岳建華-煤礦水害防治地球物理技術現(xiàn)狀與展望

2013年7月10日貴陽煤礦水害防治地球物理技術

現(xiàn)狀與展望

全國預防煤礦水害事故專題技術講座2020/12/181報告提綱43

發(fā)展歷史1技術現(xiàn)狀2未來展望結論建議2020/12/1821發(fā)展歷史2020/12/1831.11980－1990年礦區(qū)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(fā)展速度最快、推廣范圍最廣、地質(zhì)成果最多的時期。在繼續(xù)進行隱蔽地區(qū)普查找煤的同時，逐步開展尋找水源和解決礦區(qū)水文地質(zhì)問題的地面水文物探工作。在面積為82.5平方公里的云南姚安盆地，應用電測深法查明了盆地基底起伏形態(tài)，圈定了第三紀含煤地層范圍，并根據(jù)電法資料分析了古地理和盆地沉積環(huán)境，解釋了第四系含水層和富水帶的分布。2020/12/1841.11980－1990年礦區(qū)水文物探在河南義馬礦區(qū)、登封礦區(qū)、禹縣含煤區(qū)、新鄭含煤區(qū)，在內(nèi)蒙古陳旗、東勝、準哥爾，在貴州在六枝礦區(qū)北段、盤縣礦區(qū)，在江西樂平礦區(qū)涌山和豐城礦區(qū)石灘，在湖南嘉禾縣袁家礦區(qū)北段，在陜西合陽東王地區(qū)，在新疆烏魯木齊河東鐵廠溝一堿溝等地，通過尋找?guī)r溶裂隙水，為一大批生產(chǎn)礦區(qū)或規(guī)劃開發(fā)礦區(qū)既找到了豐富的水源，也為礦區(qū)防治水工作提供了重要的基礎資料。2020/12/1851.11980－1989年礦區(qū)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(yè)大學與江蘇煤田物測隊聯(lián)合開發(fā)直流電測深正反演微機軟件，代替理論量板法和人工經(jīng)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(qū)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(zhì)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(zhì)總局引進10臺套法國SYSCAL

R2數(shù)字電法儀，改善了裝備條件。2020/12/186然而好景不長。從80年代后期起，由于國家投入的地質(zhì)勘探經(jīng)費不足，加之大面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、工程量縮減或撤或并，而一部分電法勘探隊伍則走向社會地質(zhì)市場，轉(zhuǎn)向城市或工程地質(zhì)勘查，礦區(qū)地面水文物探工作因此受到重大影響。1.11980－1989年礦區(qū)水文物探2020/12/1871.21990－1999年礦井電法勘探80年中后期，開灤范各莊礦、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(yè)大學調(diào)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工作面突水后復采論證，中國礦業(yè)大學礦井物探研究室與淮北礦務局地測處聯(lián)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。2020/12/1881.21990－1999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歷時2年，100多人先后參與了該項工作。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面無成功案例（匈牙利米什科奇大學，全蘇礦山地質(zhì)力學與礦山測量科學研究所）無專用設備（地面儀器）無參考資料（中情所，國家圖書館）無理論指導（半空間理論）2020/12/1891.21990－1999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面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試驗內(nèi)容電法類：裝置形式，極間距與測點點距選擇，施工方法與技術，電極及其接地問題，供電電源，干擾特征與壓制方法，資料整理與處理，圖示方法地震類：觀測系統(tǒng)，激發(fā)方式，檢波器布置，巷道空氣波壓制，資料處理與解釋微重力測量：普通重力測量與重力梯度測量坑透法：層析成像技術2020/12/18101.21990－1999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(zhì)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(xiàn)了巷道影響下全空間電流場邊界單元法數(shù)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(xiàn)了考慮巷道影響的全空間電測深、層測深邊界單元法數(shù)值模擬2000－2003年，實現(xiàn)巷道影響下全空間電流場有限差分法和有限單元法數(shù)值模擬算法（國家自然基金）2020/12/18111.21990－1999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(zhì)異常體均會在觀測結果中有所反映巷道影響巷道內(nèi)不導電空氣對全空間電流場的分布產(chǎn)生“畸變”影響，使得巷道周圍的電流場分布特征既不同于全空間，也不同于半空間含煤地層宏觀電各向異性垂直層面和平行層面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、并聯(lián)關系;同時，觀測結果一般以布極一側(cè)地質(zhì)異常體的電性響應為主（方位特性，蘭州大學學報）2020/12/18121.21990－1999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(cè)幫電測深探測工作面內(nèi)陷落柱（礦大）直流電透視探測工作面內(nèi)小構造（礦大）音頻電透視探測工作面底板含、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）試驗從兩淮轉(zhuǎn)向徐州，應用推廣至山東、河北、河南、陜西等省底板承壓水問題突出的礦區(qū)，底板突水事故頻發(fā)的現(xiàn)象從此得到有效遏止。2020/12/18131.32000－

礦井電磁法勘探背景95年，中國煤田地質(zhì)總局組織“九五”物探科技調(diào)研后，決定引進瞬變電磁法。97年初，中國礦業(yè)大學和中煤物探研究院各引進一臺SIRO－TEM

3F瞬變電磁儀。如何用？98年前后，水文地質(zhì)條件簡單的兗礦綜采放頂煤工作面受頂板紅層砂巖水的困擾，嚴重影響生產(chǎn)效率;權臺礦3煤25工作面回采掉水，懷疑頂板砂巖水受灰?guī)r水補給。因此，探測頂板砂巖富水區(qū)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。怎么辦？2020/12/18141.32000－

礦井電磁法勘探礦井瞬變電磁法井下技術試驗2001年，礦大于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(zhèn)江巖土工程勘查院陳金方、礦大于景村等，2003年皖北段中穩(wěn)等分別發(fā)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，岳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2020/12/18151.32000－

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(yè)郭純、劉白宙等發(fā)表《地下全空間瞬變電磁技術在煤礦巷道掘進頭的連續(xù)跟蹤超前探測》2006年，礦大劉志新、于景村等應用礦井瞬變電磁法探測工作面內(nèi)封閉不良鉆孔2007年，劉志新、岳建華等提出巷道掘進頭超前探測的扇形觀測技術2008年后，中國礦大，西安煤科院，安徽理工大學等多家高?？蒲袡C構和企業(yè)發(fā)表了許多關于礦井瞬變電磁法探測老空積水的文章2020/12/18161.32000－

礦井電磁法勘探礦井瞬變電磁法井下技術試驗發(fā)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，工作面內(nèi)，掘進頭前方含水體方向特性判定異常體空間方位井下干擾特征及其壓制方法保證觀測質(zhì)量，提高探測距離儀器適用性研究2020/12/18171.32000－

礦井電磁法勘探礦井瞬變電磁法基礎研究2003年，岳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志新，楊海燕，姜志海，胡博，周仕新等一批年輕博士、碩士發(fā)揮重要作用，實現(xiàn)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(shù)值模擬，使基礎研究得以順利開展。2020/12/18181.32000－

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(fā)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(zhuǎn)換的規(guī)律，為定量解釋奠定了基礎西安煤科院閆述等發(fā)表了井下全空間瞬變電磁法薄層和細導線響應特征的數(shù)值模擬結果上述理論研究成果對于區(qū)分各類電磁類干擾和含水體、導水通道的有效異常具有重要指導意義2020/12/18192005年全國煤礦共發(fā)生水害事故109起、死亡605人。其中發(fā)生一次死亡10人以上特大水害事故13起、死亡360人，同比分別上升160%、233.6%；分別占全國煤礦特大事故起數(shù)、死亡人數(shù)的22.4%和20.7%。2005年水害損失慘重（一）水害事故頻發(fā)回溯2005年2020/12/18202006年呈上升趨勢山西省連續(xù)發(fā)生兩起特大和特別重大透水事故：3月18日，呂梁市臨縣勝利煤焦有限公司樊家山井發(fā)生一起特大透水事故，死亡28人；5月18日，大同市左云縣張家場鄉(xiāng)新井煤礦又發(fā)生一起特別重大透水事故，井下被困礦工56人全部遇難。（一）水害事故頻發(fā)2020/12/1821國務院領導重要批示（二）社會壓力驟增新華社《國內(nèi)動態(tài)清樣》先后登載了湖南省煤礦水害嚴重、國有煤礦存在重大安全隱患等信息，引起了國務院領導同志的高度重視。2006年元月溫家寶、華建敏相繼作出重要批示，要求認真研究、采取措施抓緊解決。

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2006年6月15日，全國煤礦水害防治工作座談會召開。國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局局長李毅中，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局副局長王顯政，國家煤監(jiān)局局長趙鐵錘，國家煤監(jiān)局副局長付建華、王樹鶴、彭建勛出席會議。李毅中、王顯政、趙鐵錘作重要講話。（三）國家局反應及時2020/12/18232006年國家安監(jiān)總局、國家煤礦安監(jiān)局出臺《關于加強煤礦水害防治工作的指導意見》。2006年7月，國家煤礦安監(jiān)局組成七個督查組對山西、四川、貴州、內(nèi)蒙古、黑龍江、河南、河北等進行了煤礦水害防治安全督查。國家安全監(jiān)管總局、國家煤礦安監(jiān)局組織編寫了《全國煤礦典型水害案例與防治技術》、《華北地區(qū)奧灰水綜合防治技術》、《煤礦防治水工作指南》等煤礦防治水參考資料。2020/12/1824（四）水害仍難遏止2020/12/18252007年“水難”再起7月29日8時30分左右，河南省三門峽市陜縣支建礦業(yè)有限公司支建煤礦東風井，因河床水通過采空區(qū)涌入井下，造成22采區(qū)69人被困“8.17”山東新汶華源礦業(yè)公司洪水淹井事故，造成181人遇難2020/12/18262007年8月24日專家北京會商煤礦水害北方以底板奧陶系巖溶水突出和老空透水為主，南方以頂、底板巖溶水和老空水突（透）水為主地表水體潰入礦坑事故在南、北均占相當?shù)谋壤萋渲?、斷層、巖溶塌洞等天然通道及“上、下三帶”、防水煤（巖）柱失效等是煤礦水害發(fā)生的主要突（透）水通道由老窯和關閉煤礦老空區(qū)引發(fā)的透水事故增多超強度開采引發(fā)新的水害問題解決問題的根本出路——發(fā)展可靠、精細的勘探技術2020/12/18271.32000－

礦井電磁法勘探煤礦防治水物探的法律保障2008年出臺了《關于預防暴雨洪水引發(fā)煤礦事故災難的指導意見》和《關于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(fā)了《關于防范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(guī)定》（安監(jiān)總局第28號局長令）。2020/12/1828《煤礦防治水規(guī)定》有關內(nèi)容第三十條水文地質(zhì)補充勘探工程量布置，應當滿足相應的工作程度，并達到防治水工作的要求。

礦井進行水文地質(zhì)補充勘探時，應當對包括勘探礦區(qū)在內(nèi)的區(qū)域地下水系統(tǒng)進行整體分析研究；在礦井井田以外區(qū)域，應當以水文地質(zhì)測繪調(diào)查為主；在礦井井田以內(nèi)區(qū)域，應當以水文地質(zhì)物探、鉆探和抽（放）水試驗等為主。礦井水文地質(zhì)補充勘探工作應當根據(jù)礦井水文地質(zhì)類型和具體條件，綜合運用水文地質(zhì)補充調(diào)查、地球物理勘探、水文地質(zhì)鉆探、抽（放）水試驗、水化學和同位素分析、地下水動態(tài)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。2020/12/1829第三十五條井下水文地質(zhì)勘探應當遵守下列規(guī)定：（一）采用井下物探、鉆探、監(jiān)測、測試等手段；（二）采用井下與地面相結合的綜合勘探方法；（三）井下勘探施工作業(yè)時，保證礦井安全生產(chǎn)，并采取可靠的安全防范措施。 第四十條礦井可以根據(jù)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(zhì)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，并結合鉆探方法對資料進行驗證。《煤礦防治水規(guī)定》有關內(nèi)容2020/12/18301.32000－

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?guī)X煤礦透水事故發(fā)生后，國家安全監(jiān)管總局、國家煤礦安監(jiān)局在全國煤礦系統(tǒng)開展了為期3個月的水害隱患排查專項行動。全國各地區(qū)煤礦安全監(jiān)察機構將水害防治列入重點監(jiān)察、專項監(jiān)察和定期監(jiān)察之中。2011年頒布實施新修改的《煤礦安全規(guī)程》（防治水部分）。2020/12/18311.32000－

礦井電磁法勘探地面、井下物探與鉆探相結合的立體勘查技術最近3－5年，各方神仙大顯神通，因地制宜地開展物探工作，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系基本形成2020/12/18322技術現(xiàn)狀2020/12/18331.基礎工作、補充水文勘探3.工作面頂、底板探測6.老窯、采空區(qū)及富水性探測5.回采過程中底板水位動態(tài)監(jiān)測7.煤巖柱隔水時效性評價8.注漿堵水效果檢測2.巷道掘進過程中的超前探測4.工作面內(nèi)或巷道側(cè)幫探測CSAMT法瞬變電磁法電阻率法地震勘探電磁波成像法核磁共振法水文測井地質(zhì)雷達9.突水點探測、災后水害治理井下孔地孔間地面孔中MSP法2020/12/18342.12D/3D電阻率成像(建議采用三極裝置）2020/12/18352020/12/18362020/12/18372020/12/18382020/12/18392020/12/1840方法優(yōu)點：觀測資料直觀形象，異常形態(tài)簡單，分辨率高數(shù)據(jù)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(qū)，并能通過采用施倫貝爾裝置提高勘探深度施用條件：300m以淺地表有第四系覆蓋中等良導電地層2020/12/18412.2地面瞬變電磁法2020/12/1842大回線固定源法2020/12/18432020/12/1844時間域CSEM法（電性源TEM法）2020/12/1845孔—地瞬變電磁法動態(tài)監(jiān)測地下流體運移2020/12/1846新生界底界含隔水層的劃分,富水區(qū)及斷層導水性研究精確探測煤系底部的碳酸巖界面,劃分巖溶裂隙發(fā)育帶、富水帶下組煤小構造探測2.3地震巖性反演與震電聯(lián)合解釋2020/12/1847陽泉二礦復雜山區(qū)228井Inline方向JASON波阻抗反演剖面3煤12煤15煤8煤2020/12/1848震電聯(lián)合解釋實例2020/12/1849由于巖石導電性對含水的敏感性，礦井防治水物探主要以礦井電（磁）法勘探為主，目前常用的方法有：礦井直流電法（電阻率法），礦井直流（音頻）電透視法，礦井瞬變電磁法，無線電透視法和三極超前探等方法。2.4礦井地球物理勘探2020/12/1850方法裝置應用頂?shù)装咫姕y深法①Schlumberger法②Wenner法③三極斷面測深法劃分含隔水層，分層定厚，確定地層系數(shù)（F系數(shù)，含水率）多極距電剖面法①多極距偶極剖面；②多極距聯(lián)合三極剖面③單極-偶極

④復合對稱四極剖面圈定含（導）水構造聯(lián)合測深剖面法三極法同上高密度電阻率法①溫納偏置裝置②三極裝置同上層測深與電透視法①垂直赤道偶極裝置②水平赤道偶極裝置回采工作面內(nèi)電磁波層析成像法①固定發(fā)射法②正同步法③斜同步法④多方位觀測法回采工作面內(nèi)礦井瞬變電磁法①多匝重疊回線法②多匝分離回線法所有以上應用2020/12/1851巷道頂、底板電測深法巷道頂?shù)装咫姕y深法研究布極一側(cè)垂向電性變化，用于含、隔水層劃分，并可用于隱伏斷層、陷落柱等構造和巖溶探測2020/12/1852探測煤層內(nèi)地質(zhì)異常的布極方法

礦井直流電透視法—巷道間探測工作面內(nèi)構造2020/12/1853層測深法—單一巷道探測工作內(nèi)構造固定在巷道側(cè)幫的赤道偶極子AB向周圍介質(zhì)發(fā)射電流場，另一對偶極子MN則沿巷道移動測量2020/12/1854礦井直流超前探—點源梯度法采用單點電源A供電，用固定M、N電極測量。常用三個供電點的資料綜合解釋前方地質(zhì)異常2020/12/1855礦井直流超前探—常用解釋方法是交繪法

2020/12/1856模型尺寸：10×80×100m3

2020/12/18572020/12/18582020/12/1859視深度等于AO/22020/12/1860D代表底板到模型中心的距離，模型厚10m

2020/12/18612020/12/1862視深度等于AO/22020/12/1863礦井瞬變電磁法—多匝小回線超前探2020/12/1864礦井瞬變電磁法—頂、底板，側(cè)幫探測2020/12/1865井下超前探測順層采空區(qū)，陽泉2020/12/1866多匝小回線TEM觀測結果存在問題實測感應電動勢數(shù)值偏大，衰減偏慢儀器視電阻率值偏小，且隨時間增大進一步減小普遍采用的處理辦法：計算時增大發(fā)送線框等效面積計算時引入深度校正

評論：兩種校正辦法都是主觀的，本質(zhì)上只是將電阻率和深度增大一定倍數(shù)。2020/12/1867問題的分析

TEM理論都未考慮觀測裝置（發(fā)送線框和接收線框本身及其相互間）的電感和電容。發(fā)送線框自感和寄生電容導致供電波形畸變接收線框自感和寄生電容導致觀測信號震蕩，通常采用并聯(lián)適當阻尼電阻的方式，在臨界阻尼條件下進行測量，將觀測信號的畸變最小化發(fā)送線框和接收線框之間的互感和電容耦合是造成小線框觀測信號畸變之源2020/12/18682020/12/1869彈性波超前探（MSP法）礦井老空區(qū)探測與水害防治關鍵技術與裝備——礦井地震全空間極化偏移成像方法及其應用2020/12/1870電磁波全息成像技術2020/12/18713未來展望2020/12/1872“十二五”科技支撐計劃“煤礦突水、火災等重大事故防治關鍵技術與裝備研發(fā)”（2013BAK06B00）2020/12/1873課題一

礦井突水重大災害實時監(jiān)測預警技術突水水源隔水關鍵層破壞突水形成初期突水災害監(jiān)測突水危險源突水危險源精細探測技術監(jiān)測導水通道隔水層斷裂實時監(jiān)測預警技術

監(jiān)測突水前兆涌水異常監(jiān)測預警技術監(jiān)測堵水效果注漿封堵動態(tài)監(jiān)測技術注漿2020/12/1874突破礦井突水災害監(jiān)測和預警技術瓶頸突水危險源精細探測技術隔水層斷裂實時監(jiān)測預警技術涌水異常監(jiān)測預警技術注漿封堵動態(tài)監(jiān)測技術

研制突水精細探測和實時監(jiān)測的裝備突水危險源精細探測儀煤巖含水率分布場監(jiān)測儀全波形多通道巖體聲發(fā)射儀突水水源在線分析儀礦坑涌水量實時監(jiān)測儀注漿封堵動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)2020/12/1875礦井水害監(jiān)控信息系統(tǒng)2020/12/1876主要創(chuàng)新點圍繞突水危險源、隔水層斷裂、突水早期和注漿封堵等四個主要環(huán)節(jié)，研發(fā)技術與設備，實時監(jiān)測突