直流電法儀在礦井含水層探測(cè)中的應(yīng)用

楊連云

(河南煤化集團(tuán)焦煤公司 職教中心,河南 焦作454000)

0 引 言

對(duì)水文地質(zhì)災(zāi)害的研究一直是集中在機(jī)理探索和災(zāi)害治理兩個(gè)方面。雖然災(zāi)害具有突發(fā)性、復(fù)雜性和破壞性,迄今為止,離認(rèn)識(shí)災(zāi)害的機(jī)理還有相當(dāng)大的距離,但也足以指導(dǎo)災(zāi)害的治理。

近幾年的研究取得的規(guī)律性認(rèn)識(shí)、直流電法勘探儀的出現(xiàn)、直流電法勘探在水文地質(zhì)構(gòu)造和礦井防治水害方面的應(yīng)用,以及近年來(lái)基于大容量、高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物探技術(shù)的發(fā)展為礦井水文地質(zhì)災(zāi)害的治理帶來(lái)了新的機(jī)遇。直流電法勘探研究是以地殼中巖石、礦石的電阻率差異為物質(zhì)基礎(chǔ),觀測(cè)和研究人工電場(chǎng)的變化和分布規(guī)律,再進(jìn)行找礦,解決構(gòu)造、水文、工程地質(zhì)問(wèn)題,然后進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)的一種電法勘探方法[1]。在研究過(guò)程中,通過(guò)電磁感應(yīng)觀測(cè)和研究人工或天然形成的電磁場(chǎng)的分布規(guī)律、頻率特性和時(shí)間特性,分析巖礦石的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性和介電性的差異,進(jìn)而解決各類地質(zhì)問(wèn)題。

1 直流電法儀的組成及工作原理

直流電法儀是為煤礦井下含有瓦斯、煤塵、粉塵等危險(xiǎn)爆炸物的環(huán)境探測(cè)含水和導(dǎo)水的地質(zhì)構(gòu)造而設(shè)計(jì)制造的勘探儀器。直流電法探測(cè)技術(shù)是以煤、巖層及其富水帶的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ),通過(guò)人工向地質(zhì)體導(dǎo)入穩(wěn)定的直流電流,觀測(cè)其電流場(chǎng)的分布狀況,從而確定巖、礦體物特性及其富水性的分布規(guī)律和地質(zhì)構(gòu)造特征的一種勘探技術(shù)。

圖1 直流電法儀工作原理

如圖1所示,直流電法儀由直流電源電路(可由9節(jié)1.2 Ah鋰電池組成5.4 Ah 10.8 V直流電源)、逆變升壓電路、整流濾波電路、極性變換輸出電路、單片機(jī)控制電路、接收電路、顯示電路、存儲(chǔ)電路、通訊電路等組成。

圖1中,電池輸出的直流電壓經(jīng)逆變升壓電路產(chǎn)生70 V～100 V的電壓,經(jīng)整流濾波、極性變換輸出,通過(guò)A、B端接入大地;通過(guò)M、N端接收大地的感應(yīng)信號(hào),經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送給單片計(jì)算機(jī)存入存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串行通訊口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;可以控制供電時(shí)間,通過(guò)顯示器可觀察到檢測(cè)出的電流。

利用直流電法儀采集到的井下第一手資料反映了巖石電性特征的視電阻率,直流電法儀軟件通過(guò)以下四種方法進(jìn)行含水分析:

(1)單獨(dú)提取視電阻率中的含水信息——用于解釋工作面巷道底板50m深度處的含水、導(dǎo)水規(guī)律,潛在的突水通道。如圖2和圖3。

圖2 電法探測(cè)示意圖

圖3 視電阻率曲線

(2)單獨(dú)提取視電阻率中的巖石電性分層信息——用于解釋工作面底板隔水層厚度、含水層厚度、含水層原始導(dǎo)升高度。

(3)超前探測(cè)——井下巷道側(cè)幫、迎頭前方50 m～60 m內(nèi)的斷層及含水、導(dǎo)水構(gòu)造。

(4)立體成圖——對(duì)工作面底板下不同深度進(jìn)行類似“CT”成像的斷面、平面切片處理,分離出電法含水異常區(qū)域,得到視電阻率低阻異常斷面圖、平面圖,進(jìn)行立體分析。

2 技術(shù)可行性分析

2.1 技術(shù)路線及關(guān)鍵技術(shù)

采用直流電法勘探技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)礦井水文地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)是本項(xiàng)研究的總體思路。其關(guān)鍵技術(shù)有兩種:研究勘探巷道掘進(jìn)工作面前方地質(zhì)構(gòu)造及周圍富水位置及形態(tài),精準(zhǔn)研究超前探測(cè)本身的解釋模型[2]。

2.2 合理性與先進(jìn)性分析

礦井開(kāi)采范圍內(nèi)未開(kāi)采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造,以前均采用鉆孔勘探手段,其余方法很難準(zhǔn)確勘測(cè)水文地質(zhì)條件。近10 a來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,高精度三維地震勘探技術(shù)日趨成熟,美國(guó)、日本、法國(guó)和德國(guó)等多家公司已經(jīng)有360通道或更多通道的數(shù)字三維地震勘探設(shè)備,使人們可以準(zhǔn)確的勘測(cè)到井下1000 m范圍落差在3 m以上的斷層。我國(guó)2002年就對(duì)北七、北十采區(qū)進(jìn)行了三維地震勘探,但只能探明地質(zhì)構(gòu)造。直流電法勘探在理論和應(yīng)用技術(shù)方面能夠達(dá)到探測(cè)和解釋水文地質(zhì)及富水構(gòu)造這一目的[3,4]。直流電法勘探技術(shù)是預(yù)測(cè)礦井防治水文地質(zhì)災(zāi)害重要的基礎(chǔ)技術(shù)手段,是未來(lái)礦井防治和預(yù)防水文地質(zhì)災(zāi)害治理技術(shù)的發(fā)展方向。

直流電法勘探研究是以地殼中巖礦石的電阻率差異為物質(zhì)基礎(chǔ),觀測(cè)和研究人工電場(chǎng)的變化和分布規(guī)律而進(jìn)行找礦和解決構(gòu)造、水文、工程地質(zhì)問(wèn)題以及進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)等的一種電法勘察方法[5]。其應(yīng)用機(jī)理是利用巖礦石的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性和介電性的差異,應(yīng)用電磁感應(yīng)觀測(cè)和研究室內(nèi)巖石或礦井巖石形成的電磁場(chǎng)的分布規(guī)律、頻率特性和時(shí)間特性,來(lái)解決各類地質(zhì)問(wèn)題。

3 直流電法儀在防治水害方面的應(yīng)用效果

從2006年8月至今我礦已多次使用直流電法儀探測(cè)礦井水情況,取得了顯著的效果。下面以我礦2006年10月12日在1608工作面使用直流電法儀進(jìn)行的含水層探測(cè)為例介紹直流電法儀的應(yīng)用效果。這次探測(cè)的基本情況簡(jiǎn)述如下:

探測(cè)目的:1608工作面再向前推進(jìn)60 m,驗(yàn)證工作面下順槽向上15 m～50 m段內(nèi)兩處積水情況,更好地服務(wù)生產(chǎn),避免老巷積水水災(zāi)影響。

應(yīng)用方法:對(duì)稱四極測(cè)水法[6,7]。

探測(cè)布置:1608工作面應(yīng)用了對(duì)稱四極測(cè)水法探測(cè)工作面內(nèi)老巷積水。該方法應(yīng)用兩個(gè)銅棒、兩個(gè)鐵棒、以銅棒為中心,兩邊為鐵棒,銅棒與銅棒間距為6 m,鐵棒與鐵棒間距為2 m,然后依據(jù)對(duì)稱四極測(cè)水法,銅棒挪動(dòng)1 m,鐵棒挪動(dòng)3 m,進(jìn)行采集數(shù)據(jù),本次測(cè)試共取得15組數(shù)據(jù),共測(cè)試15站。測(cè)試長(zhǎng)度約為100 m,范圍為1608工作面再向前推進(jìn)60 m,工作面下順槽向上15 m～50 m段。

應(yīng)用長(zhǎng)度:100 m

應(yīng)用位置:1608工作面向前推進(jìn)60 m,工作面下順槽向上15 m～50 m段。

應(yīng)用時(shí)間:115 min

工作狀態(tài):正常

儀器型號(hào):DZ-ⅡA

資料處理:

(1)采用計(jì)算機(jī)對(duì)全部資料進(jìn)行處理。

(2)繪制實(shí)測(cè)綜合曲線圖,見(jiàn)圖4。

圖4 積水情況綜合曲線

預(yù)測(cè)結(jié)果及評(píng)價(jià):本次測(cè)試數(shù)據(jù)全部采用計(jì)算機(jī)處理,通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理,繪制出1608下順槽向工作面方向60 m的積水情況綜合曲線圖(見(jiàn)圖4),從圖紙上反映出2個(gè)電阻率異常區(qū),由此預(yù)測(cè)如下:

第一個(gè)異常區(qū):推測(cè)工作面下順槽向工作面方向25 m處有積水。

第二個(gè)異常區(qū):推測(cè)工作面下順槽向工作面內(nèi)方向35 m處有積水。

通過(guò)鉆探隊(duì)進(jìn)行探放水,結(jié)果顯示探測(cè)與實(shí)際情況相吻合。

經(jīng)過(guò)多次探測(cè)和實(shí)測(cè)表明,直流電法儀在探測(cè)煤礦巖石含水層及老空、老巷積水方面具有廣泛的實(shí)用價(jià)值,為探測(cè)礦井水情和預(yù)防水害的發(fā)生提供了有效的工具[8,9]。

4 結(jié) 語(yǔ)

直流電法探測(cè)技術(shù)具有理論成熟、方法靈活、儀器簡(jiǎn)便、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),可用于水害防治的多個(gè)領(lǐng)域.節(jié)約了大量鉆探和巷探工程量,有效保障了礦井的安全生產(chǎn)。直流電法探測(cè)技術(shù)也有自身的缺點(diǎn),如體積效應(yīng)問(wèn)題,影響資料解釋中對(duì)異常區(qū)(體)具體方位的準(zhǔn)確判斷等,這就需要與瞬變電磁等方向性較強(qiáng)的物探技術(shù)相配合,并緊密結(jié)合水文地質(zhì)資料,多種手段并用,相互取長(zhǎng)補(bǔ)短,才能提高探測(cè)成果解釋的準(zhǔn)確率,更好地服務(wù)于防治水害工作。

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