防治水中的物探方法(煤銷集團(tuán)講座)

1、礦井防治水中的物探方法礦井防治水中的物探方法太原理工大學(xué)太原理工大學(xué)2012年年9月月楊德義楊德義目錄目錄 前言前言一、礦井水簡介一、礦井水簡介二、物探的概念及分類二、物探的概念及分類三、電法勘探簡介三、電法勘探簡介四、地震勘探簡介四、地震勘探簡介五、常用的煤礦水文物探儀器五、常用的煤礦水文物探儀器六、水文物探方法應(yīng)用小結(jié)六、水文物探方法應(yīng)用小結(jié) 前言前言1、探明探明含水體含水體對于煤礦安全生產(chǎn)、安全防護(hù)及合理規(guī)劃對于煤礦安全生產(chǎn)、安全防護(hù)及合理規(guī)劃 意義重大。意義重大。2、物探方法是一種快速、經(jīng)濟(jì)、物探方法是一種快速、經(jīng)濟(jì)、有效有效的煤礦水文地質(zhì)方法。的煤礦水文地質(zhì)方法。 3、煤礦水文物探、

2、煤礦水文物探=水文地質(zhì)水文地質(zhì)+礦井地質(zhì)礦井地質(zhì)+物探（地震物探（地震+電法）。電法）。4、物探方法復(fù)雜，物探儀器繁多，物探成果具有、物探方法復(fù)雜，物探儀器繁多，物探成果具有多解性多解性。5、選擇、選擇合理合理的物探方法。的物探方法。 6、堅持防治水、堅持防治水“16字方針字方針”，特別是，特別是“有掘必有掘必探探” 。一、礦井水簡介一、礦井水簡介1 1、礦井水分類（按含水層空隙性質(zhì)）、礦井水分類（按含水層空隙性質(zhì)） 孔隙水孔隙水、裂隙水裂隙水、巖溶水巖溶水、老空水老空水2、 礦井水的來源礦井水的來源（1）大氣降水）大氣降水 調(diào)查調(diào)查（2）地表水）地表水 調(diào)查調(diào)查（3）含水層水）含水層水 水文

3、鉆探水文鉆探+物探（地面）物探（地面）（4）老窯水）老窯水 物探（地面物探（地面+井下）井下）+鉆探（井下）鉆探（井下）（5）斷層（陷落柱）水）斷層（陷落柱）水 物探物探+鉆探（井下）鉆探（井下）3、礦井水害類型、礦井水害類型二、物探的概念及分類二、物探的概念及分類1 1、什么是物探、什么是物探地球物理勘探就是地球物理勘探就是用專門的儀器，觀測這些地球物用專門的儀器，觀測這些地球物理異常理異常，取得它們，取得它們(在時間和空間上在時間和空間上)的分布及形態(tài)等的分布及形態(tài)等有關(guān)地球物理資料，然后結(jié)合已知地質(zhì)資料進(jìn)行分有關(guān)地球物理資料，然后結(jié)合已知地質(zhì)資料進(jìn)行分析研究，推斷地下地質(zhì)構(gòu)造，或確定介質(zhì)

4、的性質(zhì)，析研究，推斷地下地質(zhì)構(gòu)造，或確定介質(zhì)的性質(zhì)，從而達(dá)到解決地質(zhì)問題的目的。從而達(dá)到解決地質(zhì)問題的目的。2 2、物探方法分類、物探方法分類 三、電法勘探簡介三、電法勘探簡介1、什么是電法勘探、什么是電法勘探 電法勘探是以巖、礦石之間電法勘探是以巖、礦石之間電學(xué)性質(zhì)的差異電學(xué)性質(zhì)的差異為基礎(chǔ)，通為基礎(chǔ)，通過觀測和研究與這些差異有關(guān)的電場或電磁場在空間或時過觀測和研究與這些差異有關(guān)的電場或電磁場在空間或時間上的分布特點(diǎn)和變化規(guī)律，來查明地下地質(zhì)構(gòu)造和尋找間上的分布特點(diǎn)和變化規(guī)律，來查明地下地質(zhì)構(gòu)造和尋找地下電性不均勻體地下電性不均勻體的一類勘查地球物理方法。的一類勘查地球物理方法。方方 法法特

5、特 點(diǎn)點(diǎn)主要應(yīng)用范圍主要應(yīng)用范圍直流電直流電法法1 1）理論方法成熟，施工技術(shù)簡單，抗干）理論方法成熟，施工技術(shù)簡單，抗干擾。擾。2 2）體積效應(yīng)大，勘探深度越大，分辨率）體積效應(yīng)大，勘探深度越大，分辨率越低；越低；3 3）施工效率低，工作量大。）施工效率低，工作量大。主要用于淺部（小于主要用于淺部（小于500500米）的水米）的水文勘探工作，如：第四系含水層、文勘探工作，如：第四系含水層、覆蓋層厚度、斷層裂隙帶、巖溶、覆蓋層厚度、斷層裂隙帶、巖溶、采空區(qū)等的勘查。采空區(qū)等的勘查。瞬變電瞬變電磁測深磁測深法法1 1）體積效應(yīng)小、分辨力高、施工效率高體積效應(yīng)小、分辨力高、施工效率高；2 2）能穿

6、透）能穿透高阻屏蔽層高阻屏蔽層，勘探深度大；，勘探深度大；3 3）抗干擾能力抗干擾能力比直流低；受地表人文設(shè)比直流低；受地表人文設(shè)施干擾大。施干擾大。5 5）存在淺部勘探）存在淺部勘探盲區(qū)盲區(qū)。主要用于中深部（小于主要用于中深部（小于10001000米）米）水文勘探工作，如：砂巖富水區(qū)、水文勘探工作，如：砂巖富水區(qū)、斷層裂隙帶、巖溶裂隙、采空區(qū)斷層裂隙帶、巖溶裂隙、采空區(qū)等的勘查。等的勘查。CSAMTCSAMT1 1）能穿透高阻屏蔽層，勘探深度大；）能穿透高阻屏蔽層，勘探深度大；2 2）橫向分辨力高、施工效率高；）橫向分辨力高、施工效率高；3 3）受地表不均勻體影響大（靜態(tài)效應(yīng)）；）受地表不均

7、勻體影響大（靜態(tài)效應(yīng)）；4 4）存在過渡區(qū)；）存在過渡區(qū)；5 5）資料處理解釋復(fù)雜。）資料處理解釋復(fù)雜?？捎糜谥猩畈浚蛇_(dá)可用于中深部（可達(dá)15001500米）水米）水文勘探工作，如：砂巖富水區(qū)、文勘探工作，如：砂巖富水區(qū)、斷層裂隙帶、巖溶裂隙、地?zé)岬葦鄬恿严稁?、巖溶裂隙、地?zé)岬鹊目辈?。的勘查。? 1）地形復(fù)雜時地形影響難）地形復(fù)雜時地形影響難以完全消除。以完全消除。（2 2）易受地面高壓線、河流、）易受地面高壓線、河流、水庫、地下管網(wǎng)及其它水庫、地下管網(wǎng)及其它 鐵磁性物質(zhì)干擾。鐵磁性物質(zhì)干擾。（3 3）上部低阻體易對下部形）上部低阻體易對下部形成低阻屏蔽，形成垂向上成低阻屏蔽，形成垂向上

8、的低阻串。的低阻串。（4 4）相對于橫向而言，垂向）相對于橫向而言，垂向分辨率低，深度誤差大。分辨率低，深度誤差大。（5 5）網(wǎng)度（線距）網(wǎng)度（線距* *點(diǎn)距）問題。點(diǎn)距）問題?？傮w而言，該方法仍以定性解總體而言，該方法仍以定性解釋為主。釋為主。300400500600700800900100011003644526068768492100 108 116 124 132 140 148 156 164 172 180標(biāo)高（m）4煤7煤9煤奧灰點(diǎn)號富水區(qū)21141210152 視電阻率等值線斷面圖視電阻率等值線斷面圖 K4砂巖富水異常平面圖砂巖富水異常平面圖（1 1）井下直流電法勘探）井下直流

9、電法勘探特點(diǎn)：特點(diǎn)： 理論成熟理論成熟、淺部勘探精度高；、淺部勘探精度高；體積效應(yīng)大；體積效應(yīng)大； 由于高阻煤層屏蔽影響，能由于高阻煤層屏蔽影響，能反映底板以下地質(zhì)情況；反映底板以下地質(zhì)情況； 工作效率低、勞動強(qiáng)度大；工作效率低、勞動強(qiáng)度大； 施工條件受巷道空間、長度施工條件受巷道空間、長度的影響較大。的影響較大。 探測結(jié)果受巷道內(nèi)局部電性探測結(jié)果受巷道內(nèi)局部電性不均勻體影響較大不均勻體影響較大。 方法多，井下主要是方法多，井下主要是高密度高密度電法及三極直流測深法電法及三極直流測深法。 裝置多，常用的有電測深裝置多，常用的有電測深（三極測深、四極測深）、（三極測深、四極測深）、電剖面法（三極

10、剖面、偶極電剖面法（三極剖面、偶極剖面）。剖面）。高密度電阻率法高密度電阻率法探測底板（淮北）探測底板（淮北）三極直流超前探測及底板探測解釋成果圖三極直流超前探測及底板探測解釋成果圖 （柳林）（柳林） 0481216202428323640444852566064687276808488巷道迎頭-30-25-20-15-10-505101520253035401號異常2號異常3號異常4號異常812m3438m4651m7177m巷道視電阻率異常值標(biāo)尺-45-35-25-15-5-45-35-25-15-5-60-50-40-30-20-10H(m)-60-50-40-30-20-10H(m)-

11、80-70-60-50-40-30-20-100巷道迎頭位 置迎頭后方(m)巷 道奧灰水原始導(dǎo)升高度與迎頭前方破碎有關(guān)的低阻異常帶 由于井下測量環(huán)境與地表不同，只能采用由于井下測量環(huán)境與地表不同，只能采用邊長小于邊長小于3m的多匝的多匝小線框小線框，因此與地面瞬變電磁法相比具有數(shù)據(jù)采集工作量小，測，因此與地面瞬變電磁法相比具有數(shù)據(jù)采集工作量小，測量設(shè)備輕便，工作效率高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。量設(shè)備輕便，工作效率高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。 由于采用小線圈測量，由于采用小線圈測量，點(diǎn)距更密點(diǎn)距更密（一般為（一般為15m），可降低體），可降低體積效應(yīng)，提高勘探的橫向分辨率。積效應(yīng)，提高勘探的橫向分辨率。 井下測量井

12、下測量裝置靠目標(biāo)體更近裝置靠目標(biāo)體更近，將會大大提高異常體的感應(yīng)信號，將會大大提高異常體的感應(yīng)信號強(qiáng)度。強(qiáng)度。 由于瞬變電磁法關(guān)斷時間的影響，與其它物探方法相比無法探由于瞬變電磁法關(guān)斷時間的影響，與其它物探方法相比無法探測到更淺部的異常體，測到更淺部的異常體，在淺部形成在淺部形成20m左右的盲區(qū)左右的盲區(qū)。 礦井瞬變電磁法勘探礦井瞬變電磁法勘探受井下金屬儀器設(shè)備受井下金屬儀器設(shè)備（采煤機(jī)械、（采煤機(jī)械、 變壓器變壓器、金屬支架等）的影響較大。、金屬支架等）的影響較大。超前探測時超前探測時發(fā)射線框的角度發(fā)射線框的角度 012345678910111213141501234567891011121

13、31415-90-80-70-60-50-40-30-20-10-90-80-70-60-50-40-30-20-1000.10.20.30.40.50.60.70.80.911.11.21.31.41.51.61.71.8陷 落 柱 位 置0115.13214探測方向示意圖測點(diǎn)布置示意圖右?guī)陀規(guī)?1234567891012345678910-90-85-80-75-70-65-60-55-50-45-40-35-30-25-20-15-90-85-80-75-70-65-60-55-50-45-40-35-30-25-20-15含 水 異 常 區(qū)絞 車北回風(fēng)大巷探測方向-50-40-30-2

14、0-10010203040506070左 幫 右 幫 3202 采 面 切 眼 探 測 3201 采 空 區(qū) 賦 水 性 成 果 圖-30-20-10010203040506070-30-20-10010203040506070048121620283644 無線電波透視法是通過研究無線電波透視法是通過研究電磁波電磁波在坑道間的傳播在坑道間的傳播特性和被介質(zhì)吸收的情況來尋找圈定各種目標(biāo)的。特性和被介質(zhì)吸收的情況來尋找圈定各種目標(biāo)的。 所用頻率屬所用頻率屬高頻頻段高頻頻段，一般為一百千赫至幾十兆赫。，一般為一百千赫至幾十兆赫。 無線電波遇到電性不同的目標(biāo)體時會發(fā)生反射、折無線電波遇到電性不同的目

15、標(biāo)體時會發(fā)生反射、折射、透射、邊緣繞射以及對波的吸收等現(xiàn)象，因而改射、透射、邊緣繞射以及對波的吸收等現(xiàn)象，因而改變了場的分布形態(tài)。變了場的分布形態(tài)。 無線電波透視法主要應(yīng)用于探測無線電波透視法主要應(yīng)用于探測工作面內(nèi)構(gòu)造，工作面內(nèi)構(gòu)造，如如陷落柱、斷層、煤層變薄區(qū)等。對穿距離陷落柱、斷層、煤層變薄區(qū)等。對穿距離200m左右。左右。 定點(diǎn)法觀測示意圖定點(diǎn)法觀測示意圖 定點(diǎn)法觀測時定點(diǎn)法觀測時, , 發(fā)射機(jī)的位置在一定的時間內(nèi)相對固定發(fā)射機(jī)的位置在一定的時間內(nèi)相對固定, , 接收機(jī)在接收機(jī)在一定的范圍逐點(diǎn)觀測其場強(qiáng)值一定的范圍逐點(diǎn)觀測其場強(qiáng)值, , 即定點(diǎn)發(fā)射即定點(diǎn)發(fā)射, , 多點(diǎn)接收。多點(diǎn)接收。

16、, , 可對工可對工作面全面覆蓋兩次作面全面覆蓋兩次, , 不留盲區(qū)不留盲區(qū), , 并能運(yùn)用兩巷定點(diǎn)交匯法并能運(yùn)用兩巷定點(diǎn)交匯法, , 根據(jù)坑透根據(jù)坑透綜合曲線圖綜合曲線圖, , 具體確定地質(zhì)異常體的性質(zhì)和空間位置及大小。定點(diǎn)法具體確定地質(zhì)異常體的性質(zhì)和空間位置及大小。定點(diǎn)法是井下常用的觀測方法。是井下常用的觀測方法。 用同步法觀測時用同步法觀測時, , 發(fā)射天線和接收天線分別位于不同的巷道中發(fā)射天線和接收天線分別位于不同的巷道中, , 同同時作等距離移動時作等距離移動, , 逐點(diǎn)發(fā)射和接收。用這種方法觀測容易形成盲區(qū)逐點(diǎn)發(fā)射和接收。用這種方法觀測容易形成盲區(qū), , 有漏測的可能。有漏測的可能

17、。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 15 83 85 87 89 90 91 93 95 97 99 100 585 587 590 592 595 597 600500 502 505 507 510 512 514 坑透法探測工作面內(nèi)陷落柱坑透法探測工作面內(nèi)陷落柱 5 5、井下瞬變電磁法存在的問題、井下瞬變電磁法存在的問題 （1 1）探測距離（深度）有限，）探測距離（深度）有限，有效探測距離一般小于有效探測距離一般小于 80m80m。（2 2）易受巷道內(nèi)礦車、采煤）易受巷道內(nèi)礦車、采煤機(jī)、電纜、錨網(wǎng)、鐵路等機(jī)、電纜、錨網(wǎng)、鐵路等 鐵磁性物質(zhì)干擾。鐵磁性物質(zhì)干擾。

18、（3 3）有盲區(qū)，約）有盲區(qū)，約20m20m。（4 4）缺規(guī)范。）缺規(guī)范。（5 5）設(shè)計、報告無審查。）設(shè)計、報告無審查。 四、地震勘探簡介四、地震勘探簡介1、什么是地震勘探、什么是地震勘探實質(zhì)：實質(zhì)：地震勘探地震勘探就是用人工方法就是用人工方法(如爆炸，敲擊等如爆炸，敲擊等)產(chǎn)生振產(chǎn)生振動動(地震地震)，研究振動在地下的傳播規(guī)律，以查明地下地，研究振動在地下的傳播規(guī)律，以查明地下地質(zhì)情況和有用礦藏質(zhì)情況和有用礦藏(如石油，煤田等如石油，煤田等)的一種地球物理勘的一種地球物理勘探方法。探方法。 二維地震勘探時，只能得到射線平面內(nèi)的地質(zhì)信息，射線二維地震勘探時，只能得到射線平面內(nèi)的地質(zhì)信息，射線

19、平面只垂直于地下反射界面，不一定垂直于地面。這就是為平面只垂直于地下反射界面，不一定垂直于地面。這就是為什么要做什么要做3D。三維地震：三維地震： 一次激發(fā)，沿一次激發(fā)，沿“面積面積”全面觀測數(shù)據(jù)體，得全面觀測數(shù)據(jù)體，得出測區(qū)以下的三維信息。出測區(qū)以下的三維信息。 3D地震可利用得到的射地震可利用得到的射線平面以外的信息，消除線平面以外的信息，消除旁側(cè)干擾，使構(gòu)造歸位。旁側(cè)干擾，使構(gòu)造歸位。3-D三維地震數(shù)據(jù)體（霍爾辛赫）三維地震數(shù)據(jù)體（霍爾辛赫）三維地震時間剖面（霍爾辛赫）三維地震時間剖面（霍爾辛赫）X8陷落柱陷落柱T3T15三三維維地地震震成成果果1、得到的是高密度三維信息，處理后提供高密

20、度得到的是高密度三維信息，處理后提供高密度的三維數(shù)據(jù)體；的三維數(shù)據(jù)體；2 2、通常會得到較小的深度誤差（不大于通常會得到較小的深度誤差（不大于2%2%）; ;3 3、在構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)可得到較準(zhǔn)確的構(gòu)造（斷層、在構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)可得到較準(zhǔn)確的構(gòu)造（斷層、陷落柱、采空區(qū)）信息（大于陷落柱、采空區(qū)）信息（大于5m5m的斷層，大于的斷層，大于30m30m的陷落柱）的陷落柱）; ;4 4、能預(yù)測煤層厚度變化、沖刷帶等能預(yù)測煤層厚度變化、沖刷帶等; ;三維地震勘探的特點(diǎn)：三維地震勘探的特點(diǎn)：1 1、地形高差太大時，平面擺動范圍大；、地形高差太大時，平面擺動范圍大；2 2、干黃土厚時，信噪比低，分辨率低、干黃土厚

21、時，信噪比低，分辨率低; ;3 3、煤層或采空區(qū)埋深淺時，效果差、煤層或采空區(qū)埋深淺時，效果差; ;4 4、一般來說，不能直接解決與水有關(guān)的問題、一般來說，不能直接解決與水有關(guān)的問題; ;5 5、不同的地震地質(zhì)條件，勘探成本差異大。、不同的地震地質(zhì)條件，勘探成本差異大。三維地震勘探的問題：三維地震勘探的問題：五、常用的煤礦水文物探儀器五、常用的煤礦水文物探儀器1、地面電法儀器、地面電法儀器 GDP-32（美國）、（美國）、V8（加拿大）、（加拿大）、PROTEM系列系列 （加拿大）（加拿大） 、TERATEM（澳大利亞）（澳大利亞）2、井下電法儀器、井下電法儀器 礦井全方位探測儀（西安）、直流

22、電法儀（重慶、西安）礦井全方位探測儀（西安）、直流電法儀（重慶、西安） 瞬變電磁儀（福州、武漢）、音頻電穿透儀瞬變電磁儀（福州、武漢）、音頻電穿透儀 （西安）、（西安）、 另外，還有地質(zhì)雷達(dá)、反射波、折射波、槽波地震、瑞雷波、另外，還有地質(zhì)雷達(dá)、反射波、折射波、槽波地震、瑞雷波、巖體聲波探測等方法和儀器。巖體聲波探測等方法和儀器。3、地面地震勘探儀器、地面地震勘探儀器 408、428系列（法國）、系列（法國）、SN388（美國）、（美國）、ARIES（加拿大）（加拿大） （一）地面物探（一）地面物探目前可解決的水文地質(zhì)問題：目前可解決的水文地質(zhì)問題： 1）采空區(qū)范圍采空區(qū)范圍及積水情況。及積水

23、情況。 2）新生界地層富、含水區(qū)范圍。）新生界地層富、含水區(qū)范圍。 3）煤系地層各富、含水層范圍。）煤系地層各富、含水層范圍。 4）煤層和奧陶系灰?guī)r頂界面起伏形態(tài)煤層和奧陶系灰?guī)r頂界面起伏形態(tài)及巖溶發(fā)及巖溶發(fā)育狀況。育狀況。 5）推測煤層與奧陶系灰?guī)r之間有無導(dǎo)水通道。）推測煤層與奧陶系灰?guī)r之間有無導(dǎo)水通道。 6）對勘探區(qū)發(fā)育的）對勘探區(qū)發(fā)育的斷層、陷落柱，斷層、陷落柱，探測其富水探測其富水性并推測導(dǎo)水狀況。性并推測導(dǎo)水狀況。六、水文物探方法應(yīng)用小結(jié)六、水文物探方法應(yīng)用小結(jié)（1 1）小窯采空區(qū)范圍及積水探測）小窯采空區(qū)范圍及積水探測 方法：瞬變電磁、激電、測氡、高密度電法方法：瞬變電磁、激電、測

24、氡、高密度電法 （2 2）含水層富水區(qū)及構(gòu)造富導(dǎo)水探測）含水層富水區(qū)及構(gòu)造富導(dǎo)水探測 方法：瞬變電磁方法：瞬變電磁 目的和任務(wù)為：目的和任務(wù)為： 1）探測新生界地層富含水區(qū)范圍。）探測新生界地層富含水區(qū)范圍。 2）探測煤系地層各富含水層范圍。）探測煤系地層各富含水層范圍。 3）探測奧陶系灰?guī)r巖溶發(fā)育狀況。）探測奧陶系灰?guī)r巖溶發(fā)育狀況。 4）推測煤層與奧陶系灰?guī)r之間有無導(dǎo)水通道。）推測煤層與奧陶系灰?guī)r之間有無導(dǎo)水通道。 5）對勘探區(qū)發(fā)育的斷層、陷落柱及三維地震勘探解釋的斷）對勘探區(qū)發(fā)育的斷層、陷落柱及三維地震勘探解釋的斷距距5米的斷層、長軸直徑米的斷層、長軸直徑20米的陷落柱，探測其富水性米的陷落柱，探測其富水性并推測導(dǎo)水狀況。并推測導(dǎo)水狀況。 瞬變電磁資料分析視電阻率剖面圖和視電阻率剖面圖和3 3號煤層順層視