1、矿井地质灾害预警中的物探技术 -矿井水害地电场规律与技术,煤矿突水机理与防治基础理论研究-国家973项目成果,报告人：刘盛东 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室 首席教授 中国矿业大学 资源与地球科学学院 教授 博导 安徽惠洲地下灾害研究设计院,2011年8月8日 福建.将乐,烟煤煤层,地质和地球物理前提,优点： 回避复杂的工程地质与非达西流的力学建模问题。 揭示煤矿突水机理、预测预报水害都具有针对性。,煤层顶板砂岩,烟煤煤层,地下硐室,煤层顶板砂岩,煤层底板承压灰岩,煤层底板承压灰岩,烟煤煤层,煤层顶板砂岩,煤层底板承压灰岩,矿井突水构造,自然状态,含水渗流状态,地下硐室,地下硐室,高视电
2、阻率,低视电阻率,采掘工作面出水,煤层顶板出水,煤层底板出水,老空透水,电性参数,自然场,一次场,电阻率,电流,电位,二次场,电流,电位,极化率,视电阻率,工程问题,基本现象,科学问题,矿井突水过程的地电场变化规律,研究思路与研究内容,均匀介质地质体渗流过程,非均匀地质体的渗流过程,非稳态渗流过程（有采动）,稳态渗流过程（无采动）,研究思路,研究内容,渗流地电场,突变地电场,水量与电性参数定量关系,顶板水渗流底板水渗流一定倾角渗流,工程试验研究,物理模拟,均匀介质渗流实验 相似材料模拟实验,均匀介质渗流突变实验均匀介质突水实验 底板突水实验,数学计算,工程验证,自然电位 一次场电位和电流 视电
3、阻率 极化率,皖北祁东煤矿、五沟煤矿，阳煤五矿， 淮南顾桥煤矿、淄博的埠村煤矿、义马新义,渗流地电场模拟实验,均匀介质渗流实验,数据情况 实验：140组 实验：148组 实验：86组 实验：97组 实验：81组 有效数据：510组,自然场自然电位在波动中保持上升趋势，之后大部分电极所对应自然电位出现下降现象，对渗流过程响应明显,一次场 一次场电流：在波动中保持上升趋势。,一次场 一次场电位：大幅下降，之后在波动中长时间趋于平稳。,视电阻率：下降幅度与背景值相当，在视电阻率图像中可以清晰指示整个下降过程。低阻区呈梯度状扩散，顺水流方向。趋近饱和阶段极低阻区扩散呈逆水流方向。 (重力水的填充过程）
4、,顶板水渗流模拟实验,渗流地电场模拟实验,均匀介质渗流实验,一定角度的渗流通道渗流模拟实验,采用直径不同的PVC 管材作为渗流通道，在PVC 管中充填细砂，并在PVC管上每5cm 安装一个电极，总电极数23个，测量电极编号从D0D20、公共地电极N与公共供电负极B，所有电极间距均为5cm，管子全长1.2m。试验全程时间为4004 s，累计测量143 次。,自然场 高电位在进水端，等时线的极值点(或拐点)与过水面有对应关系。 在时间增大和电极号增加方向为渗流方向，自然电位在时空域的增加方向与渗流流向一致。,一次场 一次场电位： t=544 s 试验历程中D12 电极前面有水流存在，并形成了9 V
5、 的等位面。具体渗流过程特征：开阀t=32 s 后渗流到达D3电极；t=352 s渗流到达D12 电极、此后水流被阻塞在D12 与D13 电极的区域，至到时间t=512 s为止。,一次场 一次场电流 ：电流对水体敏感程度高，有水渗流时电流直接跃迁到一个稳定值上，随着渗流的变化，各电极电流保持相对稳态。,视电阻率响应细砂在非保水状态下其视电阻率值高达10000m 以上，水流进入后迅速降到6000m 左右，饱水后视电阻率主要反映自来水的电阻率特征。,渗流过程与视电阻率变化特征,渗流过程与自然电场特征,渗流地电场模拟实验,均匀介质渗流实验,渗流地电场模拟实验,相似材料模拟渗流实验,A裂隙发育模拟阶段
6、。模拟开采1#煤层，使1#煤层顶板破坏，每30min开采10cm，边开采边观察裂隙发育情况。从实验当天下午14：00开始采集至18:00结束，用于分析导水通道的发育。,选取1#电极测量电流，其余电极测量电位的数据。求其均值，将该组数据使用均值做归一化处理、成图。,顶板“三带”特征明显: 在冒落区，自然电位较小，归一化后电位为负。冒落带上限高度为第27#电极位置。 裂隙发育带自然电位起伏变化较为明显，近冒落带一端表现为低电位，与下沉带分界处为低电位，中间表现为高电位。 下沉带表现为自然电位为高电位。在冒落带发育完全的区域，下沉带自然电位较发育不完全的区域高。,模型的几何尺寸：长宽高=5m0.3m
7、1.31m，比例尺为1：100,渗流地电场模拟实验,相似材料模拟渗流实验,B渗流过程模拟阶段。当裂隙充分发育后，选择纵向裂隙发育比较理想的长为1m的区域进行渗流实验。从20：49至翌日04：37模型上部出现垮落现象为止，实验共进行了468min，每5min采集一组数据，共采集有效数据90组。,模型的几何尺寸：长宽高=5m0.3m1.31m，比例尺为1：100,自然场 自然电位：在波动中保持上升趋势。,一次场 一次场电流：在波动中保持上升趋势。,一次场 一次场电位：在波动中保持平稳，缓慢下降。,渗流地电场模拟实验,相似材料模拟渗流实验,B渗流过程模拟阶段。以20：49无水状态的第一组视电阻率数据
8、作为背景值，其余数据与之作差得到每组的电阻率差值（含负值）并成图。各视电阻率差值剖面图中的色标为同一标尺。 模型倒塌前，探测区域视电阻率最大下降幅度在400m以上。渗水前，探测区域的视电阻率均值为386.7m，至模型上部垮落，探测区域的视电阻率均值降至283.7m。 一次场电位等时线中显示的异常电极所对应区域视电阻率可指示渗水点位置。图中用黑色虚线圈出16#电极所对应的探测区域，观察其在整个渗流实验过程中的变化情况可知，模型垮落前，该范围内的视电阻率可下降600m以上。,视电阻率 平均值下降幅度在100m以上。平均下降水平与背景值属于同一个数量级 。低阻区的扩张明显受裂隙的影响。,地下水突变地
9、电场实验,均匀介质渗流突变实验,在亚克力模型的下部安装一控水阀门，根据阀门的开关来模拟实际突水的情况。在砂饱和后顶部出现积水时，手动对上部的亚克力筒加水，加至实验要求刻度线后，打开阀门，采用量筒进行测定放水过程中的流量，测量时间在水下到砂顶部时间之前。,自然场 自然电位：。,一次场 一次电流：。,一次场 一次场电位：。,视电阻率,顶板水渗流突变模拟实验,实验用砂为粗砂，水为实验室日常用自来水，将自来水从整个装置下部供入。最终状态是突上来的水位保持恒定不变，保持在阀门位置，此时水压恒定。,地下水突变地电场实验,均匀介质渗流突变实验,底板水渗流突变模拟实验,自然场 自然电位：。,一次场 一次电流：
10、。,一次场 一次场电位：。,视电阻率,地下水与地电场参数定量关系研究,水量与自然电位的定量关系,含砂量为20%的均匀介质渗流实验自然电位与进水量相关关系,含砂量为40%的均匀介质渗流实验自然电位与进水量相关关系,相似材料模拟渗流实验自然电位与进水量相关度分布图,地下水与地电场参数定量关系研究,水量与一次场电流定量关系,含砂量为20%的均匀介质渗流实验一次场电流与进水量相关关系,含砂量为40%的均匀介质渗流实验一次场电流与进水量相关关系,相似材料模拟渗流实验一次场电流与进水量相关关系散点线图,地下水与地电场参数定量关系研究,水量与一次场电位定量关系,含砂量为20%的均匀介质渗流实验一次场电位与进
11、水量关系,含砂量为40%的均匀介质渗流实验一次场电位与进水量关系,相似材料模拟渗流实验一次场电流与进水量相关关系散点线图,地下水与地电场参数定量关系研究,水量与视电阻率的定量关系,采用网络并行电法仪，在室内进行电法勘探的模拟测试。 每250mL沙土内分别加入0mL、16mL、32mL、48mL、64mL、80mL、96mL的含高锰酸钾的自来水并调制均匀;将含水量不同的沙土分别盛入7个纸杯中，纸杯统一规格为7.6cm9.0cm5.3cm，并经水浸泡湿润。按水量递增的顺序将纸杯排列成一条线，放入长1.5m宽1.0m高1.0m的方形沙箱内，以自然态的沙土充实、压紧。在第一个纸杯（0mL）前和最后一个
12、纸杯（96mL）后各放2个电极，每个纸杯上放置4个电极，纸杯间放置一个电极，电极材料为碳棒，编号为D1D38，公共地电极N与公共供电电极B分别位于方形沙箱的另一对角线的两端。,水量变化的视电阻率剖面图,岩层的电阻率； 比例系数，与岩石的孔隙率有关； 0填充于围岩孔隙中水的电阻率； S水量； b水量响应指数。,地下水与地电场参数定量关系研究,水量与极化率的定量关系,在直流电法勘探中，当向岩（矿）石供入（或断开）恒定电流时，其电位将缓慢变化到一个较为稳定的值的现象称为激发极化现象。,水量变化的极化率剖面图,极化率对水量的响应相关分析,岩层的极化率； 比例系数，与含水饱和度、孔隙度等有关； S填充于
13、围岩中的水量 水量响应指数,工程实例应用 1,祁东矿7130工作面煤层顶板透水水量监测,皖北煤电集团公司祁东矿7130工作面位于井田东翼一水平三采区。工作面沿走向布置，风巷靠近“四含”防水煤柱。 工作面起止标高375417m，平均走向长1663 m，倾向宽89152m。煤层倾向35535，倾角1114，平均12.5，煤层最大厚度为4.1m，最小煤厚2.9m，平均厚3.41m。老顶为浅灰色中砂岩，局部为细砂岩及砂泥岩互层，厚度为8.4120.75m，平均14.4m；直接顶为深灰色泥岩，局部为浅灰色粉砂岩及中砂岩，厚度不稳定0 3.7m，平均厚1.7m。该工作面为提高开采上限的试采工作面，直接充水
14、水源为顶板砂岩裂隙水和顶部四含水。该区域四含底界受古地貌地形制约,为一残坡积漫滩沉积,两极厚度为030m，平均8m，该工作面上限-375m，巷道距四含底界最近处约38m。,工作面不同透水量的视电阻率响应图,钻孔内电阻响应与透水量的相关分析,工作面不同透水量的视极化率响应图,工作面极化率响应透水量的相关分析,祁东煤矿7130工作面出水量（上）与2#钻孔剖面图（下）,自 然 电 流 变 化 图,自 然 电 位 变 化 图,mA,mV,工程实例应用2,皖北煤电公司五沟矿 1013工作面是该矿井投产的首采工作面，开采山西组 10 煤层，平均煤厚为2.7 m，煤层平均倾角为8，10煤直接底为1.3 m泥
15、岩，下伏为15 m灰白色中细砂岩和40 m厚的砂质泥岩互层，煤层底板距离太原组第一层灰岩平均距离56 m，10 煤开采过程中的灰岩水压力为3.5MPa ，工作面突水系数为0.083 MPa；工作面走向长1000 m，倾斜宽150 m，一次采全高。工作面风巷高程为330374 m， 而其机巷高程为347388 m。,现场地电场监测工作于2008 年3月18日开始，在5月12日工作面已回采60m时，向矿方发出底板有可能突水警报；5月13日矿方及时进行机巷清理和排水管路布设；5月14日14：00时，底板出水，初期出水量为5 m3/h ，5 月15日出水量增大到20m3/h 以上，5月17日水量渐小并
16、停止。本次成功预报，使工作面生产不受影响，得到生产部门的肯定。,皖北五沟矿1013工作面底板透水监测,第10小面处安放有角位移传感器,工程实例应用 3,淄博埠村矿911工作面底板监测,9113面三维电阻率计算与解释,为了更直观地反映工作面底板的电阻率分布，分别对以上立体图切出若干剖面，ab、cd、ef方向为平行风巷方向，AB、CD、EF方向为平行切眼方向。,反射波特征与开采叠加效应,底板震波偏移剖面与开采叠加效应,底板震波频谱与采面关系,结合震波探测不同时段的偏移剖面，可以发现随着开采，叠加作用表现明显，见图中黑虚线所示，破坏深度从7m增加到9m。,阳泉五矿8403工作面 底板破坏带动态探测机
17、巷视电阻率剖面和钻孔电流变化动画,底板扰动带范围,灰岩17m,灰岩28m,灰岩41m,钻孔电流,工程实例应用4,阳泉五矿8403面视电阻率剖面图,综合物探4：煤层覆岩破坏综合探测与监测,研究结论,（3）非均匀介质的渗流过程研究，通过实时电法勘探，认为：自然电场具有超前感应渗流能力；一次场对渗流位置、渗流速度具有定位的能力；实时视电阻率图像可指示渗流区域和相对水量变化的能力。通过这些参数的共同作用，可跟踪识别渗流过程。,（4）对采动活动影响下的渗流过程，自然电位、一次场电流和一次场电位曲线可以反应出因开挖应力而引起的裂隙场与渗流场的演变动态，曲线形态可指示不同阶段渗流状态的发展，曲线极值点指示渗
18、流异常空间区域和异常时间节点，与实时视电阻率图像的异常演变特征能够相互对应。 。,例如，一次场电位随时间变化曲线的极小值点和对应视电阻率图像中低阻区大幅度扩张的临界时刻，指示着探测区域内水力联系条件的质变和新的导水通道的形成。综合多个电性参数的响应特征进行联合分析，可实现工程渗水的准确监测和矿井突水的超前预测。,物理模拟,研究结论,（5）对均匀介质渗流实验，在模拟的“透水”过程中，一次场电流缓慢下降并在大量透水结束后陡降，视电阻率下降并在透水结束后上升。自然电位和一次场电位正负值的变化与参考电极的位置有关，其幅值都呈现下降趋势。,（6）在固水二相介质中，水体未达饱和状态时，自然电位与含水量呈线
19、性关系，一次场电流与含水量呈线性关系，一次场电位与含水量具有二次多项式的关系，水量越大，电阻率越低，极化率越高。当水量增大到二相介质的含水饱和状态时，水量再增大，上述电参数值就不能反映水量的大小。,数学计算,物理模拟,研究结论,（7）在实际煤层开采条件下的顶板裂隙演化与渗流通道形成过程的试验研究表明（顾桥煤矿、祁东煤矿）：采用地电场参数监测技术可以动态探测到覆岩裂隙演化过程；利用地电场的近场效应，观测顶板裂隙充水和出水情况，可以预报工作面回采过程中顶板水害。通过自然电位和视电阻率参数，结合位移、钻孔电视等方法的共同探测认为：煤层采后其上覆岩层中离层先期发育，离层高度先低后高逐渐发展，主要沿岩层
20、结构明显带和原始构造损伤带发育；在工作面回采位置前后平距50m段和垂直高度在3-5倍采厚内是离层发育活跃区间；对于煤层顶板裂隙发育规律的测量结果为：裂采比为14倍，冒采比为3倍，顶板岩性偏软则该比值减小，反之则增大。利用地电场的近场效应，观测顶板裂隙充水和出水情况，可以预报工作面回采过程中顶板水害。低电阻率区域的分布变化与顶板渗流水的空间分布一致，结合自然电位、激励电流与出水量做相关分析，可以为工作面顶板出水量做定量分析。在祁东煤矿做出的顶板水量的预警预报工作，得到矿方的认可。,工程,研究结论,（8）对实际煤层开采条件下的底板裂隙演化与渗流通道形成过程的试验研究表明（埠村煤矿、五沟煤矿）：底板
21、采空区（卸压膨胀区）对应高阻区，工作面底板煤柱下方（超前应力压缩区）对应低阻区，这两个区随着工作面的回采推进而不断向前交替变化。通过对于地电场的监测，可以探明底板裂隙发育深度。通过自然电场和电流场监测可以对工作面底板原始导升带变动及其发展过程进行评价，达到底板水害预警的目的。在五沟煤矿提前2天成功预报了一次底板出水，保障了工作面的安全回采,采动条件下的裂隙场和渗流场的地电场特征具有明显区别，是地电场法探测预警矿井水害的主要依据。地电场在非采动和采动条件下的电性参数连续、渐变、骤变规律与裂隙场和渗流场的发展阶段相对应，可以利用矿井地电场监测技术进行矿井突水水量的初步预计。实际应用于工程实际，还需要进一步进行大量的试验和定量化研究。,总体结论：,工程,
