煤矿隐蔽致灾源精细探测地面龙煤总工班201911121

煤矿隐蔽致灾源精细探测技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术应用及发展刘树才中国矿业大学资源学院[e-mail]微信：Liushucai_cumt煤矿隐蔽致灾源精细探测技术1.煤矿安全高效生产中的主要地质问题2.地面地球物理勘探技术及应用3.矿井地球物理勘探技术及应用4.矿井物探技术发展展望主要内容煤矿隐蔽致灾源精细探测技术1.煤矿生产中的主要地质问题国家安全监管总局、国家煤矿安监局：煤矿地质工作规定（2014）煤矿隐蔽致灾地质因素主要包括：采空区、废弃老窑（井筒）、封闭不良钻孔，断层、裂隙、褶曲、陷落柱、导水裂缝带、地下含水体、瓦斯富集区、井下火区、古河床冲刷带、天窗等不良地质体。岩爆（冲击地压）煤矿隐蔽致灾源精细探测技术煤系地层的电性特征煤的电阻率与煤化程度、煤岩成分、矿物杂质含量以及水分等因素有关。煤化程度很低的褐煤，常含有较高的水分和溶于水的腐植酸离子，故其电阻率较低，一般仅为n10～n102欧姆·米。随着煤化程度的加深，褐煤中水分和溶于水的腐植酸离子含量将显著减少，褐煤的离子导电性减弱，其电阻率明显增高。烟煤常具有较高的电阻率，但随煤变质程度的加深，电阻率减小，过渡至无烟煤，电阻率急剧下降。烟煤电阻率的变化范围为n102～n103欧姆·米。无烟煤常具有良好的电子导电性，因而其电阻率很低，一般在1欧姆·米以下。煤系地层的主要地球物理特征1.煤矿生产中的主要地质问题煤矿隐蔽致灾源精细探测技术煤层总是以泥岩、粉砂岩、砂岩或偶尔还有灰岩作为顶底板(围岩)，与围岩相比，煤层具有速度低、密度小的特点(见下表)。由表可知，在岩石—煤—岩石断面中，以煤层为中心形成了一个低速“槽”。煤与围岩密度、速度的比值约为1:1.5～3.0之间。煤层上、下界面都是一个极强的波阻抗分界面。岩性纵波速度，km/s横波速度，km/s密度，g/cm3围岩（砂岩、粉砂岩、泥岩、灰岩）3.0～4.81.6～2.82.4～2.8煤1.8～2.40.9～1.4≈1.3煤系地层的地震特征煤系地层的主要地球物理特征1.煤矿生产中的主要地质问题煤矿隐蔽致灾源精细探测技术1）巷道迎头超前探测；2）查明采煤工作面内褶皱、断层、火成岩体、陷落柱等构造。1.1小构造探测1.煤矿生产中的主要地质问题煤矿隐蔽致灾源精细探测技术1）探查巷道掘进前方导水构造、采空区等；2）探查煤层顶板岩层的赋水情况；3）探查采场底板隐伏导水通道及富水带；4）注浆效果检测等；5）突水动态监测等。1.2防治水工作的需要1.煤矿生产中的主要地质问题煤矿隐蔽致灾源精细探测技术1）我国煤矿主要水害类型我国矿井水害类型很多，按水的来源大体上可分为五类：①第四纪底界面含水层，埋深浅煤层影响大。②煤层顶板砂岩孔、裂隙水水害，采动离层水等。③煤层底板奥灰岩溶水水害（寒武灰岩水）。④导水陷落柱、断层裂隙带等。⑤老窑采空区、封闭不良钻孔等水害。1.煤矿生产中的主要地质问题煤矿隐蔽致灾源精细探测技术一、煤矿主要水害类型1.煤矿生产中的主要地质问题煤矿隐蔽致灾源精细探测技术断层导水实例1.煤矿生产中的主要地质问题煤矿隐蔽致灾源精细探测技术陷落柱突水实例开滦范各庄煤矿2171工作面发生特大陷落柱突水,造成全矿被淹，最大突水量达2053m3/min，为目前世界上水量最大的突水。陷落柱富含水层工作面1.煤矿生产中的主要地质问题煤矿隐蔽致灾源精细探测技术2005年5月21日，安徽省淮北矿业集团海孜煤矿745采煤工作面发生顶板离层透水事故，最大流量达3887m3/h，瞬时淹没工作面、机巷和风巷，造成5人死亡。顶板离层透水案例1.煤矿生产中的主要地质问题煤矿隐蔽致灾源精细探测技术1.掘进巷道前方水害体超前预报;2.工作面煤层顶板岩层水害体探测;3.工作面煤层底板岩层水害体探测;4.工作面巷道外边界断层赋水性探测;5.工作面煤层内部小构造、陷落柱等探测;6.含水构造注浆效果检测等其它探测工作。二、煤矿水文物探工作的主要任务1.煤矿生产中的主要地质问题煤矿隐蔽致灾源精细探测技术1）动力灾害（瓦斯突出、冲击矿压、突水等）的监测预警等；2）采矿工程需要，如巷道松动圈探测、锚杆检查等；3）地温测量等。1.3安全生产中的问题1.煤矿生产中的主要地质问题煤矿隐蔽致灾源精细探测技术巷道掘进期间老窑采空积水区煤层变薄区瓦斯富集区陷落柱构造断层构造地层局部富水区工作面回采期间如何提前预测上述问题?其它地质问题1.煤矿生产中的主要地质问题煤矿隐蔽致灾源精细探测技术探测方法直接方法间接方法钻探巷探地球物理方法地面物探矿井物探1.煤矿生产中的主要地质问题煤矿隐蔽致灾源精细探测技术习惯上人们常说的地球物理学是指固体地球物理学。按照应用范围，地球物理学又可分为两类：研究宏观现象和基本理论的叫做理论地球物理学，利用由此产生的方法来勘探有用矿藏的叫做勘探地球物理学或应用地球物理学。地球物理学:固体地球物理学、空间物理学等组成2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术勘探地球物理学具有多种方法:根据研究的勘探对象不同，可以分为油气地球物理勘探、煤田地球物理勘探、金属地球物理勘探、工程与环境地球物理勘探等；根据研究的物理场不同，可以分为地震勘探、电法勘探、重力勘探、磁法勘探、地热勘探、放射性勘探等；根据研究的空间不同，可以分为地面地球物理勘探、航空地球物理勘探、钻井地球物理勘探、矿井地球物理勘探等。2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术地球物理勘探方法是如何解决各类地质问题的呢？利用物理方法来解决地质问题，即通过观察与观测各种地球物理现象，分析它们随地质构造或岩性变化的基本规律，从而到达解决地质问题的目的。2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术所有的地球物理勘探方法简称“物探”方法，由于所研究的物理性质不同，物探方法种类多样，主要的方法包括：地震勘探、电法勘探、重力勘探、磁法勘探和钻井地球物理（测井）。2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术地震勘探2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术电法勘探AMONB实际电流线AMONB均匀介质时电流线(a)(b)1ρ2ρρ21ρρSBX2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术磁法勘探2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术•地球物理勘探方法代表着先进的科学技术，它是以地质学、物理学、现代数学、计算机科学和信息理论的新理论、新方法为基础，多学科相互交叉、相互渗透的产物，具有以下鲜明的特点：•学科交叉•间接性、透视•多解性•灵活性•高效率与低成本2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术1）物性差异；2）目标体规模；3）环境干扰等。地球物理勘探应用前提：2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术不同岩层的导电性分布规律为：灰岩电阻率最高，砂岩次之，粘土岩类最低，而一般煤层电阻率值相对较高。由于煤系地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，其导电性特征在纵向上固定的变化规律，而在横向上相对比较均一。当存在构造破碎带时，如果构造不含水，则其导电性较差，局部电阻率值增高;如果构造含水，其导电性增强，相当于存在局部低电阻率值地质体。综上所述，当断层、裂隙和陷落柱等地质构造发育时，无论其含水与否，都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律。这种变化规律的存在，为以岩石导电性差异为物理基础的电磁法探测方法提供了良好的地质条件。水文电法勘探的物理依据2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术2）地面电法勘探技术1）地面地震勘探技术2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术地震勘探是根据人工激发（爆炸或撞击地面）的地震波在地下传播过程中，遇到弹性性质不同的地震界面后，在地层中产生反射和折射，部分地传回地表。用专门的仪器记录返回地面的波的旅行时间，研究振动的特征来确定产生反射或折射的界面的埋深和产状，并根据所观测的地震波在介质中传播速度及波的振幅与波形变化，探讨介质的物性与岩性。地震波弹性界面路径改变能量吸收旅行时间、速度（t,v）强度、波形改变（A,f,ф）知构造知岩性地震勘探是当前油气、煤炭勘探中最重要的一种方法。2.1煤田三维地震勘探技术简介2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术•二维地震勘探是一套以数字方式记录地震信号，经数字处理获得地震时间剖面，查明煤田构造的技术方法。•地震时间剖面是构造解释的基础资料。通常，一条地震测线可得到一张时间剖面。上图中，横坐标为共中心点(CDP)，纵坐标为双程旅行时间，以秒(s)为单位。时间剖面不同于深度剖面，但能直观地反映地下构造形态。二维地震勘探：2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术•二维地震勘探可以解决的主要地质问题：(1)查明落差大于等于10m的断层，提供落差小于10m的断点，平面摆动误差小于50m；(2)查明幅度大于等于10m的褶曲，主要可采煤层底板深度误差不大于2%；(3)查明新生界(第四系)厚度；(4)探明直径大于30m的陷落柱、无煤带、煤层分叉合并，为回采工作面布置提供可靠的地质资料。2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术在平面上采集随时间变化的地震信息，并在三维空间进行处理和解释的一整套工作过程和相应方法或技术称为三维地震技术。三维地震技术兴起于20世纪70年代。三维地震勘探2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术•三维地震勘探的特点：•三维地震勘探具有大面积密集采集信息的优势，利用地震信息可以从平面和立体角度研究地层的构造、岩性的变化，广泛用于煤矿采区的合理布置、主巷道的开拓、综采工作面开采地质条件的评价。•三维地震勘探提供了能反映地质体时空变化的三维数据体。利用该数据体，可以提取垂直剖面和地震切片，以满足解释工作的需要。三维地震数据体垂直剖面和地震切片2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术三维地震数据的可视化三维地震数据的可视化技术是用于显示描述和理解地下和地面诸多现象特征的一种工具，其目的是以一种直观的方式把数据体及其对数据的理解和解释表示出来。煤矿隐蔽致灾源精细探测技术•目前，煤田三维地震勘探技术已经成为详细查明小断层、小褶曲、陷落柱、采空区、冲刷带等重要地质资料的主要手段。我国主要矿区的生产矿井均做了采区三维地震勘探工作，获得了大量的三维地震数据。在地震地质条件较好的地区，可以解决的主要地质问题是：(1)查明落差大于等于5m的断层，提供落差小于5m的断点，平面摆动误差小于30m；(2)查明幅度大于等于5m的褶曲，主要可采煤层底板深度误差不大于1.5%；(3)查明新生界厚度，深度误差不大于1.5%；(4)探明直径大于30m的陷落柱。2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术•陷落柱在时间剖面上一般表现为上下煤组的反射波自下而上中断或消失，成为一片反射波空白带，出现明显的“塌陷漏斗”现象，有时在陷落柱边缘出现明显的地震异常扰曲反射波，这些异常表现结合水平沿层切片和相干方差切片上，可对陷落柱进行有效查找。探查陷落柱2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术陷落柱在地震剖面上的反映2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术解释小断层三维地震勘探为煤田高效和准确的构造解释发挥了重要作用。煤层相干切片与底板等高线图的对比2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术探查古溶洞某矿首采区在11煤层顶板岩巷掘进过程中突然涌水，水量达1200m3/h，极大的影响了煤矿的正常生产。根据水文地质资料和地质人员的工作经验，初步判断出水点东南部存在断层或垂直构造。利用三维地震资料进行了分析，在出水点东南方向200~300m处发现一个古溶洞(陷落柱)，长轴长度大概200m左右，短轴长度大概150m左右。2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术古溶洞(陷落柱)出水点解释古溶洞(陷落柱)的位置2、地面地球物理勘探技术煤矿隐蔽致灾源精细探测技术古溶洞(陷落柱)古溶洞(陷落柱)在T13波沿