防治水中的物探方法(煤销集团讲座)

1、矿井防治水中的物探方法矿井防治水中的物探方法太原理工大学太原理工大学2012年年9月月杨德义杨德义目录目录 前言前言一、矿井水简介一、矿井水简介二、物探的概念及分类二、物探的概念及分类三、电法勘探简介三、电法勘探简介四、地震勘探简介四、地震勘探简介五、常用的煤矿水文物探仪器五、常用的煤矿水文物探仪器六、水文物探方法应用小结六、水文物探方法应用小结 前言前言1、探明探明含水体含水体对于煤矿安全生产、安全防护及合理规划对于煤矿安全生产、安全防护及合理规划 意义重大。意义重大。2、物探方法是一种快速、经济、物探方法是一种快速、经济、有效有效的煤矿水文地质方法。的煤矿水文地质方法。 3、煤矿水文物探、

2、煤矿水文物探=水文地质水文地质+矿井地质矿井地质+物探（地震物探（地震+电法）。电法）。4、物探方法复杂，物探仪器繁多，物探成果具有、物探方法复杂，物探仪器繁多，物探成果具有多解性多解性。5、选择、选择合理合理的物探方法。的物探方法。 6、坚持防治水、坚持防治水“16字方针字方针”，特别是，特别是“有掘必有掘必探探” 。一、矿井水简介一、矿井水简介1 1、矿井水分类（按含水层空隙性质）、矿井水分类（按含水层空隙性质） 孔隙水孔隙水、裂隙水裂隙水、岩溶水岩溶水、老空水老空水2、 矿井水的来源矿井水的来源（1）大气降水）大气降水 调查调查（2）地表水）地表水 调查调查（3）含水层水）含水层水 水文

3、钻探水文钻探+物探（地面）物探（地面）（4）老窑水）老窑水 物探（地面物探（地面+井下）井下）+钻探（井下）钻探（井下）（5）断层（陷落柱）水）断层（陷落柱）水 物探物探+钻探（井下）钻探（井下）3、矿井水害类型、矿井水害类型二、物探的概念及分类二、物探的概念及分类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专门的仪器，观测这些地球物用专门的仪器，观测这些地球物理异常理异常，取得它们，取得它们(在时间和空间上在时间和空间上)的分布及形态等的分布及形态等有关地球物理资料，然后结合已知地质资料进行分有关地球物理资料，然后结合已知地质资料进行分析研究，推断地下地质构造，或确定介质

4、的性质，析研究，推断地下地质构造，或确定介质的性质，从而达到解决地质问题的目的。从而达到解决地质问题的目的。2 2、物探方法分类、物探方法分类 三、电法勘探简介三、电法勘探简介1、什么是电法勘探、什么是电法勘探 电法勘探是以岩、矿石之间电法勘探是以岩、矿石之间电学性质的差异电学性质的差异为基础，通为基础，通过观测和研究与这些差异有关的电场或电磁场在空间或时过观测和研究与这些差异有关的电场或电磁场在空间或时间上的分布特点和变化规律，来查明地下地质构造和寻找间上的分布特点和变化规律，来查明地下地质构造和寻找地下电性不均匀体地下电性不均匀体的一类勘查地球物理方法。的一类勘查地球物理方法。方方 法法特

5、特 点点主要应用范围主要应用范围直流电直流电法法1 1）理论方法成熟，施工技术简单，抗干）理论方法成熟，施工技术简单，抗干扰。扰。2 2）体积效应大，勘探深度越大，分辨率）体积效应大，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。主要用于浅部（小于主要用于浅部（小于500500米）的水米）的水文勘探工作，如：第四系含水层、文勘探工作，如：第四系含水层、覆盖层厚度、断层裂隙带、岩溶、覆盖层厚度、断层裂隙带、岩溶、采空区等的勘查。采空区等的勘查。瞬变电瞬变电磁测深磁测深法法1 1）体积效应小、分辨力高、施工效率高体积效应小、分辨力高、施工效率高；2 2）能穿

6、透）能穿透高阻屏蔽层高阻屏蔽层，勘探深度大；，勘探深度大；3 3）抗干扰能力抗干扰能力比直流低；受地表人文设比直流低；受地表人文设施干扰大。施干扰大。5 5）存在浅部勘探）存在浅部勘探盲区盲区。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：砂岩富水区、水文勘探工作，如：砂岩富水区、断层裂隙带、岩溶裂隙、采空区断层裂隙带、岩溶裂隙、采空区等的勘查。等的勘查。CSAMTCSAMT1 1）能穿透高阻屏蔽层，勘探深度大；）能穿透高阻屏蔽层，勘探深度大；2 2）横向分辨力高、施工效率高；）横向分辨力高、施工效率高；3 3）受地表不均匀体影响大（静态效应）；）受地表不均

7、匀体影响大（静态效应）；4 4）存在过渡区；）存在过渡区；5 5）资料处理解释复杂。）资料处理解释复杂。可用于中深部（可达可用于中深部（可达15001500米）水米）水文勘探工作，如：砂岩富水区、文勘探工作，如：砂岩富水区、断层裂隙带、岩溶裂隙、地热等断层裂隙带、岩溶裂隙、地热等的勘查。的勘查。（1 1）地形复杂时地形影响难）地形复杂时地形影响难以完全消除。以完全消除。（2 2）易受地面高压线、河流、）易受地面高压线、河流、水库、地下管网及其它水库、地下管网及其它 铁磁性物质干扰。铁磁性物质干扰。（3 3）上部低阻体易对下部形）上部低阻体易对下部形成低阻屏蔽，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）相对于横向而言，垂向）相对于横向而言，垂向分辨率低，深度误差大。分辨率低，深度误差大。（5 5）网度（线距）网度（线距* *点距）问题。点距）问题。总体而言，该方法仍以定性解总体而言，该方法仍以定性解释为主。释为主。300400500600700800900100011003644526068768492100 108 116 124 132 140 148 156 164 172 180标高（m）4煤7煤9煤奥灰点号富水区21141210152 视电阻率等值线断面图视电阻率等值线断面图 K4砂岩富水异常平面图砂岩富水异常平面图（1 1）井下直流电法勘探）井下直流

9、电法勘探特点：特点： 理论成熟理论成熟、浅部勘探精度高；、浅部勘探精度高；体积效应大；体积效应大； 由于高阻煤层屏蔽影响，能由于高阻煤层屏蔽影响，能反映底板以下地质情况；反映底板以下地质情况； 工作效率低、劳动强度大；工作效率低、劳动强度大； 施工条件受巷道空间、长度施工条件受巷道空间、长度的影响较大。的影响较大。 探测结果受巷道内局部电性探测结果受巷道内局部电性不均匀体影响较大不均匀体影响较大。 方法多，井下主要是方法多，井下主要是高密度高密度电法及三极直流测深法电法及三极直流测深法。 装置多，常用的有电测深装置多，常用的有电测深（三极测深、四极测深）、（三极测深、四极测深）、电剖面法（三极

10、剖面、偶极电剖面法（三极剖面、偶极剖面）。剖面）。高密度电阻率法高密度电阻率法探测底板（淮北）探测底板（淮北）三极直流超前探测及底板探测解释成果图三极直流超前探测及底板探测解释成果图 （柳林）（柳林） 0481216202428323640444852566064687276808488巷道迎头-30-25-20-15-10-505101520253035401号异常2号异常3号异常4号异常812m3438m4651m7177m巷道视电阻率异常值标尺-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巷道迎头位 置迎头后方(m)巷 道奥灰水原始导升高度与迎头前方破碎有关的低阻异常带 由于井下测量环境与地表不同，只能采用由于井下测量环境与地表不同，只能采用边长小于边长小于3m的多匝的多匝小线框小线框，因此与地面瞬变电磁法相比具有数据采集工作量小，测，因此与地面瞬变电磁法相比具有数据采集工作量小，测量设备轻便，工作效率高，成本低等优点。量设备轻便，工作效率高，成本低等优点。 由于采用小线圈测量，由于采用小线圈测量，点距更密点距更密（一般为（一般为15m），可降低体），可降低体积效应，提高勘探的横向分辨率。积效应，提高勘探的横向分辨率。 井下测量井

12、下测量装置靠目标体更近装置靠目标体更近，将会大大提高异常体的感应信号，将会大大提高异常体的感应信号强度。强度。 由于瞬变电磁法关断时间的影响，与其它物探方法相比无法探由于瞬变电磁法关断时间的影响，与其它物探方法相比无法探测到更浅部的异常体，测到更浅部的异常体，在浅部形成在浅部形成20m左右的盲区左右的盲区。 矿井瞬变电磁法勘探矿井瞬变电磁法勘探受井下金属仪器设备受井下金属仪器设备（采煤机械、（采煤机械、 变压器变压器、金属支架等）的影响较大。、金属支架等）的影响较大。超前探测时超前探测时发射线框的角度发射线框的角度 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探测方向示意图测点布置示意图右帮右帮 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 异 常 区绞 车北回风大巷探测方向-50-40-30-2

14、0-10010203040506070左 帮 右 帮 3202 采 面 切 眼 探 测 3201 采 空 区 赋 水 性 成 果 图-30-20-10010203040506070-30-20-10010203040506070048121620283644 无线电波透视法是通过研究无线电波透视法是通过研究电磁波电磁波在坑道间的传播在坑道间的传播特性和被介质吸收的情况来寻找圈定各种目标的。特性和被介质吸收的情况来寻找圈定各种目标的。 所用频率属所用频率属高频频段高频频段，一般为一百千赫至几十兆赫。，一般为一百千赫至几十兆赫。 无线电波遇到电性不同的目标体时会发生反射、折无线电波遇到电性不同的目

15、标体时会发生反射、折射、透射、边缘绕射以及对波的吸收等现象，因而改射、透射、边缘绕射以及对波的吸收等现象，因而改变了场的分布形态。变了场的分布形态。 无线电波透视法主要应用于探测无线电波透视法主要应用于探测工作面内构造，工作面内构造，如如陷落柱、断层、煤层变薄区等。对穿距离陷落柱、断层、煤层变薄区等。对穿距离200m左右。左右。 定点法观测示意图定点法观测示意图 定点法观测时定点法观测时, , 发射机的位置在一定的时间内相对固定发射机的位置在一定的时间内相对固定, , 接收机在接收机在一定的范围逐点观测其场强值一定的范围逐点观测其场强值, , 即定点发射即定点发射, , 多点接收。多点接收。

16、, , 可对工可对工作面全面覆盖两次作面全面覆盖两次, , 不留盲区不留盲区, , 并能运用两巷定点交汇法并能运用两巷定点交汇法, , 根据坑透根据坑透综合曲线图综合曲线图, , 具体确定地质异常体的性质和空间位置及大小。定点法具体确定地质异常体的性质和空间位置及大小。定点法是井下常用的观测方法。是井下常用的观测方法。 用同步法观测时用同步法观测时, , 发射天线和接收天线分别位于不同的巷道中发射天线和接收天线分别位于不同的巷道中, , 同同时作等距离移动时作等距离移动, , 逐点发射和接收。用这种方法观测容易形成盲区逐点发射和接收。用这种方法观测容易形成盲区, , 有漏测的可能。有漏测的可能

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 坑透法探测工作面内陷落柱坑透法探测工作面内陷落柱 5 5、井下瞬变电磁法存在的问题、井下瞬变电磁法存在的问题 （1 1）探测距离（深度）有限，）探测距离（深度）有限，有效探测距离一般小于有效探测距离一般小于 80m80m。（2 2）易受巷道内矿车、采煤）易受巷道内矿车、采煤机、电缆、锚网、铁路等机、电缆、锚网、铁路等 铁磁性物质干扰。铁磁性物质干扰。

18、（3 3）有盲区，约）有盲区，约20m20m。（4 4）缺规范。）缺规范。（5 5）设计、报告无审查。）设计、报告无审查。 四、地震勘探简介四、地震勘探简介1、什么是地震勘探、什么是地震勘探实质：实质：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，敲击等如爆炸，敲击等)产生振产生振动动(地震地震)，研究振动在地下的传播规律，以查明地下地，研究振动在地下的传播规律，以查明地下地质情况和有用矿藏质情况和有用矿藏(如石油，煤田等如石油，煤田等)的一种地球物理勘的一种地球物理勘探方法。探方法。 二维地震勘探时，只能得到射线平面内的地质信息，射线二维地震勘探时，只能得到射线平面内的地质信息，射线

19、平面只垂直于地下反射界面，不一定垂直于地面。这就是为平面只垂直于地下反射界面，不一定垂直于地面。这就是为什么要做什么要做3D。三维地震：三维地震： 一次激发，沿一次激发，沿“面积面积”全面观测数据体，得全面观测数据体，得出测区以下的三维信息。出测区以下的三维信息。 3D地震可利用得到的射地震可利用得到的射线平面以外的信息，消除线平面以外的信息，消除旁侧干扰，使构造归位。旁侧干扰，使构造归位。3-D三维地震数据体（霍尔辛赫）三维地震数据体（霍尔辛赫）三维地震时间剖面（霍尔辛赫）三维地震时间剖面（霍尔辛赫）X8陷落柱陷落柱T3T15三三维维地地震震成成果果1、得到的是高密度三维信息，处理后提供高密

20、度得到的是高密度三维信息，处理后提供高密度的三维数据体；的三维数据体；2 2、通常会得到较小的深度误差（不大于通常会得到较小的深度误差（不大于2%2%）; ;3 3、在构造复杂地区可得到较准确的构造（断层、在构造复杂地区可得到较准确的构造（断层、陷落柱、采空区）信息（大于陷落柱、采空区）信息（大于5m5m的断层，大于的断层，大于30m30m的陷落柱）的陷落柱）; ;4 4、能预测煤层厚度变化、冲刷带等能预测煤层厚度变化、冲刷带等; ;三维地震勘探的特点：三维地震勘探的特点：1 1、地形高差太大时，平面摆动范围大；、地形高差太大时，平面摆动范围大；2 2、干黄土厚时，信噪比低，分辨率低、干黄土厚

21、时，信噪比低，分辨率低; ;3 3、煤层或采空区埋深浅时，效果差、煤层或采空区埋深浅时，效果差; ;4 4、一般来说，不能直接解决与水有关的问题、一般来说，不能直接解决与水有关的问题; ;5 5、不同的地震地质条件，勘探成本差异大。、不同的地震地质条件，勘探成本差异大。三维地震勘探的问题：三维地震勘探的问题：五、常用的煤矿水文物探仪器五、常用的煤矿水文物探仪器1、地面电法仪器、地面电法仪器 GDP-32（美国）、（美国）、V8（加拿大）、（加拿大）、PROTEM系列系列 （加拿大）（加拿大） 、TERATEM（澳大利亚）（澳大利亚）2、井下电法仪器、井下电法仪器 矿井全方位探测仪（西安）、直流

22、电法仪（重庆、西安）矿井全方位探测仪（西安）、直流电法仪（重庆、西安） 瞬变电磁仪（福州、武汉）、音频电穿透仪瞬变电磁仪（福州、武汉）、音频电穿透仪 （西安）、（西安）、 另外，还有地质雷达、反射波、折射波、槽波地震、瑞雷波、另外，还有地质雷达、反射波、折射波、槽波地震、瑞雷波、岩体声波探测等方法和仪器。岩体声波探测等方法和仪器。3、地面地震勘探仪器、地面地震勘探仪器 408、428系列（法国）、系列（法国）、SN388（美国）、（美国）、ARIES（加拿大）（加拿大） （一）地面物探（一）地面物探目前可解决的水文地质问题：目前可解决的水文地质问题： 1）采空区范围采空区范围及积水情况。及积水

23、情况。 2）新生界地层富、含水区范围。）新生界地层富、含水区范围。 3）煤系地层各富、含水层范围。）煤系地层各富、含水层范围。 4）煤层和奥陶系灰岩顶界面起伏形态煤层和奥陶系灰岩顶界面起伏形态及岩溶发及岩溶发育状况。育状况。 5）推测煤层与奥陶系灰岩之间有无导水通道。）推测煤层与奥陶系灰岩之间有无导水通道。 6）对勘探区发育的）对勘探区发育的断层、陷落柱，断层、陷落柱，探测其富水探测其富水性并推测导水状况。性并推测导水状况。六、水文物探方法应用小结六、水文物探方法应用小结（1 1）小窑采空区范围及积水探测）小窑采空区范围及积水探测 方法：瞬变电磁、激电、测氡、高密度电法方法：瞬变电磁、激电、测

24、氡、高密度电法 （2 2）含水层富水区及构造富导水探测）含水层富水区及构造富导水探测 方法：瞬变电磁方法：瞬变电磁 目的和任务为：目的和任务为： 1）探测新生界地层富含水区范围。）探测新生界地层富含水区范围。 2）探测煤系地层各富含水层范围。）探测煤系地层各富含水层范围。 3）探测奥陶系灰岩岩溶发育状况。）探测奥陶系灰岩岩溶发育状况。 4）推测煤层与奥陶系灰岩之间有无导水通道。）推测煤层与奥陶系灰岩之间有无导水通道。 5）对勘探区发育的断层、陷落柱及三维地震勘探解释的断）对勘探区发育的断层、陷落柱及三维地震勘探解释的断距距5米的断层、长轴直径米的断层、长轴直径20米的陷落柱，探测其富水性米的陷落柱，探测其富水性并推测导水状况。并推测导水状况。 瞬变电磁资料分析视电阻率剖面图和视电阻率剖面图和3 3号煤层顺层视