煤礦水害防治地球物理技術 現狀與展望

煤礦水害防治地球物理技術 現狀與展望

中國礦業大學 嶽建華

2013年7月10日貴陽

報告提綱

1.1 1980－1990年 礦區水文物探

上世紀70年代末到80年代中期是煤炭電法勘探技術發展速度最快、推廣範圍最廣、地質成果最多的時期。在繼續進行隱蔽地區普查找煤的同時，逐步開展尋找水源和解決礦區水文地質問題的地麵水文物探工作。

在麵積為82.5平方公裏的雲南姚安盆地，應用電測深法查明了盆地基底起伏形態，圈定了第三紀含煤地層範圍，並根據電法資料分析了古地理和盆地沉積環境，解釋了第四係含水層和富水帶的分布。

1.1 1980－1990年 礦區水文物探

在河南義馬礦區、登封礦區、禹縣含煤區、新鄭含煤區，在內蒙古陳旗、東勝、準哥爾，在貴州在六枝礦區北段、盤縣礦區，在江西樂平礦區湧山和豐城礦區石灘，在湖南嘉禾縣袁家礦區北段，在陝西合陽東王地區，在新疆烏魯木齊河東鐵廠溝一堿溝等地，通過尋找岩溶裂隙水，為一大批生產礦區或規劃開發礦區既找到了豐富的水源，也為礦區防治水工作提供了重要的基礎資料。

1.1 1980－1989年 礦區水文物探

主要勘查技術 對稱四極電測深

主要技術支撐

1984年，中國礦業大學與江蘇煤田物測隊聯合開發直流電測深正反演微機軟件，代替理論量板法和人工經驗方法進行電測深定量解釋。安徽煤田物測隊提交的任樓地區水源電法勘探報告，全部采用該微機軟件反演解釋，提高了分層能力和解釋精度，地質效果明顯。

1985年，國家計劃委員會批準進口煤田露天綜合勘探設備，中國煤田地質總局引進10台套法國SYSCAL R2數字電法儀，改善了裝備條件。

1.1 1980－1989年 礦區水文物探

然而好景不長。從80年代後期起，由於國家投入的地質勘探經費不足，加之大麵積普查找煤工作結束，煤炭電法勘探進入低迷期。部分煤田物測隊因國家計劃任務不飽滿、工程量縮減或撤或並，而一部分電法勘探隊伍則走向社會地質市場，轉向城市或工程地質勘查，礦區地麵水文物探工作因此受到重大影響。

1.2 1990－1999年 礦井電法勘探

80年中後期，開灤範各莊礦、淮北楊莊礦等幾次大的煤礦突（透）水事故引起高度重視，以煤礦防治水為主要任務的礦井物探工作提上議事日程。1987年，煤炭部總工程師陳明和到中國礦業大學調研，要求啟動煤礦防治水礦井物探工作。

1988年底，結合淮北楊莊煤礦II617工作麵突水後複采論證，中國礦業大學礦井物探研究室與淮北礦務局地測處聯合開展“以礦井直流電法勘探為主，礦井地震勘探、放射性測量、微重力測量和紅外測溫為輔”的綜合礦井物探試驗工作。

1.2 1990－1999年 礦井電法勘探

在淮北楊莊煤礦的井下綜合物探技術試驗工作曆時2年，100多人先後參與了該項工作。當時在應用礦井物探方法探測和評價煤層底板突水條件方麵

無成功案例（匈牙利米什科奇大學，全蘇礦山地質力學與礦山測量科學研究所）

無專用設備（地麵儀器）

無參考資料（中情所，國家圖書館）

無理論指導（半空間理論）

1.2 1990－1999年 礦井電法勘探

在楊莊礦開展的井下技術試驗工作包括：

巷道頂、底板電測深

巷道電剖麵法

礦井高密度電阻率法

煤層層測深法

直流電透視法

微重力測量

紅外測溫

礦井地震勘探

坑透法

1.2 1990－1999年 礦井電法勘探

礦井電法勘探基礎研究得到國家資助：

1989年，巷道影響和全空間效應的物理模型實驗研究

1990－1994年，層狀介質全空間電場線性濾波法正演計算，頂、底板電測深曲線自動反演算法，層測深曲線的線性濾波法

1996－1997年，實現了巷道影響下全空間電流場邊界單元法數值模擬算法，提出巷道影響下的全空間電流場理論

1998年，實現了考慮巷道影響的全空間電測深、層測深邊界單元法數值模擬

2000－2003年，實現巷道影響下全空間電流場有限差分法和有限單元法數值模擬算法（國家自然基金）

1.2 1990－1999年 礦井電法勘探

巷道影響下的全空間電流場理論：

全空間效應 電流場具有向全空間分布的趨勢; 空間任何方位的地質異常體均會在觀測結果中有所反映

巷道影響 巷道內不導電空氣對全空間電流場的分布產生“畸變”影響，使得巷道周圍的電流場分布特征既不同於全空間，也不同於半空間

含煤地層宏觀電各向異性 垂直層麵和平行層麵布設的雙異極性電流源，其電流場分布具有明顯差異，其等效電流回路的電阻滿足不同的串、並聯關係;同時，觀測結果一般以布極一側地質異常體的電性響應為主（方位特性，蘭州大學學報）

1.2 1990－1999年 礦井電法勘探

礦井電法勘探方法與技術不斷豐富和完善：

側幫電測深 探測工作麵內陷落柱（礦大）

直流電透視 探測工作麵內小構造（礦大）

音頻電透視 探測工作麵底板含、導水構造（西安院）

點源梯度法 巷道掘進頭超前探（河北煤研所，礦大）

超前探孔中單極－偶極法 巷道掘進頭超前探（礦大）

水下采煤礦井物探 （山科大特采所）

1.3 2000－ 礦井電磁法勘探

背 景

95年，中國煤田地質總局組織“九五”物探科技調研後，決定引進瞬變電磁法。97年初，中國礦業大學和中煤物探研究院各引進一台SIRO－TEM 3F瞬變電磁儀。如何用？

98年前後，水文地質條件簡單的兗礦綜采放頂煤工作麵受頂板紅層砂岩水的困擾，嚴重影響生產效率; 權台礦3煤25工作麵回采掉水，懷疑頂板砂岩水受灰岩水補給。因此，探測頂板砂岩富水區的問題提上議程，但礦井直流電法在頂板布設電極遇到困難。怎麼辦？

1.3 2000－ 礦井電磁法勘探

礦井瞬變電磁法井下技術試驗

2001年，礦大於景村礦井瞬變電磁法理論及應用技術研究博士論文完成

2002年鎮江岩土工程勘查院陳金方、礦大於景村等，2003年皖北段中穩等分別發文介紹任樓礦應用礦井TEM探測底板陷落柱和檢測注漿效果

2003年，礦大劉樹才，嶽建華在第六屆中國國際地球電磁學學術研討會上結合徐礦和兗礦應用介紹了礦井瞬變電磁法探測巷道頂、底板含水構造的方法技術

2003年，中科院白登海等在第六屆中國國際地球電磁學學術研討會上結合峰峰牛兒莊應用實例介紹了地下全空間瞬變電磁法及其在煤礦水害預測中的應用

1.3 2000－ 礦井電磁法勘探

礦井瞬變電磁法井下技術試驗

2006年，焦作煤業郭純、劉白宙等發表《地下全空間瞬變電磁技術在煤礦巷道掘進頭的連續跟蹤超前探測》

2006年，礦大劉誌新、於景村等應用礦井瞬變電磁法探測工作麵內封閉不良鑽孔

2007年，劉誌新、嶽建華等提出巷道掘進頭超前探測的扇形觀測技術

2008年後，中國礦大，西安煤科院，安徽理工大學等多家高校科研機構和企業發表了許多關於礦井瞬變電磁法探測老空積水的文章

1.3 2000－ 礦井電磁法勘探

礦井瞬變電磁法井下技術試驗

發射和接收裝置 多匝小回線，提高觀測信號強度

觀測方式 重疊或分離

探測目標 巷道頂、底板，工作麵內，掘進頭前方含水體

方向特性 判定異常體空間方位

井下幹擾特征及其壓製方法 保證觀測質量，提高探測距離

儀器適用性研究

1.3 2000－ 礦井電磁法勘探

礦井瞬變電磁法基礎研究

2003年，嶽建華等在中國地球物理學會年會上分析了多匝小回線裝置視電阻率偏小的原因

2005年，博士點基金資助

2006年，國家自然基金資助

2007年，國家自然基金資助

中國礦大劉誌新，楊海燕，薑誌海，胡博，周仕新等一批年輕博士、碩士發揮重要作用，實現了礦井瞬變電磁法的2D、3D有限元法、有限差分法、邊界元法數值模擬，使基礎研究得以順利開展。

1.3 2000－ 礦井電磁法勘探

礦井瞬變電磁法基礎研究

總結了多匝小回線裝置收、發特征及其對觀測結果的影響

認識和掌握了典型地電體的異常響應特征，為定性解釋奠定了基礎

認識和掌握了天線方向特征，確立了異常體空間定位的理論基礎

初步掌握了時深轉換的規律，為定量解釋奠定了基礎

西安煤科院閆述等發表了井下全空間瞬變電磁法薄層和細導線響應特征的數值模擬結果

上述理論研究成果對於區分各類電磁類幹擾和含水體、導水通道的有效異常具有重要指導意義

7月29日8時30分左右，河南省三門峽市陝縣支建礦業有限公司支建煤礦東風井，因河床水通過采空區湧入井下，造成22采區69人被困

“8.17”山東新汶華源礦業公司洪水淹井事故，造成181人遇難

1.3 2000－ 礦井電磁法勘探

煤礦防治水物探的法律保障

2008年出台了《關於預防暴雨洪水引發煤礦事故災難的指導意見》和《關於進一步加強煤礦水害防治工作的意見》，2009年以國務院安委會辦公室名義下發了《關於防範煤礦水害事故的緊急通知》。

2009年正式頒布實施《煤礦防治水規定》（安監總局第28號局長令）。

《煤礦防治水規定》有關內容

第三十條 水文地質補充勘探工程量布置，應當滿足相應的工作程度，並達到防治水工作的要求。

礦井進行水文地質補充勘探時，應當對包括勘探礦區在內的區域地下水係統進行整體分析研究；在礦井井田以外區域，應當以水文地質測繪調查為主；在礦井井田以內區域，應當以水文地質物探、鑽探和抽（放）水試驗等為主。

礦井水文地質補充勘探工作應當根據礦井水文地質類型和具體條件，綜合運用水文地質補充調查、地球物理勘探、水文地質鑽探、抽（放）水試驗、水化學和同位素分析、地下水動態觀測、采樣測試等各種勘查技術手段，積極采用新技術、新方法。

《煤礦防治水規定》有關內容

第三十五條 井下水文地質勘探應當遵守下列規定：

（一）采用井下物探、鑽探、監測、測試等手段；

（二）采用井下與地麵相結合的綜合勘探方法；

（三）井下勘探施工作業時，保證礦井安全生產，並采取可靠的安全防範措施。

第四十條 礦井可以根據本單位的實際，采用直流電法（電阻率法）、音頻電穿透法、瞬變電磁法、電磁頻率測深法、無線電波透視法、地質雷達法、淺層地震勘探、瑞利波勘探、槽波地震勘探方法等物探方法，並結合鑽探方法對資料進行驗證。

1.3 2000－ 礦井電磁法勘探

煤礦防治水物探的法律保障

2010年3月，駱駝山煤礦和王家嶺煤礦透水事故發生後，國家安全監管總局、國家煤礦安監局在全國煤礦係統開展了為期3個月的水害隱患排查專項行動。全國各地區煤礦安全監察機構將水害防治列入重點監察、專項監察和定期監察之中。

2011年頒布實施新修改的《煤礦安全規程》（防治水部分）。

1.3 2000－ 礦井電磁法勘探

地麵、井下物探與鑽探相結合的立體勘查技術

最近3－5年，各方神仙大顯神通，因地製宜地開展物探工作，以瞬變電磁法為主，以地震勘探、直流電法勘探、可控源電磁法、高密度電法、探地雷達、微重力測量、放射性測量、核磁共振法為輔的多方法綜合、井上下立體勘查的技術體係基本形成

方法優點：

觀測資料直觀形象，異常形態簡單，分辨率高

數據處理解釋軟件成熟，定量化水平高

施工簡便、快速，可采用高密度電法儀提高自動化程度

可避免高密度電法的測量盲區，並能通過采用施倫貝爾裝置提高勘探深度

施用條件：

300m以淺

地表有第四係覆蓋

中等良導電地層

震電聯合解釋實例

層測深法—單一巷道探測工作內構造

礦井直流超前探—點源梯度法

礦井直流超前探—常用解釋方法是交繪法

礦井瞬變電磁法—多匝小回線超前探

礦井瞬變電磁法—頂、底板，側幫探測

多匝小回線TEM觀測結果存在問題

問題的分析

過去三十年，中國煤礦防治水地球物理技術已從單一的地麵煤田水文電法勘探，發展到以保障煤礦安全生產為主要任務的集礦井物探、地麵地震勘探和電（磁）法勘探等井上、下技術於一體的立體綜合物探體係，儀器性能不斷改進，基礎理論、數據處理與解釋方法不斷完善。解決地質問題的能力逐步增強，從劃分含水層、隔水層，圈定含導水構造，到確定老窯采空區範圍及其積水區，到評價奧灰頂部岩溶發育情況，到探測工作麵內封閉不良鑽孔或陷落柱或工作麵頂底板隱伏構造，到掘進頭超前探測，及動態監測上覆岩層移動和底板破壞等均有成功案例，物探已成為煤礦防治水主要技術手段之一。