三维高密度电法在矿井水害防治中的应用
高密度电法技术在煤矿水患探测中的应用

文 献标 志码
近年 来 , 区 井 下 突水 事 故 时 有 发 生 , 企 业 矿 给
造 成重 大 的人 员伤 亡 和经 济 损 失 , 着 开采 水 平 的 随 延 伸 和开 采 范 围 的扩 大 , 文 条 件 更 为 复 杂 , 水 水 受 害 威胁 的程 度也 就 更 为严 重 。 因此 , 定 可 能 的开 确 采 过程 中的 突 水 隐 患 , 证 矿 井 安 全 生 产 , 根 本 保 从
2 2 构 造 . 井 田构造 较 为复 杂 , 处 桑木 场 背 斜 的北西 翼 地
南西 端 , 断 裂 构 造 , 发 育 一 个 次 级 小 背 斜— — 无 仅
朝 阳洞背 斜 。
朝 阳洞背 斜 : 斜 轴 向北 东 , 部 地 层 为 F m 背 核 2 的厚层 块状 灰岩 , 翼 地层 为 P 1 两 2 的碎 屑 岩 、3 P c的 灰岩 和 T y的碎 屑 岩 夹泥 质 灰 岩及 泥灰 岩 , 西 翼 l 北
( ・ , Q m)
上 预 防井 下 水 灾 害 的 发 生 。成 为 企 业 安 全 开 采 的 首要 任 务 。
2 概 况
2 1 地形 地貌 .
本 矿 区位 于云 贵 高原 黔 北 地 区 , 地貌 为侵 蚀 阶
地 的低 中 山 地 貌 , 高 海 拔 14 16 i, 低 海 拔 最 8 . n 最
9 2 5 1, 4 . 3 相对 高差 5 9 1I。煤 层 出露 地 段相 对 高 1 3 . n
差 10m。区 内水 系 不 发 育 , 有 两 岔 河从 矿 区南 3 仅
1 高密度 电法工作 原理
高密 度 电 法 的基 本 工 作 原 理 与 常 规 电阻 率 法 大体 相 同 。它 是 以岩 土 体 的 电性 差 异 为 基 础 的一
三维高密度电法在矿井水害防治中的应用

SerialNo.620December.2020现 代 矿 业MODERNMINING总第620期2020年12月第12期 国家自然科学基金项目(编号:41572244)。
宋 伟(1986—),男,硕士研究生,266590山东省青岛市经济技术开发区前湾港路579号。
三维高密度电法在矿井水害防治中的应用宋 伟 翟培合 徐西滨 张 钊(山东科技大学地球科学与工程学院) 摘 要 红旗煤矿位于山东省济宁市境内,属典型的华北型煤田,其开采受底板奥陶灰岩水威胁较大。
为探明3215工作面顶板和底板矿井水的位置和赋存形态,采用井下三维高密度数据采集系统;运用标准三维模型和圆滑约束最小二乘法进行反演计算,借用三维可视化系统成图,得到工作面顶板和底板的地层电阻率三维数据体;而后采用切片技术切割数据体,确定了矿井水的位置与赋存状态。
结合矿区地质资料得出结果,工作面顶板砂岩富水性总体不强,仅在切眼处地层30m的范围内富水性较大;工作面底板下奥灰顶部80m地层富水性较差。
故在煤矿开采过程中,需对顶板地层重点进行水文地质监测,以保障煤矿的安全开采。
关键词 三维数据体 三维可视化 最小二乘法 切片技术 矿井水害DOI:10.3969/j.issn.1674 6082.2020.12.063 随着煤炭资源进入深部开采,矿井水文地质条件愈加复杂,以华北型煤田为代表的煤矿在深部开采过程中普遍受到底板奥陶灰岩岩溶突水量大、迅速、频繁的特点严重威胁。
当煤层局部富水,由于水中导电离子存在,使得富水区域电阻率急剧减小,这就为使用电法勘探提供了物理基础[1]。
山东科技大学施龙青、翟培合等[1]结合电法勘探技术,开发了矿井三维高密度电法测量系统,实现了工作面顶底板富水性的采前三维探测,较好地探测了富水区域所在的位置及富存形态,对开采过程中的水文地质监测加以指导,保障了煤矿安全开采。
1 三维高密度电法工作原理三维高密度电法是在二维电阻率法基础上进化而来的新型阵列勘察方式,基本原理与传统电阻率法基本一样,是以异常体与围岩导电阻率差别为根本的传导式电探方式,研讨阐述在施加稳态不变电流场下的地中传导电流的散布规律[2 3]。
三维电法超前探在巷道掘进水害防治中的应用

随着煤矿探测技术的快速发展,三维电法超前探测技术得到了广泛应用。
三维电法超前探测技术属于一种直流电法,该技术的优点主要是能够对远距离的矿井情况进行探测,而且探测过程中几乎不会受到隧道周边环境的干扰,并能够对矿井中存在的异常体进行三维显示,因而具有较高的应用价值[1]。
1 三维电法超前探的基本原理三维电法超前探测技术是在矿井岩石电性差异的基础上,于巷道内布置供电电极,使矿井中的地下电流能够顺利通过巷道内布置的供电电极,这样便能够使整个巷道周围的岩层之间形成一个电场,且该电场是一种全空间式稳定性的电场[2]。
采用一定的技术测量该电场的变化规律,获得相应的数据信息,采用反演处理与解释对获得的数据信息进行处理,特别注意处理过程中应排除其他方向上的干扰,得到巷道掘进前方时的视电阻率,最终便能够获得该巷道内水文与地质构造等规律[3]。
通常情况下,富水性强的地层中电阻率相对较低,同时与周围岩石之间存在显著性的差异,因而能够有效确定其岩体与矿体的物性分布规律,并能够确定其地质构造的特点,进而能够为巷道的安全掘进提供依据,保障巷道掘进的安全性[4]。
2 在巷道掘进水害防治中三维电法超前探的应用2.1 工程的简要介绍该井田位于煤矿的中部位置,南北长度大约2km,东西宽度大约为15km,其面积约为180km2。
在巷道掘进过程中,井巷工程-700m处的回风大巷出现了一系列的突水迹象。
该井巷工程包括开采上组煤与开采下组煤,其中,开采上组煤主要包括了三层,分别是3#煤层顶、太原组以及底板砂岩,该三层属于直接冲水含水层;开采下组煤主要包括了两层,分别是十灰与奥灰,该二层属于直接充水含水层。
此外,该井巷工程的含煤层属于沉积岩地层,该地层横向稳定性较好,因而电阻率值也相对较为稳定,同时该地层的温度相对较高,增强了导电离子的活动性,进而会使该矿井的富水层电阻率得到降低,这样便会增加该地层与正常地层之间电阻率的差异,因此可以采用三维电法超前探测技术对该地层进行探测。
高密度电法在水文地质和工程地质中的应用分析

高密度电法在水文地质和工程地质中的应用分析高密度电法可从剖面或断面反演色谱图,直观、形象地反映出所探测体的电性分布形态和结构特征,因其快速、经济技术成熟,从而可灵活地在水文地质和工程地质勘察中广泛应用。
本文笔者对高密度电法在水文地质和工程地质中的应用进行了探讨,希望对相关从业人员具有借鉴意义。
标签:高密度电法水文地质工程地质应用0前言经过多年的发展,高密度电法日趋成熟和完善,拥有十分突出的技术表现和优势。
在水文和工程地质领域,高密度电法得到了越来越普遍的关注。
1高密度电法主要工作原理高密度电法是电探测法和电剖面法相结合的产物,从其基本工作原理来看,其与传统电阻率法十分相似。
其主要区别在于,高密度电法在被观测位置布置了高密度点位,它们采用了阵列勘探法,也就是说通过灵活组合和搭配电极实现全覆盖测量。
在实地测量活动中,要保证将所有电极布置在剖面测点上。
同时启动程控电极和微机工程电测仪,可以完成测量数据的搜集工作。
搜集工作对象是在同一个剖面上不同电极距和电极排列方式获取的测量数据。
同传统电阻率法相比,高密度电法主要有以下几方面突出优势:(1)具有更高的工作效率。
高密度电法电极布置是一次性完成的,这样可以节约大量工作时间,降低设备故障发生率,有效提高了地质测量效率。
(2)测量面选择十分多样化。
由于高密度电法可以采用十分灵活多变的电极排列组合方式,在不同电极排列方式下可以实现不同种类的测量方案,可以获取多方位的地电断面数据。
(3)具有较高的自动化水平。
目前,高密度电法可以实现野外作业半自动化,有效节省了人力资本,提高了工作效率。
另外,随着地球物理反演技术不断发展,高密度电法电阻率成像水平也得到了显著提升,从过去的一维发展到了三维,有效提高了解释精度。
2高密度电法应用案例分析2.1大坝渗漏点查找在实地探测过程中,该水库水位是194m,探测主要目的是查找大堤是否有渗漏点。
该水库大堤采用了C10型混凝土浇筑而成,堤坝厚度60cm。
高密度三维电法在矿井断层构造含(导)水性探测中的应用

高密度三维电法在矿井断层构造含(导)水性探测中的应用毛庆福;高学亮;刘震【摘要】利用高密度三维电法技术对3305工作面底板含水层富水性及DF53断层含(导)水性进行探测,构建电阻率三维数据体,查明工作面底板地层富水性及DF53断层的含(导)水性,指导3305工作面防治水工作,确保工作面采掘不受水害影响,从而实现矿井安全生产.【期刊名称】《煤矿现代化》【年(卷),期】2019(000)006【总页数】2页(P64-65)【关键词】含(导)水性;探测;高密度三维电法;防治水【作者】毛庆福;高学亮;刘震【作者单位】山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿,山东汶上 272502;山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿,山东汶上 272502;山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿,山东汶上 272502【正文语种】中文【中图分类】TD7451 概况阳城煤矿3305工作面位于三采区深部,设计开采3煤层,工作面煤层赋存标高-870m至-1050m,倾角25°~35°,平均29°,煤层平均厚度7.2m,煤层底板距三灰含水层间距54m,距奥灰含水层间距约210m;该工作面皮顺联络巷掘进期间邻近且穿过DF53断层(落差35m,倾角30°,走向62°),断层的含(导)水性不明,3305工作面掘进及回采期间受底板三灰及奥灰承压水及DF53断层水害威胁。
为保障矿井生产接续及职工生命财产安全,故利用该项技术超前探测查明3305工作面底板含水层富水性及DF53断层构造的含(导)水性,从而有针对性的制定并落实有效防治水措施,确保工作面采掘安全。
图1 3305工作面DF53断层高密度三维电法勘探区域图2 勘探范围阳城煤矿3305工作面为一长760m、宽210m的近矩形区域,面积约159600m2,设计工作面底板最大探测深度为底板下240m。
如图1所示。
3 技术原理井下高密度三维电法是利用直流电法测定工作面煤岩层电阻率,根据岩层与岩层之间、岩层与煤层之间的电阻率差异,结合岩石和煤层与矿物成分、岩性、层理、含水性、孔隙度和孔隙结构等相互关系,解释分析勘探区域岩层及断层构造的含(导)水性。
矿井高密度三维电法成像数值模拟及应用

矿井高密度三维电法成像数值模拟及应用WAN Haohao;ZHU Lu;CHEN Jinhao;LI Wenxi【摘要】为了探测岩层低阻异常体,防治矿井水害,使用Visual Fortran软件编辑,建立4个相关地电模型,择取二极装置,仿造实际现场数据采集的跑极模式,对自建模型进行基于有限元理论的正演模拟研究,尤其是要辅以水层反演方式进行立体成像,多方向切片处理三维数据体,对比构建模型的差异与契合点,分析限制条件下巷道影响与全空间效应的相互叠加性.结果表明:排除异常现象得到的可视立体图像,能更好地显示陷落柱异常体的响应特征,更清晰地展现低阻未明体的分布范围,可为井下电法勘探数据解释的准确性,提供可靠的理论依据.%To detect low resistivity abnormal bodies in rock strata and prevent mine water hazards, four relevant geoelectric models are established by using Visual Fortran software. Dipole devices are selected to imitate the pole-running mode of actual field data acquisition. Forward modeling based on finite element theory is carried out for the self-modeling model, especially with the aid of water layer inversion. Stereo imaging and multi-directional slicing are used to process three-dimensional data volume. The differences and coincidence points of the model are compared. The overlap between the effect of roadway and the effect of whole space under the restrictive conditions is analyzed. The results show that the visual stereo image obtained by eliminating abnormal phenomena can better display the response characteristics of the abnormal body of collapse column and be clearer. It can provide reliable theoretical basis for the accuracy of datainterpretation of underground electrical prospecting by clearly displaying the distribution range of low resistivity undetermined bodies.【期刊名称】《煤矿安全》【年(卷),期】2019(050)006【总页数】5页(P230-234)【关键词】地电模型;相互叠加;Visual Fortran;有限元理论;水层反演【作者】WAN Haohao;ZHU Lu;CHEN Jinhao;LI Wenxi【作者单位】College of Earth Sciences & Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;College of Earth Sciences & Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;College of Earth Sciences & Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;College of Earth Sciences & Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China【正文语种】中文【中图分类】TD745+.21直流高密度电阻率法在矿井中的应用已渐为成熟[1-2],但随着煤矿开采深度的逐渐增加,地质条件变得尤为复杂,其中岩体突水已成为危害矿井安全的重大灾害之一,为确保井下开采工作的安全高效进行,科研工作者进行了深入研究。
三维电法在矿井防治水害中的应用

三维电法在矿井防治水害中的应用梁德贤;翟培合;王莹【摘要】高密度电阻率法是近期发展起来的一种电法勘探方法,而三维高密度电法勘探是在其基础上发展起来的.本文简要介绍了三维高密度电法勘探的原理,对三维高密度电法的工作方法做了详细介绍,即它的数据采集、数据处理、资料解释,而且重点介绍了三维高密度电法的数据反演方法,得到了电阻率的三维数据体.结合实例,运用切片技术,将得到的三维数据体进行横向、纵向任意切片.揭示了该技术具有采集数据量大、能够进行切片处理、直观立体地展示富水区域等优点,从而更好地为矿井水灾害防治服务.该技术尚处于初步发展阶段,仍需投入大量研究.【期刊名称】《工程地球物理学报》【年(卷),期】2012(009)004【总页数】5页(P385-389)【关键词】三维高密度电法;反演;三维数据体;切片技术;矿井水害【作者】梁德贤;翟培合;王莹【作者单位】山东科技大学地质科学与工程学院,山东青岛266590;山东科技大学地质科学与工程学院,山东青岛266590;山东科技大学地质科学与工程学院,山东青岛266590【正文语种】中文【中图分类】P6311 引言高密度电阻率法是20世纪80年代发展起来的一种新型阵列勘探方法,基于静电场理论,以探测目标体的电性差异为前提进行的。
该方法采集数据量大,可进行层析成像计算,成图直观,可视性强,装置种类多,仪器轻便。
高密度电阻率法原理上属于电阻率法的范畴,既能提供地下地质体某一深度沿水平方向岩性的变化,也能反映铅垂方向岩性变化,一次可完成纵、横二维的探测过程,在不同领域受到广泛的应用。
三维高密度电法勘探是在二维电法勘探[1~5]的基础上发展起来的,采集数据量大,数据体信息丰富,可运用切片技术进行高精度的数据解释,有二维电法勘探所不能比拟的优点。
本文利用井下高密度三维电法技术,对河南煤化集团焦煤公司古汉山煤矿15051、15071工作面底板地层富水性进行了探测,精确圈定出低阻异常范围,并结合有关地质资料成功解释出了底板含水层L8、L2及奥灰的富水性,查明了工作面内的导水断层、陷落柱等不良地质构造,为煤矿15051、15071工作面下一步的防治水害工作奠定了基础。
井下高密度三维电法勘探在综放工作面中的运用

为便于解释应用 , 应用切片技术 ( 2 , 图 )分别进行 了水平
及 垂直 切 片 。
布、 变化 规律 , 藉以 了解 巷道顶底板 或所 在岩 层 内的地 质情
况是矿井直流电法勘探 的主要任务 。
5 数据 处理
本 次 三 维 电法 资 料 解 释 使 用 Si r i r 维 可 视 化 系 l e c 三 c D e
统, 采用切片技术 精确 圈定低 阻异常范 围 , 然后结合 有关地
为顶板上 10米 ,构建顶板砂 岩地层 电阻率三维数据体 , 0 应
用切 片技 术分 析工作 面顶板砂 岩的富水性 , 圈定顶板砂岩地 层 的富水 区域 ,指导鲍店煤矿 7 匕 5 3|0 工作 面开采过程 中顶 板砂岩地层的防治水 工作 。
质资料解释 出顶板砂岩地层 的富水性 。 数 据处理后得 到了 7 O 工作 面顶 板砂岩地层 电阻率 3 5
三维数据体数据体 ( 1 。 图 )
2 勘探 范 围
鲍店煤矿 7 5工作面 , 3E 0 为一 8 0 20 2 mx 1m的近矩形 区
域 , 积 约 1 20 m 。 面 7 20
0 引言
兖州煤业 股份有 限公 司鲍店煤矿 7 5工作面为七采 3E 0
测量方式 : 滚动
道 距 :0 1m
区首采 工作 面 ,走 向长 6 3 7 7 9 — 2 m,倾 向长 2 0 0 m,面积约
11 2m 。工作面开采煤层为 3上 , 490 煤 黑色 , 脆 , 性 易碎 , 结构
4 数 据 采集
本 次 井 下 高 密 度 三 维 电 法 勘 探 数 据 采 集 使 用 的 是
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
( 1 )数据 采集 。本 次 井 下高 密 度 三维 电法勘 探 数 据 采集 在
煤 矿 某 下 巷 、切 眼 及 上 巷 进行 ,以 l 0 米 间距 布设 电极 ,共 布 设
间 内充满均匀各向同性介质 时,介质内部A 点供电时M点处 的电
位值为 :
r r M l p
47 V / " A
式中: P MN为M 、N间介质 的 真 电阻 率 ;j MN为M 、N间 的 买 际电 流 密度 ;j 0 为 全 空 间 内充满 均 匀介 质 时的 电流 密度 。通 过 测 量 、分 析 全 空 间视 电 阻率 的相 对 变化 可 以推 断 介质 电性 变化 情 况 ,这 就 是矿 井三 维
2 三维 高密 度 电法 井下 应 用实例 2 . 1 装 置形 式及 相 关参 数
1 高 密 度 电法 的基 本原 理
1 . 1高 密度 电法工 作原 理
直 流 电 法 勘探 是测 定岩 石 电阻 率 的传 统 方 法 ,对 于 矿 井 直 流 电法 勘 探 而 言 ,供 电 、测 量 电极 通 常 布 置 在 巷 道 顶 底 板 或 巷 道 侧 帮 上 ,从 不 同 角 度 去观 测巷 道 周 围稳 恒 电流 场 的 分 布 、变
电极1 2 0 个 ,长度1 1 9 0 米 ,采集时停止工作面内的所有电源 ,保
证 数 据 采 集 质 量 ,每 个 电 极 采 集 数 据 3 0 个 ,共 采 集 有 效 数 据
3 6 0 0 个 。为 保 证 数据 采 集质 量 ,数据 采集 时 每次 都 进行 了2 次 以
式 中 :r A M ̄ J t A、M点 间 的距 离 ; P为介 质 电 阻率 ;I 为供 电电 流 强
P s =
‘ , 0
上 的重 复 采集 ,两 次数 据 重复 率 大于 9 8 %,因此本 次勘 探 数据 质 量较高。
度 。 其 等位 面是 以A为 中心 的 同心球 面
当 介质 内部 双 异 极性 点 电源 A ( + I ) 和B ( 一 I ) 同时 供 电 时 ,测 量
电极 M 、N间 的 电位 差 为 A UMN,当 全 空 间 内 介 质 电性 非 均 匀
间沿 水 平 面和 x、Y 方 向的 铅垂 面 划 分 的 许多 矩形 短 柱体 的组 合
( 图1 )。地 面 的 相 邻 的 四 个 电极 位 置 作 为小 柱体 在 地 面 的 角
仿 照 地 面 电阻 率 法 的 做 法 ,可 以 导 出 全空 间视 电阻 率 的 微
分 表 达式 :
i
技 术 创 新
4 9
童 雏离露壤龟语
在 矿 井水 害 防治 中 的应 用
◇ 山 东科技 大 学地球 科 学与 工程 学 院 吕小龙 朱 鲁
高密度 电阻率法是水文工程及环境地质调查的实际需要 而
研 制 的一 种 电探 系 统 ,包括 数 据 采 集 和 资料 处 理 两 部 分 , 作 为 一 种 阵 列 式 的 勘 探 方 法 ,其 测 点 密 度 高 ,数 据 量 大 ,工 作 效 率 高 ,提 高 了 适 应 各 种 地 电条 件 的 能 力 ,使 其 应 用 范 围 得 到 提 升 ,成 为 煤 矿勘 探 中 的 一种 高 效 、经 济 的 地 球 物 理 勘探 方 法 。
2 . 2数 据 采 集 及 处 理
化规律 ,而三维高密度电法是直流电法 的一种 ,所 以了解巷道
顶 底 板 或 所 在 岩 层 内 的 地 质 情况 是矿 井 三 维 高 密 度 电法 勘 探 的 主要任务。
( 1 )三维 空 间 内的稳 恒 电流场 。根 据 场 论可 知 ,当 三维 空
( 2) 数据处理 。本次高密度井下三维 电法勘探数据处理主
要 包 括 以下 几 个 步 骤 :① 突变 点的 剔 除 。在 数据 采集 过 程 中 , 由 于某 一 电极 接 地 不 好 ,或受 采集 现 场 干 扰 因 素 的影 响 ,会 出 现 一些 数 据 突 变 点 ,为 了 不造 成对 解 释 结 果 的 影 响 ,对 数 剧 突 变 点进 行 剔 除 。② 数 据 的 光 滑平 均 。在 数 据 采 集过 程 中 ,有 时 受 到一 些 随 机 噪 声 影 响 ,为 消 除随 机 噪 声 ,采 用 光滑 平 均 的 方
时 ,计 算 的 结 果 不 再 是 某 种 介 质 的 真 电 阻 率 ,而 是 三 维 空 间 某 体 积 范 围 内 电 性 变 化 的 一 种 综 合 反 映 ,称 为 全 空 间 视 电阻 率 ,用 P s 表示 :
一
Ps : = K AU M  ̄ 一
I
法对数据进行处理 ,但幅度不能过大 ,以免平滑掉有用信息 , 降低分辨率 。③建立反演模型 。三维模型是测区范围地下半空
本 次井下高密度三维电法勘探数据采集使 用的是WJ D J 一 3 型 高密度 电阻率系统 ,采用两极装置的三维电法 采集方法 ,其采
集 参 数 如 下 。开 设道 数 :6 0 道 ;测 量 层 数 :3 0 ;测 量 方 式 :滚
动 ;道 距 :l 0 米 ;工 作方 法 :两 极 ;供 电 电压 :1 8 0 伏。
高密度 电法勘 探 的物 理 实质 。
1 . 2高 密度 电 阻率层 析 成 象探 测 技 术
而三维高密度 电法是在二维高密度电法的基础上发展起来的, 实 际应 用中可 以利用切片技术进行高精度的数据解释, 有二维电法
所不 具 备 的优 点 。
高 密度 电阻 率 法 是 基 于 静 电场 理 论 ,以探 测 目标体 的 电性 差 异 为 前提 进 行 的 。该 方 法 采 集 数 据信 息 量 大 ,可 进 行 层析 成 象 计 算 ,成 图 直观 ,可 视 性 强 ,采 集装 置 种 类 多 ,仪 器 轻便 , 使 其在 矿井 水 文 防治 中发 挥更 大 的社 会经 济效 益 。