，是目前矿井水害探测方法中应用时间较长并且准确率相对较高的一种物探方法。矿井瞬变电磁法以其施工效率高、具有方向性等特点在煤矿井下水害探测中得到大力推广，然而该方法的处理解释手段主要移植地面瞬变电磁，尚未发展出一套完全适应井下条件的数据解释技术。以上矿井电法主要在井下巷道中展开，由于可利用的空间有限，对电法观测方式本身构成了较大的制约，不能像地面勘探那样实施高密度观测，导致数据采集密度较低且无法获得三维的观测数据。鉴于上述原因，矿井电法目前在应用中多数依旧采用二维的剖面解释法，难以对各类隐伏含/导水构造的空间位置、发育规模和展布形态等信息给出全方位的立体解释。

反演方法是从观测数据中获取异常体综合信息最为有效的手段之一，而实现矿井电法三维反演的前提是能够获取有效的三维观测数据。由于防治水和瓦斯治理的要求，煤矿井下布有一定数量的探/放水钻孔和瓦斯抽放钻孔，借助这些钻孔开展孔中探测、孔间探测以及孔-巷联合探测，再结合巷道探测，使三维观测数据的获取成为可能。

三、发明内容：

本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种煤矿工作面防治水的水害探测方法，其可实现对工作面内部及顶/底板断层、裂隙带及陷落柱等各类隐伏含/导水构造的空间位置、发育规模和展布形态等信息的精细探测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种煤矿工作面防治水的水害探测方法，其特征在于：所述的探测方法为：

1）根据需要实施三维电磁法探测的采区实际地质情况绘制等比例缩小的采区工作面平面图，图中内容包括运输巷、回风巷、切眼、探水钻孔、放水钻孔、瓦斯抽放钻孔的信息；

2）统计探测区域内探水钻孔、放水钻孔和瓦斯抽放钻孔的数量和钻孔位置，若巷道内钻孔密度稀疏，则借助井下钻机补充钻孔，保证同一巷道内相邻钻孔的最大间距不超过50m，每个钻孔垂向深度不小于30m；

3）沿工作面推进方向以工作面长度为单位对采区进行分区，在区域分界处布置贯通运输巷和回风巷的水平钻孔；

4）在运输巷、回风巷、切眼及钻孔内布置测线，每一条测线上的电极均等间距布置，极距在10m至50m之间选择；测线一次性布置，或者先布置一个分区、完成测量后再布置下一个分区；

5）对每一条测线上的每一个电极按照“测线编号-电极编号”的方式进行编号，按顺序记录每个电极的编号及对应的坐标位置；

6）以采区分区为一个工作单位，在运输巷或回风巷内布置音频电磁信号发射机，在另一巷道内布置电压信号接收机；采用偶极供电-偶极接收的工作方式，将音频电磁信号发射机所在巷道一侧的巷道内及钻孔中的电极作为发射电极，其余巷道内及钻孔中的电极均作为接收电极；

7）从发射电极中选取一对相邻电极供入音频电磁信号，依次采集相邻接收电极的电位差数据，直至所有相邻接收电极均采集完毕，逐点记录发射电极和接收电极的坐标位置及对应的频率和电位差；对每一对相邻发射电极均执行一遍上述的数据采集过程，整个过程中保持输入电磁信号的频率固定不变；若需采集多个频率的数据，在更改输入信号频率后，重复上述测量过程即可；

8）保持音频电磁信号发射机和电压信号接收机位置不变，将分区边界其中一个水平钻孔中的电极作为发射电极，其余巷道内及钻孔中的电极均作为接收电极，重复步骤（7）中的数据采集过程；再将另一个水平钻孔中的电极作为发射电极，其余巷道内及钻孔中的电极均作为接收电极，重复步骤（7）中的数据采集过程；

9）交换音频电磁信号发射机和电压信号接收机位置，采用偶极供电-偶极接收的工作方式，将音频电磁信号发射机所在巷道一侧的巷道内及钻孔中的电极作为发射电极，其余巷道内及钻孔中的电极均作为接收电极；重复步骤（7）数据采集过程；

10）移至下一个分区，重复步骤（6）、（7）、（8）、（9），直至所有分区均完成数据采集；

11）采用层析成像或三维反演的方法对观测数据进行处理，并对处理结果进行三维可视化显示，实现工作面内部及顶板、底板断层、裂隙带及陷落柱隐伏含水、导水构造的空间位置、发育规模和展布形态的立体解释。

所述的步骤（6）、（8）、（9），数据采集的顺序可以互换，即可以先在作为分区边界的水平钻孔中展开数据采集，也可以先在巷道和其它钻孔中展开数据采集。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：本发明方法采用的偶极供电-偶极接收的工作方式，还可以是单极供电-单极接收、单极供电-偶极接收或偶极供电-单极接收等可能的电极组合收发工作方式。

本发明通过孔-巷联合的探测方法，包括巷道发射-跨巷接收、巷道发射-孔中接收、孔中发射-巷道接收、孔中发射-跨孔接收等观测方式，实现了真正意义上的井下三维电磁法观测，可准确查明工作面内部及顶/底板各类隐伏含/导水构造的空间位置、发育规模和展布形态等信息，预防工作面水害的发生，为工作面水害的有效治理提供有力的技术支撑。

四、附图说明：

图1为采区工作面及分区平面示意图。

图2 为工作面分区底板测线布置及工作方式示意图。

1——运输巷，2——回风巷，3——切眼，4——探/放水钻孔和瓦斯抽采钻孔，5——分区边界水平钻孔，6——采区分区，7——运输巷测线，8——回风巷测线，9——分区边界测线， 10——探/放水钻孔和瓦斯抽采钻孔测线。

五、具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：

一种煤矿工作面防治水的水害探测方法：

1）根据需要实施三维电磁法探测的采区实际地质情况绘制等比例缩小的采区工作面平面图，图中内容包括运输巷、回风巷、切眼、探水钻孔、放水钻孔、瓦斯抽放钻孔的信息；

2）统计探测区域内探水钻孔、放水钻孔和瓦斯抽放钻孔的数量和钻孔位置，若巷道内钻孔密度稀疏，则借助井下钻机补充钻孔，保证同一巷道内相邻钻孔的最大间距不超过50m，每个钻孔垂向深度不小于30m；

3）沿工作面推进方向以工作面长度为单位对采区进行分区，在区域分界处布置贯通运输巷和回风巷的水平钻孔；

4）在运输巷、回风巷、切眼及钻孔内布置测线，每一条测线上的电极均等间距布置，极距在10m至50m之间选择；测线一次性布置，或者先布置一个分区、完成测量后再布置下一个分区；

5）对每一条测线上的每一个电极按照“测线编号-电极编号”的方式进行编号，按顺序记录每个电极的编号及对应的坐标位置；

6）以采区分区为一个工作单位，在运输巷或回风巷内布置音频电磁信号发射机，在另一巷道内布置电压信号接收机；采用偶极供电-偶极接收的工作方式，将音频电磁信号发射机所在巷道一侧的巷道内及钻孔中的电极作为发射电极，其余巷道内及钻孔中的电极均作为接收电极；

7）从发射电极中选取一对相邻电极供入音频电磁信号，依次采集相邻接收电极的电位差数据，直至所有相邻接收电极均采集完毕，逐点记录发射电极和接收电极的坐标位置及对应的频率和电位差；对每一对相邻发射电极均执行一遍上述的数据采集过程，整个过程中保持输入电磁信号的频率固定不变；若需采集多个频率的数据，在更改输入信号频率后，重复上述测量过程；

8）保持音频电磁信号发射机和电压信号接收机位置不变，将分区边界其中一个水平钻孔中的电极作为发射电极，其余巷道内及钻孔中的电极均作为接收电极，重复步骤（7）中的数据采集过程；再将另一个水平钻孔中的电极作为发射电极，其余巷道内及钻孔中的电极均作为接收电极，重复步骤（7）中的数据采集过程；

9）交换音频电磁信号发射机和电压信号接收机位置，采用偶极供电-偶极接收的工作方式，将音频电磁信号发射机所在巷道一侧的巷道内及钻孔中的电极作为发射电极，其余巷道内及钻孔中的电极均作为接收电极；重复步骤（7）数据采集过程；

10）移至下一个分区，重复步骤（6）、（7）、（8）、（9），直至所有分区均完成数据采集；

11）采用层析成像或三维反演的方法对观测数据进行处理，并对处理结果进行三维可视化显示，实现工作面内部及顶板、底板断层、裂隙带及陷落柱隐伏含水、导水构造的空间位置、发育规模和展布形态的立体解释。

根据需实施三维电磁法探测的采区实际地质情况绘制等比例缩小的采区工作面平面图，如图1所示，图中内容包括运输巷1、回风巷2、切眼3、探/放水钻孔和瓦斯抽放钻孔4等信息。统计探测区域内探/放水钻孔和瓦斯抽放钻孔4的数量和钻孔位置，若钻孔密度稀疏，则借助井下钻机补充钻孔，保证同一巷道内顶/底板相邻孔的最大间距不超过50m，每个钻孔垂向深度不小于30m。在工作面平面图上按照从左至右的顺序分别对各巷道内的钻孔进行编号，运输巷1钻孔编号依次为yz1、yz2、…、yzn，回风巷2钻孔编号依次为hz1、hz2、…、hzn。沿工作面推进方向以工作面长度为单位对采区进行分区，如图1所示，在区域分界处布置贯通运输巷和回风巷的分区边界水平钻孔5。

以工作面底板水害探测为例，详细描述本发明的具体实施方式。在运输巷1底板、回风巷2底板、切眼3、探/放水钻孔和瓦斯抽采钻孔4、分区边界水平钻孔5内布置测线，如图2所示，每一条测线上的电极均等间距布置，极距可在10m至50m之间选择，具体极距大小由目标异常体的尺寸大小决定，测线可以一次性布置，也可以先布置一个分区、完成测量后再布置下一个分区。对每一条测线进行编号，运输巷测线7编号为y1，回风巷测线8编号为h1，分区边界测线9从左至右编号依次为q1、q2，探/放水钻孔和瓦斯抽采钻孔测线10编号与探/放水钻孔和瓦斯抽采钻孔4编号相同。对每一条测线上的每一个电极按照“测线编号-电极编号”的方式进行编号，其中电极编号从测线起始位置开始依次为1、2、…、n，按顺序记录每个电极的编号及对应的坐标位置。

以采区分区6为一个工作单位，在回风巷2内布置音频电磁信号发射机，在运输巷1内布置电压信号接收机。采用偶极供电-偶极接收的工作方式，如图2所示，将回风巷测线h1和回风巷钻孔测线hz1、hz2、…、hzn上的电极作为发射电极，其余测线y1、q1、q2、yz1、yz2、…、yzn上的电极均作为接收电极。对h1测线上编号为h1-1和h1-2的相邻发射电极AB供入音频电磁信号；从y1测线上编号为y1-1和y1-2的相邻接收电极MN开始，采集电位差数据，按图2中箭头所示方向移动MN的位置，每次移动距离为一个极距，直至y1测线上的相邻接收电极y1-2和y1-3、y1-3和y1-4、…、y1-(n-1)和y1-n均采集完毕；移至测线q1，依次采集相邻接收电极q1-1和q1-2、q1-2和q1-3、…、q1-(n-1)和q1-n的电位差数据；按照上述规律，逐次完成剩余测线q2、yz1、yz2、…、yzn的数据采集；采集过程中，逐点记录发射电极和接收电极的坐标位置及对应的发射频率和电位差。切断输入信号，发射电极AB按图2中箭头所示方向移动至h1-2和h1-3位置，再次输入同样频率的音频电磁信号，完成一遍上述的数据采集过程。对测线h1、hz1、hz2、…、hzn上的每一对相邻发射电极均执行一遍上述的数据采集过程。整个测量过程中保持输入电磁信号的频率固定不变，若需采集多个频率的数据，可在更改输入频率后，重复上述测量过程。

保持发射机和接收机位置不变，将分区边界测线q1上的电极作为发射电极，其余测线y1、h1、q2、yz1、yz2、…、yzn、hz1、hz2、…、hzn上的电极均作为接收电极，完成数据采集。再将分区边界测线q2上的电极作为发射电极，其余测线y1、h1、q1、yz1、yz2、…、yzn、hz1、hz2、…、hzn上的电极均作为接收电极，完成数据采集。交换发射机和接收机位置，将运输巷测线y1和运输巷钻孔测线yz1、yz2、…、yzn上的电极作为发射电极，其余测线h1、q1、q2、hz1、hz2、…、hzn上的电极均作为接收电极，完成数据采集。以上数据采集过程，顺序可互换，即可先在作为分区边界的水平钻孔中展开数据采集，也可以先在巷道和其它钻孔中展开数据采集。

上述过程中，每个电极既可以作为发射电极，也可以作为接收电极；发射电极和接收电极始终位于不同的测线上；任意一组发射电极和接收电极之间的连线总是会穿过工作面内部或工作面顶/底板上/下方的空间。完成一个分区的数据采集之后，移至下一个分区，完成数据采集，直至所有分区数据均采集完毕。采用层析成像或三维反演的办法对观测数据进行处理，并对处理结果进行三维可视化显示，实现工作面底板断层、裂隙带及陷落柱等各类隐伏含/导水构造的空间位置、发育规模和展布形态等的立体解释。

工作面内部及顶板的水害探测具体实施方式与底板探测相同，不做重复说明。

本发明采用单极供电-单极接收、单极供电-偶极接收或偶极供电-单极接收等可能的电极组合收发工作方式时，需要在单极供电或单极接收时在距离发射电极或接收电极足够远的地方布置接地电极，整个数据采集过程与偶极供电-偶极接收工作方式相同。

Claims (1)

1.一种煤矿工作面防治水的水害探测方法，其特征在于：所述的探测方法为：

1）根据需要实施三维电磁法探测的采区实际地质情况绘制等比例缩小的采区工作面平面图，图中内容包括运输巷、回风巷、切眼、探水钻孔、放水钻孔、瓦斯抽放钻孔的信息；

2）统计探测区域内探水钻孔、放水钻孔和瓦斯抽放钻孔的数量和钻孔位置，若巷道内钻孔密度稀疏，则借助井下钻机补充钻孔，保证同一巷道内相邻钻孔的最大间距不超过50m，每个钻孔垂向深度不小于30m；

3）沿工作面推进方向以工作面长度为单位对采区进行分区，在区域分界处布置贯通运输巷和回风巷的水平钻孔；

4）在运输巷、回风巷、切眼及钻孔内布置测线，每一条测线上的电极均等间距布置，极距在10m至50m之间选择；测线一次性布置，或者先布置一个分区、完成测量后再布置下一个分区；

5）对每一条测线上的每一个电极按照“测线编号-电极编号”的方式进行编号，按顺序记录每个电极的编号及对应的坐标位置；

6）以采区分区为一个工作单位，在运输巷或回风巷内布置音频电磁信号发射机，在另一巷道内布置电压信号接收机；采用偶极供电-偶极接收的工作方式，将音频电磁信号发射机所在巷道一侧的巷道内及钻孔中的电极作为发射电极，其余巷道内及钻孔中的电极均作为接收电极；

7）从发射电极中选取一对相邻电极供入音频电磁信号，依次采集相邻接收电极的电位差数据，直至所有相邻接收电极均采集完毕，逐点记录发射电极和接收电极的坐标位置及对应的频率和电位差；对每一对相邻发射电极均执行一遍上述的数据采集过程，整个过程中保持输入电磁信号的频率固定不变；若需采集多个频率的数据，在更改输入信号频率后，重复上述测量过程即可；

8）保持音频电磁信号发射机和电压信号接收机位置不变，将分区边界其中一个水平钻孔中的电极作为发射电极，其余巷道内及钻孔中的电极均作为接收电极，重复步骤（7）中的数据采集过程；再将另一个水平钻孔中的电极作为发射电极，其余巷道内及钻孔中的电极均作为接收电极，重复步骤（7）中的数据采集过程；

9）交换音频电磁信号发射机和电压信号接收机位置，采用偶极供电-偶极接收的工作方式，将音频电磁信号发射机所在巷道一侧的巷道内及钻孔中的电极作为发射电极，其余巷道内及钻孔中的电极均作为接收电极；重复步骤（7）数据采集过程；

10）移至下一个分区，重复步骤（6）、（7）、（8）、（9），直至所有分区均完成数据采集；

11）采用层析成像或三维反演的方法对观测数据进行处理，并对处理结果进行三维可视化显示，实现工作面内部及顶板、底板断层、裂隙带及陷落柱隐伏含水、导水构造的空间位置、发育规模和展布形态的立体解释。