直流电法仪在矿井含水层探测中的应用

杨连云

(河南煤化集团焦煤公司 职教中心,河南 焦作454000)

0 引 言

对水文地质灾害的研究一直是集中在机理探索和灾害治理两个方面。虽然灾害具有突发性、复杂性和破坏性,迄今为止,离认识灾害的机理还有相当大的距离,但也足以指导灾害的治理。

近几年的研究取得的规律性认识、直流电法勘探仪的出现、直流电法勘探在水文地质构造和矿井防治水害方面的应用,以及近年来基于大容量、高性能计算机系统的物探技术的发展为矿井水文地质灾害的治理带来了新的机遇。直流电法勘探研究是以地壳中岩石、矿石的电阻率差异为物质基础,观测和研究人工电场的变化和分布规律,再进行找矿,解决构造、水文、工程地质问题,然后进行环境监测的一种电法勘探方法[1]。在研究过程中,通过电磁感应观测和研究人工或天然形成的电磁场的分布规律、频率特性和时间特性,分析岩矿石的导电性、导磁性和介电性的差异,进而解决各类地质问题。

1 直流电法仪的组成及工作原理

直流电法仪是为煤矿井下含有瓦斯、煤尘、粉尘等危险爆炸物的环境探测含水和导水的地质构造而设计制造的勘探仪器。直流电法探测技术是以煤、岩层及其富水带的导电性差异为基础,通过人工向地质体导入稳定的直流电流,观测其电流场的分布状况,从而确定岩、矿体物特性及其富水性的分布规律和地质构造特征的一种勘探技术。

图1 直流电法仪工作原理

如图1所示,直流电法仪由直流电源电路(可由9节1.2 Ah锂电池组成5.4 Ah 10.8 V直流电源)、逆变升压电路、整流滤波电路、极性变换输出电路、单片机控制电路、接收电路、显示电路、存储电路、通讯电路等组成。

图1中,电池输出的直流电压经逆变升压电路产生70 V～100 V的电压,经整流滤波、极性变换输出,通过A、B端接入大地;通过M、N端接收大地的感应信号,经A/D转换器放大并转换成数字信号后送给单片计算机存入存储器。存储器中的数据通过RS232串行通讯口进行数据交换;可以控制供电时间,通过显示器可观察到检测出的电流。

利用直流电法仪采集到的井下第一手资料反映了岩石电性特征的视电阻率,直流电法仪软件通过以下四种方法进行含水分析:

(1)单独提取视电阻率中的含水信息——用于解释工作面巷道底板50m深度处的含水、导水规律,潜在的突水通道。如图2和图3。

图2 电法探测示意图

图3 视电阻率曲线

(2)单独提取视电阻率中的岩石电性分层信息——用于解释工作面底板隔水层厚度、含水层厚度、含水层原始导升高度。

(3)超前探测——井下巷道侧帮、迎头前方50 m～60 m内的断层及含水、导水构造。

(4)立体成图——对工作面底板下不同深度进行类似“CT”成像的断面、平面切片处理,分离出电法含水异常区域,得到视电阻率低阻异常断面图、平面图,进行立体分析。

2 技术可行性分析

2.1 技术路线及关键技术

采用直流电法勘探技术来预测矿井水文地质灾害危险是本项研究的总体思路。其关键技术有两种:研究勘探巷道掘进工作面前方地质构造及周围富水位置及形态,精准研究超前探测本身的解释模型[2]。

2.2 合理性与先进性分析

矿井开采范围内未开采区地质构造,以前均采用钻孔勘探手段,其余方法很难准确勘测水文地质条件。近10 a来,随着计算机技术的迅猛发展,高精度三维地震勘探技术日趋成熟,美国、日本、法国和德国等多家公司已经有360通道或更多通道的数字三维地震勘探设备,使人们可以准确的勘测到井下1000 m范围落差在3 m以上的断层。我国2002年就对北七、北十采区进行了三维地震勘探,但只能探明地质构造。直流电法勘探在理论和应用技术方面能够达到探测和解释水文地质及富水构造这一目的[3,4]。直流电法勘探技术是预测矿井防治水文地质灾害重要的基础技术手段,是未来矿井防治和预防水文地质灾害治理技术的发展方向。

直流电法勘探研究是以地壳中岩矿石的电阻率差异为物质基础,观测和研究人工电场的变化和分布规律而进行找矿和解决构造、水文、工程地质问题以及进行环境监测等的一种电法勘察方法[5]。其应用机理是利用岩矿石的导电性、导磁性和介电性的差异,应用电磁感应观测和研究室内岩石或矿井岩石形成的电磁场的分布规律、频率特性和时间特性,来解决各类地质问题。

3 直流电法仪在防治水害方面的应用效果

从2006年8月至今我矿已多次使用直流电法仪探测矿井水情况,取得了显著的效果。下面以我矿2006年10月12日在1608工作面使用直流电法仪进行的含水层探测为例介绍直流电法仪的应用效果。这次探测的基本情况简述如下:

探测目的:1608工作面再向前推进60 m,验证工作面下顺槽向上15 m～50 m段内两处积水情况,更好地服务生产,避免老巷积水水灾影响。

应用方法:对称四极测水法[6,7]。

探测布置:1608工作面应用了对称四极测水法探测工作面内老巷积水。该方法应用两个铜棒、两个铁棒、以铜棒为中心,两边为铁棒,铜棒与铜棒间距为6 m,铁棒与铁棒间距为2 m,然后依据对称四极测水法,铜棒挪动1 m,铁棒挪动3 m,进行采集数据,本次测试共取得15组数据,共测试15站。测试长度约为100 m,范围为1608工作面再向前推进60 m,工作面下顺槽向上15 m～50 m段。

应用长度:100 m

应用位置:1608工作面向前推进60 m,工作面下顺槽向上15 m～50 m段。

应用时间:115 min

工作状态:正常

仪器型号:DZ-ⅡA

资料处理:

(1)采用计算机对全部资料进行处理。

(2)绘制实测综合曲线图,见图4。

图4 积水情况综合曲线

预测结果及评价:本次测试数据全部采用计算机处理,通过对测试数据的处理,绘制出1608下顺槽向工作面方向60 m的积水情况综合曲线图(见图4),从图纸上反映出2个电阻率异常区,由此预测如下:

第一个异常区:推测工作面下顺槽向工作面方向25 m处有积水。

第二个异常区:推测工作面下顺槽向工作面内方向35 m处有积水。

通过钻探队进行探放水,结果显示探测与实际情况相吻合。

经过多次探测和实测表明,直流电法仪在探测煤矿岩石含水层及老空、老巷积水方面具有广泛的实用价值,为探测矿井水情和预防水害的发生提供了有效的工具[8,9]。

4 结 语

直流电法探测技术具有理论成熟、方法灵活、仪器简便、抗干扰能力强的优点,可用于水害防治的多个领域.节约了大量钻探和巷探工程量,有效保障了矿井的安全生产。直流电法探测技术也有自身的缺点,如体积效应问题,影响资料解释中对异常区(体)具体方位的准确判断等,这就需要与瞬变电磁等方向性较强的物探技术相配合,并紧密结合水文地质资料,多种手段并用,相互取长补短,才能提高探测成果解释的准确率,更好地服务于防治水害工作。

[1]李志聃.煤田电法勘探[M].北京:煤炭工业出版社,1991.

[2]王长文,慕松利,李 仑,等.焦作矿区突水特点及矿井综合防治[J].焦作工学院学报,2009,29(3):165-169.

[3]储绍良.矿井物探应用[M].北京:煤炭工业出版社,1995.

[4]冯兵.工程及水文物探教程[M].西安:陕西人民教育出版社,2003.

[5]于景村,李志聃.高分辨率三极电测深法探测煤矿突水构造[J].煤田地质与勘探,1997,25(5):40-43.

[6]崔运生,李冬志,刘鹤明,等.直流电法仪在超前探测中的应用[J].中州煤炭,2008,(5):77,82.

[7]谢海应.直流电法仪在煤矿安全生产中的应用[J].山西焦煤科技,2008,(8):46-48.

[9]时晗,窦文明.直流电法勘探在宋楼煤矿主斜井突水中的应用[J].中国煤田地质,2005,17(6):45-47.