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1、采区水文地质条件探查的地球物理探测技术 冯宏 ( 煤炭科学研究总院西安分院西安7 1 0 0 5 4 ) 提高矿井安全水平，水害与瓦斯、顶板等灾害一样是主要灾害。“先抽后采、以风定产、 监测监控”的十二字方针难以改变煤矿矿难事故频发的现状，难以遏制重大特大矿难发生。众 所周知，矿难的大小不在于伤亡人数的多少，而在于发生的频度。伤亡数字仅仅取决于在场 作业的人数。如交接班、下层下组采区。促进新技术进步和普及，推动新方法应用和交流，应 该是中外、长期安全生产管理实践经验的结晶，向技术和管理要安全是根本出路。但是近年 来，随着国家煤炭行业管理的弱化，这些新技术、新方法、新工艺的推广和深人研究受到极
2、大的影响。其主要原因在每一项技术都有大的适应性、工艺参数和作业程序选择；从某种意 义上讲煤矿安全责任意识的增强，也同时抑制了对新技术尝试的勇气。发挥现有新技术的安 全保障作用，深层次地提高现有新方法的适应性，促进新技术进步和普及，推动新方法应用 和交流是当务之急。 矿井突水是导致伤亡、经济损失最大的矿难事故。相对瓦斯事故它同样发生突然、波及 面广、杀伤力强，另外突水灾害的持续时间长、复矿成本高，因此突水是矿井灾害之首。随 着“流水快流”指导思想的影响，我国东部和南部大部分矿井开采地质条件趋于复杂，地表 水、砂岩水、奥灰水和小煤窑水影响加剧；全国各矿区采场缩小、开采强度增加，导致开采 深度迅速增
3、加，平均每5 8 年采深增加6 0m ，这直接导致采区水压增大，因此矿区突水矿难 的危机与1 7 俱增，值得大家重点关注。 长期以来，我国各矿区和科研单位、院校合作，在矿井防治水技术方面形成了许多成熟 的经验和技术方法取得了很大的成就，保证了目前的煤炭生产和国家能源供应。下面就采 区水文地质条件探查的地球物理探测技术对采区防突水事故发生的作用与大家探讨。 1采区水文地质条件探测的地球物理探测的技术结构 为查清水文地质条件，在采区布置前、工作面掘进、工作面回采准备和工作面回采过程 四个生产环节，有不同的地球物理探测技术可以选择。 ( 1 ) 地面采区探测技术：高分辨三维地震勘探技术、瞬变电磁探测
4、技术、磁偶源探测技 术、频率测深探测技术、高密度电法探漫0 技术、水位监测系统、钻孔无线电波透视技术。 在地面，三维地震探测技术解决了煤系地层3 5m 的构造变化探测配台频率测深探测 技术、瞬变电磁探测技术和高密度电法探测技术初步解决了奥灰以上地层导含水条件的探测。 ( 2 ) 井下超前探测技术：井下瑞利波探测技术、直流电法探测技术、高分辨二维地震勘 探技术、地质雷达探测技术、顺煤层定向钻进技术。 在井下掘进工作面，瑞利波探测技术、直流电法探测技术、地质雷达技术等能够解决掘 一1 0 7 进头及巷道边帮3 0 5 0m 构造及含水体的超前探测。 ( 3 ) 工作面回采条件探测技术：无线电透视技
5、术、槽波地震探测技术及弹眭波C T 层析成 像技术、音频电透探测技术、原位地应力测试技术。 在井下回采工作面，无线电透视音频电透视技术等能够解决2 5 0 m 以内回采工作面内 部小构造变化和上下含水地层条件的探测。 ( 4 ) 工作面回采过程监测技术：底板突水监测技术、声发射及电磁辐射的底板监测技术、 水压自动检测技术。 在回采过程中，声发射及电磁辐射底板监测技术、应力应变检测技术、水压及渗流检测 技术等监测回采作业中的矿压、水压变化。从地质的角度确保回采作业的安全。 新的、高精度、快速的物探技术促进矿井防治水技术框架的改变，冲击着老的矿井防治 水规范，改变着数量计算和加强监测的传统认识，形
6、成先加固后开采的技术方向促进主动 出击的安全技术发展，加速着采区防突水事故发生的技术水平。 2 采区布置前的地质条件探查 在采区布置前要了解采区内的构造，以掌握煤层的连续形态，在合理布置巷道和布置尽 可能大的工作面的同时，要掌握上下围岩的水文地质条件，以便决定开采方法和工艺，在开 采前做防突水工程，布置防突水和淹井措施。 2 1 三维地震探测技术 三维地震探测技术的探测原理是：在层状沉积地质体中，通过测量相对低速的煤层对弹 性波的强反射，并跟踪强反射平面分布识别煤层不连续地质体，基于地层的弹性差异对不连 续地质体进行采矿关心的地层构造参数解释。它是目前从地面对地下采区进行高分辨构造探 测的技术
7、方法。 图1 徐州矿区张双樘矿东翼采区构造探查 如：在徐州矿区张双楼矿的东翼采区，采用高分辨三维地震勘探技术进行了构造探查，发 现了区内2 0 余条断层、煤层变薄，使该区自建矿以来第一次放出一个1 7 0 0m 的大工作面。同 1 0 8 时在其西翼对一个陷落拄进行了探查，这是用三维地震勘探技术第一次对陷落柱的构造形态 有较全面认识的探测成果，对陷落柱周围的工作面布置起到了关键作用。通过水文地质分析 和陷落柱打钻检查，该区域没有严重的导水构造。三维地震探测技术主要提供煤系地层的弹 性参数，是煤田采区地质构造探测的有效手段是水文地质条件分析的前提条件之。不但 在山东、河北，两淮和徐州等平原区取得
8、了3m 的探测精度，已成为工作面布置前必做的准 备工作。在神东沙漠、哈密戈壁、霍林河草原和平朔山区等地区都取得了理想效果。自1 9 9 6 年以来，采区三维地震探测的工作量从2 0k m 2 增加到2 0 0 2 年的14 1k m 2 。不但在有条件的开 采矿井必做，在改扩建矿井也大量采用。目前我国每年有近1 0 0 0k m 2 的探测任务，投资达5 亿多元。 2 2 电磁类探测技术 由于在沉积地层中，砂岩、灰岩含水地层有相对电阻率较低和层状展布的物性特点，且 含水程度的差异与地电阻率的变化相对应。垂向看呈显著的层状变化，水平向看呈显著的区 域变化。所以，通常采用电磁探测技术，通过测量地下
9、电性分布探查采区导含水地质条件这 种电性参数的获取是三维地震等弹性探测方法所不能及的。 瞬变电磁探测技术是基于地下低电性地质体对高频电磁场有二次散射的物理现象当地 面发射的电磁波场瞬间消失时，测量不同深度低阻体的二次场发射信号，通过接收到二次场 信号的时间分析，认识低阻体的地下空间位置。该技术方法对孤立低电性地质体的垂向分辨 能力较强，适用于解决大深度、近间距不同含水层间导连关系的探查。 磁偶源探测技术是一种磁偶极子发射、磁偶极子接受的频率测深方法。该方法基于不同 频率电磁渡穿透地层的深度不同，和对不同电性地层的穿透能力不同的规律，探测低电性含 水地层的深度和分布形态。由于采用磁偶源接受发射方
10、式，该技术特别适应于在沙丘、戈 壁、风化基岩、干旱黄土等地表高阻条件，探测3 0 0m 以浅地层的分层定厚探测精度较高。 直流电阻率法探测技术是基于电极间距增加稳定扩散电场范围扩大的物理基础，通过极 距变化测量不同深度、不同电性地质体的分布。它用来探测对中浅层含水体的探测精度较高， 在植被发育地区和地形变化较大地区使用有明显优势。高密度直流电法是一种高效、高稳定 性的直流电阻率探测方法，它通过一次测量多个电测点和自动变换发射电极从而在相同接 地和发射条件下高精度的分辨地质电性差异，保证高的解释精度。高密度直流电法和高分辨 自动电阻率法在探查2 0 0m 以上地层的导含水地质条件和1 0 0m
11、以浅的洞穴、采空区效果较 好。如果辅以瑞利波探测技术，其水平和垂直定位的解释精度会比较理想。 与地震勘探方法相比，电磁法探测技术对地表条件要求较低，对于山区、沙层、砂砾层、 厚黄土地表等地震盲区，它是极好的技术补充。电磁法的探测方法较多其探测精度、适应 性、作业成本等差异较大。在实际技术方法选择上需要较专业的基础研究，为达到探测精度， 往往需要多方法同时使用和交叉解释。以下是几种主要方法应用的探测实例。 神华集团的神东矿区在上组煤开采中存在严重的溃沙溃水现象，通过在补连塔、乌兰木 伦、活鸡兔、大柳塔等矿井采用磁偶源探测技术和高分辨自动电阻率探测技术联合勘探，有 效地探测第四系富水区分布和距煤层
12、距离，以及断层的导水情况，以便合理摆布工作面。在 图2 、图3 中，图2 为用自动电阻率法探测活鸡兔矿1 2 2 0 5 工作面切眼内侧采空区溃沙溃水通 道图。图3 为用磁偶源法探测乌兰木伦矿2 2 0 6 工作面上覆第四系等厚线图。 一1 0 9 一 磁偶源探测技术是一种磁偶极子发射、磁偶扳子接受的频率测深方法。该方法基于不同 频率电磁波穿透地层的深度不同，和对不同电性地层的穿透能力不同的规律，探测低电性含 水地层的深度和分布形态。由于采用磁偶源接受发射方式该技术特别适应于在沙丘、戈 壁、风化基岩、干旱黄土等地表高阻条件，探测3 0 0m 以浅地层的分层定厚探测精度较高。 高分辨自动电阻率探
13、测技术是基于电报间距增加稳定扩散电场范围扩大的物理基础，通 过极距变化测量不同深度、不同电性地质体的分布。它用来探测对中浅层含水体的探测精度 较高，在植被发育地区和地形变化较大地区使用有明显优势。 在阳泉矿区采用瞬变电磁场( T E M ) 技术和频率测深( C S M T ) 技术对二矿东翼日伪老 五矿采空区的积水边界进行了探测，确定了2 0 世纪三四十年代房柱式开采边界和采空区水的 浸晕区边界，为在该区安全布置出两个工作面提供了关键地质资料。瞬变电磁场法与频率测 深法结合是对3 0 0m 以下1 2 0 0m 以上中深层含导水条件探测的有效方法，在确定断层导含 水性和地层相对含水分布方面有
14、良好效果。 在河北金牛能源公司东庞矿9 1 0 2 工作面采用 直流电法探测含水的小煤窑采空区( 采空区平面图 见图4 ) 。矿方在9 1 0 2 皮带下山迎头密闭墙位置对 9 1 0 2 面开口1 5 0m 范围进行了超前钻探验证，共施 工1 1 孔，至物探圈定的第一号采空区时，钻出水并 围2 神华神精煤公司活鸡免矿 有部分7 L 漏风现象，水量2 8m 3 h 经水质化验是 老空水，与物探结果吻合。通过探测确认了小煤窑 越界范围最深已超过一1 5 0 标高( 埋深2 6 0m ) ，准 确圈定了采空区范围，避免了9 1 0 2 面因盲目掘进巷 道可能造成的老空区突水引发的安全事故，为正确
15、布置工作面提供了科学依据。 2 3 地震与电磁法结合的综合勘探 三维地震等弹性探测方法对煤系地层和采空区 等地质条件探测效果较好，瞬变电磁场等电磁探测 方法对煤层上下地层及构造的导含水条件的探测效 果较好。采用两方面技术结合探测，并进行综合解 释，综合解决采区的构造地质和水文地质问题，是 掌握开采基本地质条件的理想技术组合这在发达 国家已成为建井前的基础工作。 在孟加拉国巴拉普库利亚煤矿对首采区做水文 地质补勘，以解决该矿首采区突水问题。采用二维 地震探测技术和瞬变电磁法，一方面查明采区断层 囤3 神东矿区磁偶源探测成果图 分布，一方面查明煤层上下各地层的赋水情况和含 水断裂，分析地表水与煤层
16、间的导水通道，以确保 1 1 0 圈4 阳泉矿区老五矿采空区积水边界探查 矿井首采面顺利生产安全。 在黄陵矿业集团一号井三条主大巷突水时， 采用高分辨自动电阻率技术和瑞利波技术等对 3 0 9 0m 深的导水通道进行探查。发现了5 个穿 采洞逼近大巷。其中有三个洞把一较大采空区与 主出水点连通，距离较近。经间隔的排钻验证，通 道的边界准确控制在1m 范围。由于对穿采巷道 的形态和深度有了准确控制，注浆堵水工程仅用 了两个月时间，把水量从8 0 0m 3 h 降到5 0m 3 h 。 该探测成果获得陕西省煤炭工业1 9 9 6 2 0 0 0 年 十大科技成果、西安市科技成果二等奖。 高密度直流电法和高分辨自动电阻率法在探 查2 0 0m 以上地层的导含水地质条件和1 0 0m 以浅的洞穴、采空区效果较好。如果辅以瑞利波 探测技术，其水平和垂直定位的解释精度会比较 理想。 另外，在开滦集团钱家营矿业分公司等矿区， 已采用三维地震勘探技术、瞬变电磁法勘探技术 和微磁法探测技术相结合，对采区内各煤系地层
