煤矿水害防治地球物理技术 现状与展望

煤矿水害防治地球物理技术 现状与展望

中国矿业大学  岳建华

2013年7月10日贵阳

报告提纲

1.1 1980－1990年 矿区水文物探

上世纪70年代末到80年代中期是煤炭电法勘探技术发展速度最快、推广范围最广、地质成果最多的时期。在继续进行隐蔽地区普查找煤的同时，逐步开展寻找水源和解决矿区水文地质问题的地面水文物探工作。

在面积为82.5平方公里的云南姚安盆地，应用电测深法查明了盆地基底起伏形态，圈定了第三纪含煤地层范围，并根据电法资料分析了古地理和盆地沉积环境，解释了第四系含水层和富水带的分布。

1.1 1980－1990年 矿区水文物探

在河南义马矿区、登封矿区、禹县含煤区、新郑含煤区，在内蒙古陈旗、东胜、准哥尔，在贵州在六枝矿区北段、盘县矿区，在江西乐平矿区涌山和丰城矿区石滩，在湖南嘉禾县袁家矿区北段，在陕西合阳东王地区，在新疆乌鲁木齐河东铁厂沟一碱沟等地，通过寻找岩溶裂隙水，为一大批生产矿区或规划开发矿区既找到了丰富的水源，也为矿区防治水工作提供了重要的基础资料。

1.1 1980－1989年 矿区水文物探

主要勘查技术    对称四极电测深

主要技术支撑

1984年，中国矿业大学与江苏煤田物测队联合开发直流电测深正反演微机软件，代替理论量板法和人工经验方法进行电测深定量解释。安徽煤田物测队提交的任楼地区水源电法勘探报告，全部采用该微机软件反演解释，提高了分层能力和解释精度，地质效果明显。

1985年，国家计划委员会批准进口煤田露天综合勘探设备，中国煤田地质总局引进10台套法国SYSCAL R2数字电法仪，改善了装备条件。

1.1 1980－1989年 矿区水文物探

  然而好景不长。从80年代后期起，由于国家投入的地质勘探经费不足，加之大面积普查找煤工作结束，煤炭电法勘探进入低迷期。部分煤田物测队因国家计划任务不饱满、工程量缩减或撤或并，而一部分电法勘探队伍则走向社会地质市场，转向城市或工程地质勘查，矿区地面水文物探工作因此受到重大影响。

1.2 1990－1999年 矿井电法勘探

80年中后期，开滦范各庄矿、淮北杨庄矿等几次大的煤矿突（透）水事故引起高度重视，以煤矿防治水为主要任务的矿井物探工作提上议事日程。1987年，煤炭部总工程师陈明和到中国矿业大学调研，要求启动煤矿防治水矿井物探工作。

1988年底，结合淮北杨庄煤矿II617工作面突水后复采论证，中国矿业大学矿井物探研究室与淮北矿务局地测处联合开展“以矿井直流电法勘探为主，矿井地震勘探、放射性测量、微重力测量和红外测温为辅”的综合矿井物探试验工作。

1.2 1990－1999年 矿井电法勘探

在淮北杨庄煤矿的井下综合物探技术试验工作历时2年，100多人先后参与了该项工作。当时在应用矿井物探方法探测和评价煤层底板突水条件方面

无成功案例（匈牙利米什科奇大学，全苏矿山地质力学与矿山测量科学研究所）

无专用设备（地面仪器）

无参考资料（中情所，国家图书馆）

无理论指导（半空间理论）

1.2 1990－1999年 矿井电法勘探

在杨庄矿开展的井下技术试验工作包括：

巷道顶、底板电测深

巷道电剖面法

矿井高密度电阻率法

煤层层测深法

直流电透视法

微重力测量

红外测温

矿井地震勘探

坑透法

1.2 1990－1999年 矿井电法勘探

矿井电法勘探基础研究得到国家资助：

1989年，巷道影响和全空间效应的物理模型实验研究

1990－1994年，层状介质全空间电场线性滤波法正演计算，顶、底板电测深曲线自动反演算法，层测深曲线的线性滤波法

1996－1997年，实现了巷道影响下全空间电流场边界单元法数值模拟算法，提出巷道影响下的全空间电流场理论

1998年，实现了考虑巷道影响的全空间电测深、层测深边界单元法数值模拟

2000－2003年，实现巷道影响下全空间电流场有限差分法和有限单元法数值模拟算法（国家自然基金） 

1.2 1990－1999年 矿井电法勘探

巷道影响下的全空间电流场理论：

全空间效应  电流场具有向全空间分布的趋势; 空间任何方位的地质异常体均会在观测结果中有所反映

巷道影响 巷道内不导电空气对全空间电流场的分布产生“畸变”影响，使得巷道周围的电流场分布特征既不同于全空间，也不同于半空间

含煤地层宏观电各向异性   垂直层面和平行层面布设的双异极性电流源，其电流场分布具有明显差异，其等效电流回路的电阻满足不同的串、并联关系;同时，观测结果一般以布极一侧地质异常体的电性响应为主（方位特性，兰州大学学报）

1.2 1990－1999年 矿井电法勘探

矿井电法勘探方法与技术不断丰富和完善：

侧帮电测深  探测工作面内陷落柱（矿大）

直流电透视  探测工作面内小构造（矿大）

音频电透视 探测工作面底板含、导水构造（西安院）

点源梯度法  巷道掘进头超前探（河北煤研所，矿大）

超前探孔中单极－偶极法  巷道掘进头超前探（矿大）

水下采煤矿井物探 （山科大特采所）

1.3 2000－   矿井电磁法勘探

背  景

95年，中国煤田地质总局组织“九五”物探科技调研后，决定引进瞬变电磁法。97年初，中国矿业大学和中煤物探研究院各引进一台SIRO－TEM 3F瞬变电磁仪。如何用？

98年前后，水文地质条件简单的兖矿综采放顶煤工作面受顶板红层砂岩水的困扰，严重影响生产效率; 权台矿3煤25工作面回采掉水，怀疑顶板砂岩水受灰岩水补给。因此，探测顶板砂岩富水区的问题提上议程，但矿井直流电法在顶板布设电极遇到困难。怎么办？

1.3 2000－   矿井电磁法勘探

矿井瞬变电磁法井下技术试验

2001年，矿大于景村矿井瞬变电磁法理论及应用技术研究博士论文完成

2002年镇江岩土工程勘查院陈金方、矿大于景村等，2003年皖北段中稳等分别发文介绍任楼矿应用矿井TEM探测底板陷落柱和检测注浆效果

2003年，矿大刘树才，岳建华在第六届中国国际地球电磁学学术研讨会上结合徐矿和兖矿应用介绍了矿井瞬变电磁法探测巷道顶、底板含水构造的方法技术

2003年，中科院白登海等在第六届中国国际地球电磁学学术研讨会上结合峰峰牛儿庄应用实例介绍了地下全空间瞬变电磁法及其在煤矿水害预测中的应用

1.3 2000－   矿井电磁法勘探

矿井瞬变电磁法井下技术试验

2006年，焦作煤业郭纯、刘白宙等发表《地下全空间瞬变电磁技术在煤矿巷道掘进头的连续跟踪超前探测》

2006年，矿大刘志新、于景村等应用矿井瞬变电磁法探测工作面内封闭不良钻孔

2007年，刘志新、岳建华等提出巷道掘进头超前探测的扇形观测技术

2008年后，中国矿大，西安煤科院，安徽理工大学等多家高校科研机构和企业发表了许多关于矿井瞬变电磁法探测老空积水的文章

1.3 2000－   矿井电磁法勘探

矿井瞬变电磁法井下技术试验

发射和接收装置  多匝小回线，提高观测信号强度

观测方式 重叠或分离

探测目标  巷道顶、底板，工作面内，掘进头前方含水体

方向特性  判定异常体空间方位

井下干扰特征及其压制方法  保证观测质量，提高探测距离

仪器适用性研究

1.3 2000－   矿井电磁法勘探

矿井瞬变电磁法基础研究

2003年，岳建华等在中国地球物理学会年会上分析了多匝小回线装置视电阻率偏小的原因

2005年，博士点基金资助

2006年，国家自然基金资助

2007年，国家自然基金资助

中国矿大刘志新，杨海燕，姜志海，胡博，周仕新等一批年轻博士、硕士发挥重要作用，实现了矿井瞬变电磁法的2D、3D有限元法、有限差分法、边界元法数值模拟，使基础研究得以顺利开展。

1.3 2000－   矿井电磁法勘探

矿井瞬变电磁法基础研究

总结了多匝小回线装置收、发特征及其对观测结果的影响

认识和掌握了典型地电体的异常响应特征，为定性解释奠定了基础

认识和掌握了天线方向特征，确立了异常体空间定位的理论基础

初步掌握了时深转换的规律，为定量解释奠定了基础

西安煤科院闫述等发表了井下全空间瞬变电磁法薄层和细导线响应特征的数值模拟结果

上述理论研究成果对于区分各类电磁类干扰和含水体、导水通道的有效异常具有重要指导意义

7月29日8时30分左右，河南省三门峡市陕县支建矿业有限公司支建煤矿东风井，因河床水通过采空区涌入井下，造成22采区69人被困

“8.17”山东新汶华源矿业公司洪水淹井事故，造成181人遇难

1.3 2000－   矿井电磁法勘探

煤矿防治水物探的法律保障

2008年出台了《关于预防暴雨洪水引发煤矿事故灾难的指导意见》和《关于进一步加强煤矿水害防治工作的意见》，2009年以国务院安委会办公室名义下发了《关于防范煤矿水害事故的紧急通知》。

2009年正式颁布实施《煤矿防治水规定》（安监总局第28号局长令）。

《煤矿防治水规定》有关内容

第三十条 水文地质补充勘探工程量布置，应当满足相应的工作程度，并达到防治水工作的要求。

  矿井进行水文地质补充勘探时，应当对包括勘探矿区在内的区域地下水系统进行整体分析研究；在矿井井田以外区域，应当以水文地质测绘调查为主；在矿井井田以内区域，应当以水文地质物探、钻探和抽（放）水试验等为主。

  矿井水文地质补充勘探工作应当根据矿井水文地质类型和具体条件，综合运用水文地质补充调查、地球物理勘探、水文地质钻探、抽（放）水试验、水化学和同位素分析、地下水动态观测、采样测试等各种勘查技术手段，积极采用新技术、新方法。

《煤矿防治水规定》有关内容

第三十五条 井下水文地质勘探应当遵守下列规定：

（一）采用井下物探、钻探、监测、测试等手段；

（二）采用井下与地面相结合的综合勘探方法；

（三）井下勘探施工作业时，保证矿井安全生产，并采取可靠的安全防范措施。 

第四十条 矿井可以根据本单位的实际，采用直流电法（电阻率法）、音频电穿透法、瞬变电磁法、电磁频率测深法、无线电波透视法、地质雷达法、浅层地震勘探、瑞利波勘探、槽波地震勘探方法等物探方法，并结合钻探方法对资料进行验证。

1.3 2000－   矿井电磁法勘探

煤矿防治水物探的法律保障

2010年3月，骆驼山煤矿和王家岭煤矿透水事故发生后，国家安全监管总局、国家煤矿安监局在全国煤矿系统开展了为期3个月的水害隐患排查专项行动。全国各地区煤矿安全监察机构将水害防治列入重点监察、专项监察和定期监察之中。

2011年颁布实施新修改的《煤矿安全规程》（防治水部分）。

1.3 2000－   矿井电磁法勘探

地面、井下物探与钻探相结合的立体勘查技术

最近3－5年，各方神仙大显神通，因地制宜地开展物探工作，以瞬变电磁法为主，以地震勘探、直流电法勘探、可控源电磁法、高密度电法、探地雷达、微重力测量、放射性测量、核磁共振法为辅的多方法综合、井上下立体勘查的技术体系基本形成

方法优点：

观测资料直观形象，异常形态简单，分辨率高

数据处理解释软件成熟，定量化水平高

施工简便、快速，可采用高密度电法仪提高自动化程度

可避免高密度电法的测量盲区，并能通过采用施伦贝尔装置提高勘探深度

施用条件：

300m以浅

地表有第四系覆盖

中等良导电地层

震电联合解释实例

层测深法—单一巷道探测工作内构造

矿井直流超前探—点源梯度法

矿井直流超前探—常用解释方法是交绘法

矿井瞬变电磁法—多匝小回线超前探

矿井瞬变电磁法—顶、底板，侧帮探测

多匝小回线TEM观测结果存在问题

问题的分析

过去三十年，中国煤矿防治水地球物理技术已从单一的地面煤田水文电法勘探，发展到以保障煤矿安全生产为主要任务的集矿井物探、地面地震勘探和电（磁）法勘探等井上、下技术于一体的立体综合物探体系，仪器性能不断改进，基础理论、数据处理与解释方法不断完善。解决地质问题的能力逐步增强，从划分含水层、隔水层，圈定含导水构造，到确定老窑采空区范围及其积水区，到评价奥灰顶部岩溶发育情况，到探测工作面内封闭不良钻孔或陷落柱或工作面顶底板隐伏构造，到掘进头超前探测，及动态监测上覆岩层移动和底板破坏等均有成功案例，物探已成为煤矿防治水主要技术手段之一。