高分辨电阻率法在煤矿超前探测中的应用_张军
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收稿日期 :2011 -02 -11 作者简介 :张 军 (1981— ), 男 , 陕西 西 安人 , 助 理工 程 师 , 硕 士 , 2009 年毕业于长安大学 , 现从事电磁探测技术研究工作 。
Hale Waihona Puke Baidu
集数据和解释范围上有所不同 , 高分辨电阻率法解 释范围为电极测线所控制区域内的地质异常 , 而超 前电法探测关心的是巷道前方的地质异常 。 因此 , 地面高分辨电阻率法的应用完全可以用于井下全空 间地质异常探测 。
Abstract:Asakindofprospectingtechnologywithhighprecision, goodeconomicalefficiencyandpracticalapplicability, high-resolution resistivitymethodisanimportantmeansusingtosurveyminehydrogeology.Thispaperelaboratedbasicprinciplesofhigh-resolutionresistivity.Combinedwiththespecificexample, roadwaygeologicalanomaliessurveyusinghighresolutionresistivitymethodwasintroduced.Theresultsshowthat, thedetectionisaccurate, reliableandaffordable. Keywords:high-resolutionresistivitymethod;advanceddetection;three-pole;waterpreventionandcontrol
ApplicationofHigh-resolutionResistivityMethodinAdvancedDetectionofCoalMine
ZhangJun1 , ZhaoYing2 , WuDi1
(1.Xi′anResearchInstituteofCCTEGCorp, Xi′an 710054, China; 2.Xi′anDadiSurveyingMappingProjectCo., Ltd., Xi′an 710054, China)
煤矿水文条件直接关系到矿井的安全生产和经 济效益 , 通过物探方法可提前探明掘进前方一定范 围内地层中水的范围和位置 , 为煤矿防治水提供依 据 , 从而减少和避免水溃事故的发生 。目前 , 随着我 国物探技术测量精度和信息处理速度的提高 , 高分 辨电阻率方法作为一种精度高 、经济实用的探测技 术 , 已成为探测矿井水文地质的重要手段 。
参考文献 :
[ 1] 孔祥元 , 郭际明 , 刘宗泉 .大地测 量学基 础 [ M] .武汉 :武汉大 学出版社 , 2001.
[ 2] 李征航 , 黄劲松 .GPS测量与数 据处理 [ M] .武汉 :武 汉大学出 版社 , 2005.
[ 3] 李青岳 .工程测量学 [ M] .北京 :测绘出版社 , 1984.
1 基本原理
地面高分辨电阻率法采用单极 —偶极装置 , 在 均匀半空间里 , 以电极为中心形成不同的半球状等 位面 , 电位的变化反映了相应地下等位面所构成的 薄壳层里的异常体 。 由不同位置的电流电极供电 , 在相应电 位电极 观测 , 可确 定异 常体 的位置 和大 小 [ 1-2] 。
巷道高分辨电阻率法超前探测的理论基础和观 测装置与地面高分辨电阻率法基本一致 , 只是在采
矿井高分辨电阻率法属于全空间电法勘探 , 它 以岩石的电性差异为基础 , 该方法供电电极位于巷 道中 , 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 [ 4] 。 超 前探测是研究掘进面前方含水 、导水构造的分布和
图 1 超前探测几何交汇原理
图 1利用 3条测深曲线确定孤立地质异常体的 位置 。 根据等值壳层反映异常的原则 , 以电流电极 为圆心 , 以发生电位异常的电位电极到电流电极的 距离为半径画弧 , 弧线在巷道前方交汇的影像就是 所要探查的异常体 。
根据电场球壳原理 , 任意等半径球面上的电位 是相等的 , 2个等位面上的点 M、N之间形成电位差 ΔUMN, 利用发射电流可计算出 MN球环上的视电阻 率 。通过在巷道掘进面后方布置电极 , 从而可探测 出掘进面前方的异常情况 , 其工作原理如图 2所示 。
一的 1954北京坐标系统 。 即在 3°带 投影基础上 , 建立 C级 GPS控制网 , 再根据需要 , 解算各地转换 参数 , 最终完成 1954北京坐标系向 1980西安坐标 系的转换 。
(2)在统一坐标系统的基 础上 , 搜集各地区的 现有控制资料 , 经过检核后 , 利用 GPS评差软件 , 结 合投影带的划分标准 , 设置不同的中央子午线 111° 和 114°, 按 3°带投影 , 分别求出各个区域相应的控 制点平面直角坐标[ 3] , 带号分别为 “37”和 “38”。
(责任编辑 :梁郁鑫 )
(上接第 26页 ) 由图 4可知 :①工作面前 方探测区域内出现 2
处异常区, 1号异常区位于工作面前方 54 ～ 57 m 处 , 2号异常区位于工作面前方 74 ～ 77 m处 , 可能 为含水段 ;②两处异常区宽度均为 3 m左右 , 1号异 常区幅值相对较小 , 推断 1 号异常区工作面前方存 在裂隙发育带 , 富水性相对较弱 。 2号异常区幅值 相对较大 , 推断异常区段存在裂隙发育或岩性变化 , 裂隙发育区岩层相对富水 , 富水性相对较强 。 其余 段视电阻率相对较高 , 且较为均一 , 可能为煤层段 、 全岩段或煤岩交互段 。
不同岩性的地层具有不同的导电性能 , 即不同 地层具有不同的视电阻率 。对于煤系地层 , 横向上 , 由于煤系地层的层状分布 , 其导电性相对均一 ;纵向
· 26·
电阻率的变化规律基本一致 。横向上 , 导电性含水 性好 , 与围岩有明显的电性差异 。 煤系地层这种重 要特性 , 使得高分辨电阻率法在这些地区应用 , 可取 得较好的使用效果 。 2.2 施工区地质概况与地电特征
图 4 超前探测成果示意
根据超前探测解释成果 , 建议 :通过 1 号 、2号 异常区段时进行钻探验证确定其异常性质 , 并加强 地质水文观测工作 。在上述推断位置 , 经钻探及掘 进证实 , 推断结果正确 。 此次高分辨电阻率法探查 异常全部得到了验证 , 地质效果十分显著 , 不仅节省 了时间 , 而且降低了勘察费用 , 探查结果对煤矿巷道
(3)逐渐规范采矿证坐标系统 。 按照煤矿测量 相关要求 , 结合实地测量结果 , 对原有采矿证批复坐 标不合理的提出申请 , 建立统一坐标系 , 统一投影带 划分标准 , 报上级管理部门协商解决 。
4 结语
由于义煤集团兼并重组煤矿数量多 、分布范围 广 , 而且原来地方煤矿测量基础差 , 资料缺失严重 , 数据不准确 , 影响兼并重组工作的顺利进行 。 通过
(1)探测巷道的掘进长度一般情况下要大于 60 m, 如果巷道掘进过程中起伏较大 , 那么将影响探测 精度 。
(2)发射电极 、接收电极要尽 量布置在一条直 线上 , 尽量避开水体 、铁器等物体 。 2.4 施工布置
超前探测前方含水异常方法为 “三点点源法 ”, 即首先布置第 1个供电电极 A1 ;然后在第 1个电极 后方同一直线上等间距布置第 2个 A2 、第 3个电极 A3 , 形成 3个供电点 , 测量供电电极 A1 , A2 , A3 间距 为 4 m, A1 距掘进面 14 m;另外再布置无穷远电极 B 和接收电极 M、N, 接收电极间距为 4 m, 探 测距离 104 m, 如图 3所示 。 具体施工时供电电极 、无穷远 电极及仪器均不动 , 接收电极 M、N根据设计的观测 系统由仪器自动切换 。
实地测量和分析研究 , 可以解决许多兼并重组矿井 的测量问题 :①建立统一坐标系统 , 便于管理 , 便于 查找矿井对应位置关系以及确定与大中型矿井的相 对位置关系 ;②分区处理成果 , 建立不同区域的分带 成果 , 提高各区内部相对精度 , 保证生产与安全措施 的顺利实施 ;③根据不同区域的起算成果 , 实现了高 精度的跨带计算及不同椭球之间的坐标换算 , 解决 了不同区域不同椭球参数成果统一应用的难题 ;④ 绘制了高精度的采掘工程平面图及井上下对照图 , 满足了矿井信息化管理要求 。
· 25·
2011年第 5期 中州煤炭 总第 185期
发育情况以及地层电性变化规律的一种井下电法探 测技术 。为了达到超前探测的目的 , 采用 3 个供电 极交替供电分别测量的方式 , 利用几何交汇的原理 (图 1)进行探测 , 这种方法可以消除顶板 、底板和后 方的影响 , 反映巷道掘进面前方的地质异常 , 达到超 前探测的目的 。
图 2 超前探测原理示意
2 应用实例
某工作面轨道巷 , 由于岩层部分主要为砂质泥 岩和粉砂岩 , 为低电阻率特征 , 而煤层为相对高电阻 率特征 , 可以选用电法勘探来查明全岩段的展布情 况 。为查清主要含水 、导水构造的分布规律 , 评价掘 进面前方富水性及裂隙含水性情况 , 预测潜在导水 通道 , 采用高分辨电阻率法进行井下数据采集工作 。 2.1 地质及地球物理前提
图 3 轨道上山超前探测施工布置及成果解释示意
2.5 探测结果分析
由探测结果 (图 4)可见 , 煤层段及全岩段表现
为高视电阻率区 。 图 4 中 54 ～ 57 m处 , 74 ～ 77 m
处段为视电阻率最低区段 。
(下转第 41页 )
2011年第 5期 王文良等 :兼并重组煤矿测量工作存在问题及解决方案 总第 185期
摘要 :高分辨电阻率方法作 为一种精度高 、经济实用的 探测技术 , 已成为 探测矿井水 文地质的 重要手 段 。 阐 述了高分辨电阻率法的基本原理 。 结合具体实例 , 对高分辨电阻 率法探测 煤矿巷道地 质异常应 用方法 进行 了介绍 。 探测结果表明 , 该法准确 、可靠 、经济 适用 。 关键词 :高分辨电阻率法 ;超前探测 ;三极 ;防治水 中图分类号 :P631.322 文献标识码 :A 文章编号 :1003 -0506(2011)05 -0025 -02
2011年第 5期 中州煤炭 总第 185期
高分辨电阻率法在煤矿超前探测中的应用
张 军 1 , 赵 莹2 , 吴 迪 1
(1.中国煤 炭科工集团 西安研究院 , 陕西 西安 710054;2.西安大地测绘工程有限责任公司 , 陕西 西安 710054)
高分辨电阻率法有以下优点 :在装置形式上 , 高 分辨电阻率法采用单极 —偶极装置 。结合模型正演 结果表明 , 在相同地电条件下 , 单极 —偶极装置的异 常幅值较大 、宽度较窄 , 能实现对地下分辨单元的多 次覆盖测量 。 因而 , 高分辨电阻率方法有更好的压 制静态效应和抗干扰能力以及更高的分辨率 。正因 为高分辨电阻率法的这些优点 , 使其成为矿井超前 探测 、采空区探测等的首选方法[ 3] 。
巷道的不均匀性造成接地电阻变化较大 , 阻值 在几十至几百 欧姆间变化 。 基岩是一套含 煤泥岩 系 , 岩层平缓 , 倾角 3°左右 。 所采煤层厚 2.5 m, 煤 层稳定 。 煤层顶板为粉砂岩 、砂质泥岩 , 底板为粉砂 岩 、砂质泥岩 , 顶底板比较稳定 。 根据局部钻孔资料 可知 , 施工区煤层电阻率较高 , 其他碎屑岩的电阻率 较低 , 且随着岩层的粒度变粗而增大 , 即由泥岩到粉 砂岩 、细砂岩 、中粗砂岩电阻率依次增高 。煤层被采 出留下的空洞如果不充水 , 其电阻率比煤层高 ;如果 空洞 、裂隙或断层充 水 , 其视电阻率相对较 低 。 因 此 , 施工区具备利用高分辨电阻率法探测采空区的 物性前提 。 2.3 对探测环境条件要求
Hale Waihona Puke Baidu
集数据和解释范围上有所不同 , 高分辨电阻率法解 释范围为电极测线所控制区域内的地质异常 , 而超 前电法探测关心的是巷道前方的地质异常 。 因此 , 地面高分辨电阻率法的应用完全可以用于井下全空 间地质异常探测 。
Abstract:Asakindofprospectingtechnologywithhighprecision, goodeconomicalefficiencyandpracticalapplicability, high-resolution resistivitymethodisanimportantmeansusingtosurveyminehydrogeology.Thispaperelaboratedbasicprinciplesofhigh-resolutionresistivity.Combinedwiththespecificexample, roadwaygeologicalanomaliessurveyusinghighresolutionresistivitymethodwasintroduced.Theresultsshowthat, thedetectionisaccurate, reliableandaffordable. Keywords:high-resolutionresistivitymethod;advanceddetection;three-pole;waterpreventionandcontrol
ApplicationofHigh-resolutionResistivityMethodinAdvancedDetectionofCoalMine
ZhangJun1 , ZhaoYing2 , WuDi1
(1.Xi′anResearchInstituteofCCTEGCorp, Xi′an 710054, China; 2.Xi′anDadiSurveyingMappingProjectCo., Ltd., Xi′an 710054, China)
煤矿水文条件直接关系到矿井的安全生产和经 济效益 , 通过物探方法可提前探明掘进前方一定范 围内地层中水的范围和位置 , 为煤矿防治水提供依 据 , 从而减少和避免水溃事故的发生 。目前 , 随着我 国物探技术测量精度和信息处理速度的提高 , 高分 辨电阻率方法作为一种精度高 、经济实用的探测技 术 , 已成为探测矿井水文地质的重要手段 。
参考文献 :
[ 1] 孔祥元 , 郭际明 , 刘宗泉 .大地测 量学基 础 [ M] .武汉 :武汉大 学出版社 , 2001.
[ 2] 李征航 , 黄劲松 .GPS测量与数 据处理 [ M] .武汉 :武 汉大学出 版社 , 2005.
[ 3] 李青岳 .工程测量学 [ M] .北京 :测绘出版社 , 1984.
1 基本原理
地面高分辨电阻率法采用单极 —偶极装置 , 在 均匀半空间里 , 以电极为中心形成不同的半球状等 位面 , 电位的变化反映了相应地下等位面所构成的 薄壳层里的异常体 。 由不同位置的电流电极供电 , 在相应电 位电极 观测 , 可确 定异 常体 的位置 和大 小 [ 1-2] 。
巷道高分辨电阻率法超前探测的理论基础和观 测装置与地面高分辨电阻率法基本一致 , 只是在采
矿井高分辨电阻率法属于全空间电法勘探 , 它 以岩石的电性差异为基础 , 该方法供电电极位于巷 道中 , 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 [ 4] 。 超 前探测是研究掘进面前方含水 、导水构造的分布和
图 1 超前探测几何交汇原理
图 1利用 3条测深曲线确定孤立地质异常体的 位置 。 根据等值壳层反映异常的原则 , 以电流电极 为圆心 , 以发生电位异常的电位电极到电流电极的 距离为半径画弧 , 弧线在巷道前方交汇的影像就是 所要探查的异常体 。
根据电场球壳原理 , 任意等半径球面上的电位 是相等的 , 2个等位面上的点 M、N之间形成电位差 ΔUMN, 利用发射电流可计算出 MN球环上的视电阻 率 。通过在巷道掘进面后方布置电极 , 从而可探测 出掘进面前方的异常情况 , 其工作原理如图 2所示 。
一的 1954北京坐标系统 。 即在 3°带 投影基础上 , 建立 C级 GPS控制网 , 再根据需要 , 解算各地转换 参数 , 最终完成 1954北京坐标系向 1980西安坐标 系的转换 。
(2)在统一坐标系统的基 础上 , 搜集各地区的 现有控制资料 , 经过检核后 , 利用 GPS评差软件 , 结 合投影带的划分标准 , 设置不同的中央子午线 111° 和 114°, 按 3°带投影 , 分别求出各个区域相应的控 制点平面直角坐标[ 3] , 带号分别为 “37”和 “38”。
(责任编辑 :梁郁鑫 )
(上接第 26页 ) 由图 4可知 :①工作面前 方探测区域内出现 2
处异常区, 1号异常区位于工作面前方 54 ～ 57 m 处 , 2号异常区位于工作面前方 74 ～ 77 m处 , 可能 为含水段 ;②两处异常区宽度均为 3 m左右 , 1号异 常区幅值相对较小 , 推断 1 号异常区工作面前方存 在裂隙发育带 , 富水性相对较弱 。 2号异常区幅值 相对较大 , 推断异常区段存在裂隙发育或岩性变化 , 裂隙发育区岩层相对富水 , 富水性相对较强 。 其余 段视电阻率相对较高 , 且较为均一 , 可能为煤层段 、 全岩段或煤岩交互段 。
不同岩性的地层具有不同的导电性能 , 即不同 地层具有不同的视电阻率 。对于煤系地层 , 横向上 , 由于煤系地层的层状分布 , 其导电性相对均一 ;纵向
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电阻率的变化规律基本一致 。横向上 , 导电性含水 性好 , 与围岩有明显的电性差异 。 煤系地层这种重 要特性 , 使得高分辨电阻率法在这些地区应用 , 可取 得较好的使用效果 。 2.2 施工区地质概况与地电特征
图 4 超前探测成果示意
根据超前探测解释成果 , 建议 :通过 1 号 、2号 异常区段时进行钻探验证确定其异常性质 , 并加强 地质水文观测工作 。在上述推断位置 , 经钻探及掘 进证实 , 推断结果正确 。 此次高分辨电阻率法探查 异常全部得到了验证 , 地质效果十分显著 , 不仅节省 了时间 , 而且降低了勘察费用 , 探查结果对煤矿巷道
(3)逐渐规范采矿证坐标系统 。 按照煤矿测量 相关要求 , 结合实地测量结果 , 对原有采矿证批复坐 标不合理的提出申请 , 建立统一坐标系 , 统一投影带 划分标准 , 报上级管理部门协商解决 。
4 结语
由于义煤集团兼并重组煤矿数量多 、分布范围 广 , 而且原来地方煤矿测量基础差 , 资料缺失严重 , 数据不准确 , 影响兼并重组工作的顺利进行 。 通过
(1)探测巷道的掘进长度一般情况下要大于 60 m, 如果巷道掘进过程中起伏较大 , 那么将影响探测 精度 。
(2)发射电极 、接收电极要尽 量布置在一条直 线上 , 尽量避开水体 、铁器等物体 。 2.4 施工布置
超前探测前方含水异常方法为 “三点点源法 ”, 即首先布置第 1个供电电极 A1 ;然后在第 1个电极 后方同一直线上等间距布置第 2个 A2 、第 3个电极 A3 , 形成 3个供电点 , 测量供电电极 A1 , A2 , A3 间距 为 4 m, A1 距掘进面 14 m;另外再布置无穷远电极 B 和接收电极 M、N, 接收电极间距为 4 m, 探 测距离 104 m, 如图 3所示 。 具体施工时供电电极 、无穷远 电极及仪器均不动 , 接收电极 M、N根据设计的观测 系统由仪器自动切换 。
实地测量和分析研究 , 可以解决许多兼并重组矿井 的测量问题 :①建立统一坐标系统 , 便于管理 , 便于 查找矿井对应位置关系以及确定与大中型矿井的相 对位置关系 ;②分区处理成果 , 建立不同区域的分带 成果 , 提高各区内部相对精度 , 保证生产与安全措施 的顺利实施 ;③根据不同区域的起算成果 , 实现了高 精度的跨带计算及不同椭球之间的坐标换算 , 解决 了不同区域不同椭球参数成果统一应用的难题 ;④ 绘制了高精度的采掘工程平面图及井上下对照图 , 满足了矿井信息化管理要求 。
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2011年第 5期 中州煤炭 总第 185期
发育情况以及地层电性变化规律的一种井下电法探 测技术 。为了达到超前探测的目的 , 采用 3 个供电 极交替供电分别测量的方式 , 利用几何交汇的原理 (图 1)进行探测 , 这种方法可以消除顶板 、底板和后 方的影响 , 反映巷道掘进面前方的地质异常 , 达到超 前探测的目的 。
图 2 超前探测原理示意
2 应用实例
某工作面轨道巷 , 由于岩层部分主要为砂质泥 岩和粉砂岩 , 为低电阻率特征 , 而煤层为相对高电阻 率特征 , 可以选用电法勘探来查明全岩段的展布情 况 。为查清主要含水 、导水构造的分布规律 , 评价掘 进面前方富水性及裂隙含水性情况 , 预测潜在导水 通道 , 采用高分辨电阻率法进行井下数据采集工作 。 2.1 地质及地球物理前提
图 3 轨道上山超前探测施工布置及成果解释示意
2.5 探测结果分析
由探测结果 (图 4)可见 , 煤层段及全岩段表现
为高视电阻率区 。 图 4 中 54 ～ 57 m处 , 74 ～ 77 m
处段为视电阻率最低区段 。
(下转第 41页 )
2011年第 5期 王文良等 :兼并重组煤矿测量工作存在问题及解决方案 总第 185期
摘要 :高分辨电阻率方法作 为一种精度高 、经济实用的 探测技术 , 已成为 探测矿井水 文地质的 重要手 段 。 阐 述了高分辨电阻率法的基本原理 。 结合具体实例 , 对高分辨电阻 率法探测 煤矿巷道地 质异常应 用方法 进行 了介绍 。 探测结果表明 , 该法准确 、可靠 、经济 适用 。 关键词 :高分辨电阻率法 ;超前探测 ;三极 ;防治水 中图分类号 :P631.322 文献标识码 :A 文章编号 :1003 -0506(2011)05 -0025 -02
2011年第 5期 中州煤炭 总第 185期
高分辨电阻率法在煤矿超前探测中的应用
张 军 1 , 赵 莹2 , 吴 迪 1
(1.中国煤 炭科工集团 西安研究院 , 陕西 西安 710054;2.西安大地测绘工程有限责任公司 , 陕西 西安 710054)
高分辨电阻率法有以下优点 :在装置形式上 , 高 分辨电阻率法采用单极 —偶极装置 。结合模型正演 结果表明 , 在相同地电条件下 , 单极 —偶极装置的异 常幅值较大 、宽度较窄 , 能实现对地下分辨单元的多 次覆盖测量 。 因而 , 高分辨电阻率方法有更好的压 制静态效应和抗干扰能力以及更高的分辨率 。正因 为高分辨电阻率法的这些优点 , 使其成为矿井超前 探测 、采空区探测等的首选方法[ 3] 。
巷道的不均匀性造成接地电阻变化较大 , 阻值 在几十至几百 欧姆间变化 。 基岩是一套含 煤泥岩 系 , 岩层平缓 , 倾角 3°左右 。 所采煤层厚 2.5 m, 煤 层稳定 。 煤层顶板为粉砂岩 、砂质泥岩 , 底板为粉砂 岩 、砂质泥岩 , 顶底板比较稳定 。 根据局部钻孔资料 可知 , 施工区煤层电阻率较高 , 其他碎屑岩的电阻率 较低 , 且随着岩层的粒度变粗而增大 , 即由泥岩到粉 砂岩 、细砂岩 、中粗砂岩电阻率依次增高 。煤层被采 出留下的空洞如果不充水 , 其电阻率比煤层高 ;如果 空洞 、裂隙或断层充 水 , 其视电阻率相对较 低 。 因 此 , 施工区具备利用高分辨电阻率法探测采空区的 物性前提 。 2.3 对探测环境条件要求