顾北1312探水物探成果报告.doc

淮浙煤电有限责任公司顾北煤矿分公司淮浙煤电有限责任公司顾北煤矿分公司 1312 1 面顶板赋水性综合物探面顶板赋水性综合物探 成果报告成果报告 1 淮浙煤电有限责任公司顾北煤矿分公司淮浙煤电有限责任公司顾北煤矿分公司 安徽惠洲地下灾害研究设计院安徽惠洲地下灾害研究设计院 2011 年年 5 月月 工作面顶板水综合物探探测成果报告工作面顶板水综合物探探测成果报告 项目名称项目名称 顾北煤矿 1312 1 工作面顶板赋水性 综合物探工程 实施地点实施地点淮浙煤电有限责任公司顾北煤矿 完成单位完成单位 安徽惠洲地下灾害研究设计院 主要完成人主要完成人吴荣新 胡雄武 报告提交单位报告提交单位 安徽惠洲地下灾害研究设计院 签章 编编 制制胡雄武审审 核核张平松 技术负责技术负责吴荣新项目负责项目负责吴荣新 工作面顶板水综合物探探测成果报告工作面顶板水综合物探探测成果报告 2 目 录 1 工程概况工程概况 3 2 探测方法原理探测方法原理 3 2 1 三维直流电法基本原理 3 2 2 矿井瞬变电磁探测原理 4 3 现场数据采集现场数据采集 6 3 1 并行电法现场布置 6 3 2 瞬变电磁法探测布置 6 4 探测结果分析探测结果分析 7 4 1 井下瞬变电磁探测结果分析 7 4 2 三维并行电法探测结果分析 8 5 综合分析综合分析 10 6 探测结论与建议探测结论与建议 11 6 1 结论 11 6 2 建议 11 顾北煤矿 1312 1 工作面顶水综合物探探测成果报告 3 1 工程概况工程概况 顾北矿 1312 1 工作面在掘进过程中 顶板常出现较大涌水现象 严重 影响了工作面的正常生产 为确保本工作面安全生产 需查明该面顶板富水区 分布情况 通常工作面内直流电法和瞬变电磁法都是较有效的物探手段 拟决 定采用三维直流电法和瞬变电磁法综合物探法来探测顶板富水区情况 探测内容为 1 采用三维直流电法和瞬变电磁法综合物探来探测工作面顶板岩层电性 变化情况 2 分析工作面顶板赋水性 圈定工作面顶板相对富水区 3 对探测范围内工作面顶板内富水区 导水范围做出分析评价 指导防 治顶板水工作 2 探测方法探测方法原理原理 工作面内及煤层顶底板岩层内的富水区 通常表现为低电阻率异常 工作 面内的较大落差断层 1 2 煤厚 在断层两侧常存在煤层变薄现象 电阻率 相对变低 而厚层煤区则表现为相对高阻 因此 富水区范围和煤层变薄区等 与正常煤层间存在明显的电性差异 可以进行电法探测来查明相关问题 2 1 三维直流电法基本原理三维直流电法基本原理 电法探测采用网络并行电法进行探测 探测使用的仪器为并行网络电法仪 该仪器的最大优势在于任一电极供电 可在其余所有电极同时进行电位测量 可清楚地反映探测区域的自然电位 一次供电场电位的变化情况 采集数据效 率比传统的高密度电法仪又大大提高 是电法勘探技术的又一次飞跃 是国内 率先使用的方法 例如 测在线布置64个电极 对于AM法采集时 任一电极供 电时 其余63个电极同时采集电位 这样其数据采集效率与串联采集相比 采 集效率至少提高了63倍 不仅如此 通过AM法和ABM法装置自动顺次切换电极 取得大量的电法数据 如图2 1 采用网络并行电法采集的数据可用于超前电阻率法反演 电阻率三维反问题的一般形式可表示为 顾北煤矿 1312 1 工作面顶水综合物探探测成果报告 4 mGd 式中 G为矩阵 dJacobi 为观测数据和正演理论值的d 0 d 残差向量 为初始模型的m m 修改向量 对于三维问题 将模 型剖分成三维网格 反演要求参 数就是各网格单元内的电导率值 三维反演的观测数据则是测量的 单极 单极电位值或单极 偶极电 位差值 由于它们变化范围大 一般用对数来标定反演数据及模 型参数 有利于改善反演的稳定 性 由于反演参数太多 传统的 阻尼最小二乘反演往往导致过于 复杂的模型 即产生所谓多余构 造 它是数据本身所不要求的或 是不可分辨的构造信息 给解释 带来困难 在最小二乘准Sasaki 则中加入光滑约束 反演求得光滑模型 提高了解的稳定性 其求解模型修改 量的算法为 m dGmCCGG TTT 其中C是模型光滑矩阵 通过求解矩阵G及大型矩阵逆的计算 来求Jacobi 取各三维网格电性数据 网络并行电法仪采集的数据为全电场空间电位值 保持电位测量的同步性 避免了不同时间测量数据的干扰问题 通过在已掘巷道中布置电法测线 观测 不同位置不同标高的电位变化情况 通过三维电法反演 得出巷道周边及前方 范围的电阻率分布情况 从而给出客观的地质解释 图2 1 网络并行电法采集电位图 a AM法 b ABM法 顾北煤矿 1312 1 工作面顶水综合物探探测成果报告 5 图 2 2 理论探测模型 图2 3 矩形回线中输入阶跃电流产生的磁力线图图2 4 半空间中的等效电流环 2 2 矿井瞬变电磁探测矿井瞬变电磁探测原理原理 瞬变电磁法 Transient Electromagnetic Methods 又称时间域电磁法 Time Domain Electromagnetic Methods 简称 TEM 或 TDEM 是近年来国内外发展 得较快 地质效果较好的一种 电法勘探分支方法 它与其它 测深方法相比 具有探测深度 大 信息丰富 工作效率高等 优点 自上世纪五十年代以来 该方法得到迅速发展 特别是对探测高阻覆盖 层下的良导电地质体取得了显著的地质效果 它主要应用于金属矿勘查 构造 填图 油气田 煤田 地下水 地热以及冻土带和海洋地质等方面的研究 在 国内外已取得了令人瞩目的效果 瞬变电磁法属时间域电磁感应方法 其探测原理是 在发送回线上供一个 电流脉冲方波 见图 2 2 在方波后沿下降的瞬间 产生一个向回线法线方 向传播的一次磁场 在一次磁场的激励下 地质体将产生涡流 其大小取决于 地质体的导电程度 在一次场消失后 该涡流不会立即消失 它将有一个过渡 衰减 过程 见图 2 3 2 4 该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向掌子 面传播 由接收回线接收二次磁场 该二次磁场的变化将反映地质体的电性分 顾北煤矿 1312 1 工作面顶水综合物探探测成果报告 6 布情况 如按不同的延迟时间测量二次感生电动势 V t 就得到了二次磁场随 时间衰减的特性曲线 如果没有良导体存在时 将观测到快速衰减的过渡过程 当存在良导体时 由于电源切断的一瞬间 在导体内部将产生涡流以维持一次 场的切断 所观测到的过渡过程衰变速度将变慢 从而发现导体的存在 瞬变电磁场在大地中主要以扩散形式传播 在这一过程中 电磁能量直接 在导电介质中传播而消耗 由于趋肤效应 高频部分主要集中在地表附近 且 其分布范围是源下面的局部 较低频部分传播到深处 且分布范围逐渐扩大 3 现场数据采集现场数据采集 现场探测工作于 2011 年 5 月 9 日进行 现场采用三维并行直流电法和瞬 变电磁两种方法 3 1 并行电法现场布置并行电法现场布置 本次工作 面三维并行电 法的测线沿 1312 1 胶 带机顺槽和回 风顺槽点与南 翼 11 2 回风大 巷交叉点往工 作面切眼方向 布置 均完成 250m 测线长度 数据采集 共 完成 2 个测站的数据采集 每个顺槽各布置 1 站 单位电极距为 5m 两顺槽 共计完成 500m 段电法数据采集任务 图 3 1 三维电法现场电极 红色圆点 布置 顾北煤矿 1312 1 工作面顶水综合物探探测成果报告 7 3 2 瞬变电磁法探测布置瞬变电磁法探测布置 瞬变电磁 测线布置于 1312 1 胶 带机顺槽和回 风顺槽点及南 翼11 2回风大 巷 测点距为 10m 共计测 线长度为 810m 回风 顺槽 150m 胶带 机顺槽 250m 11 2 回风大巷 350m 见图3 2 同时 在回风顺槽和胶带机顺槽中每个测点布 置两个探测方向 分别为巷道垂直方向顶板和斜向面内45 顶板方向 11 2回 风大巷内布置3个探测方向 分别为巷道垂直方向顶板和斜向面内45 顶板方 向以及斜向面外45 方向 现场采用多匝重叠装置 通过定向发射接收 捕捉 顶板岩层富水区 4 探测结果探测结果分析分析 4 1 井下瞬变电磁探测结果分析井下瞬变电磁探测结果分析 附图 1 附图 2 和附图 3 分别为 1312 1 工作面本次瞬变电磁测试范围 内视电阻率成像图 总体上 胶带机顺槽 回风顺槽和回风大巷顶板岩层电阻 率较为接近 数据成像采用统一等值线色标 以便直观分析岩层电性分布特征 因 1312 1 工作面巷道内金属支护 且在回风大巷观测时 局部堆积大量金 属器件 给本次瞬变电磁探测解释处理造成一定的困难 经分析校正 针对探 测段该工作面顶板富水性情况 获取 4 个相对低阻异常区 图3 2 顾北矿1312 1 工作面瞬变电磁测点 蓝色圆点 布置 顾北煤矿 1312 1 工作面顶水综合物探探测成果报告 8 由于探测区域环境存在大量金属干扰 使得电磁感应信号非正常抬高 导 致本次瞬变电磁探测电性参数 视电阻率值 偏低 进一步影响电磁场 时 距 转换 给探测异常深度判定造成一定的误差 为获得异常最佳判定 结合淮南 矿区 11 层煤瞬变电磁探测经验 并考虑视电阻率等值线形态及其梯度变化情况 确定本工作面以 8为高电磁感应区域 即为低阻异常区 m 1 TY1 异常区异常区 位于胶带机顺槽一侧 沿巷道走向分布范围为 X1 60 140m 主要沿面内 展布 50m 其顶板上部岩层视电阻率值总体低于 8 m 分析该异常区为受 F93 1 断层 58 65 H 14 2m 影响 顶板岩层 含水裂隙发育 2 TY2 异常区异常区 沿胶带机顺槽 N15 30 60m 主要位于垂直顶板上方 深度 50m 该 段岩层视电阻率值总体低于 8 m 分析该区域受回风大巷侧多组断层影响 顶板岩层裂隙发育 含水 3 TY3 异常区异常区 位于回风顺槽与南翼回风大巷交叉口附近 沿面内展布范围 70m 该段岩 层视电阻率值总体低于 8 m 分析该段工作面顶板岩层裂隙发育 少量含水 4 TY4 异常区异常区 位于南翼回风大巷 N15 N22 之间 纵向分布于巷道内外侧顶板 深度分 布于 30 50m 之间 岩层视电阻率值总体低于 8 m 该区域与 TY2 异常区位置较为接近 认为两异常区为同一含水区 分析受 回风大巷侧多组断层影响 顶板岩层裂隙发育 含水 4 2 三维并行电法探测结果分析三维并行电法探测结果分析 图 4 1 为顶板三维电法电阻率成像立体效果图 由图可见 高低阻值差异 明显 其中低阻区范围主要位于顶板 35m 以内 尤其是顶板 20m 范围以内 分析主要为煤层顶板砂岩含水 顾北煤矿 1312 1 工作面顶水综合物探探测成果报告 10 附图 4 8 为顶板上方不同深度三维电阻率成像水平切片 受巷道及其周边 金属影响 顶板浅部切面电阻率值波动较大 顶板 10m 切面低阻区范围反应顶 10m 20m 35m 50m 65m 0 4 10 18 26 34 42 50 58 66 74 82 90 98 图 4 1 1312 1 工作面顶板三维 10m 以上 电法探测电阻率成像立体切片 EY1 EY2 顾北煤矿 1312 1 工作面顶水综合物探探测成果报告 11 板富水区分布情况 顶板 35m 以上 相对低阻范围显著减小 到 65m 以上 异常区基本难以准确分辨 因此 本次探测选择顶板上部 10m 断面内低阻区作 为相对富水区 由附图中可见 2 个相对低阻区 分别定义为 EY1 区和 EY2 区 其中 1 EY1 异常区异常区 区域电阻率值 9 位于胶带机顺槽一侧 分布范围较大 沿胶带顺槽 m N15 20 200m 在影响区内 又可细分为几个相对集中低阻区 分别定为 EY1 A EY1 B 和 EY1 C 其电阻率值 7 中心 4 m m 分析该区岩层裂隙发育 含水性强 具体可见附图 4 2 EY2 异常区异常区 相对 EY1 区较小 主要回风顺槽一侧 沿回风顺槽走向范围为 20 70m 沿面内展布 70m 参考原点为南翼 11 2 回风大巷与回风顺槽交叉口 具体见 附图 4 该区阻值亦表现较低 分析该区具有一定的含水性 5 综合分析综合分析 由于瞬变电磁和并行电法探测方式不同 瞬变电磁易受巷道内金属体 积 水区等影响 探测结果空间可靠性受到影响 而三维电法探测结果主要受电极 接地点附近电阻率影响 总体上其平面分辨能力较好 因此 瞬变电磁和三维 电法探测结果具有一定互补性 考虑到主要的顶板砂岩水威胁区平面及深度范 围都应较大 因此 取三维电法切面低阻范围 品红色虚线区品红色虚线区 与瞬变电磁所 圈异常范围 蓝色虚线区蓝色虚线区 相交区为重点富水区 红线区红线区 代表放水验证钻 终孔位置范围 以两者并集范围作为富水区范围 黑色虚线区黑色虚线区 共圈定 2 个 低阻区 具体见附图 9 1 YC1 低阻区低阻区 异常范围为 N15 N15 300m 主要沿胶带机顺槽走向分布于巷道两侧 其中偏向面内一侧延展宽度约为 50m 面外侧延展宽度约为 40m 顶板延展深 度为 50m 结合地质资料分析 该区夹于南北两侧多组断层之间 其中北侧断 层 F93 1 落差约为 14m 南侧断层落差平均为 1 5m 推测受断层影响 该 顾北煤矿 1312 1 工作面顶水综合物探探测成果报告 12 异常区顶板岩层裂隙发育 含水 综合三维电法和瞬变电磁法探测结果 圈定 3 个低阻区核心 分别为 Z 1 Z 2 和 Z 3 为重点防治水区域 作为设计钻孔终 孔所在位置 2 YC2 低阻区低阻区 位于南翼 11 2 回风大巷与 1312 1 工作面回风顺槽交叉口附件 沿回风 顺槽走向范围为 20 90m 主要沿面内展布 范围 70m 顶板延展深度 35m 综合两种探测结果 分析该区顶板岩层裂隙发育 具有一定富水性 并圈 定低阻区核心位置 Z 4 为重点防治水区域 作为设计钻孔终孔所在范围 6 探测结论与建议探测结论与建议 6 1 结论结论 根据瞬变电磁和三维并行电法探测结果 探测区共有 2 个低阻区 附图 10 并给出低阻区中较深范围低阻核心区域作为设计钻孔终孔所在范围 根 据各低阻区空间分布特征 给定异常如表 6 1 表 6 1 异常区分布特征及含水评价 异常区重点防治区平面展布顶板深度分布 Z 1见附图 10 50m 主要分布于 10 20m Z 2见附图 10 50m 主要分布于 10 20mYC1 Z 3见附图 10 50m 主要分布于 10 20m YC2Z 4见附图 10 Z 2 Z 3 Z 4 6 2 建议建议 1 建议依据 煤矿防治水规定 设计相应钻孔进行探放水工作 顾北煤矿 1312 1 工作面顶水综合物探探测成果报告 22 2 若 YC1 低阻区 Z 1 范围内富水性经验证含水量较大 对安全回采构成 威胁 则对 Z 2 和 Z 3 继续进行探放水工作 3 若对 Z 2 和 Z 3 区域富水性验证对安全生产构成威胁 则应继续对 Z 4 区施工钻孔 进行探放水工作 4 若 Z 1 Z 2 和 Z 3 范围富水性验证对工作面安全生产不构成威胁 则 其余范围可不再进行探放水工作 而进行安全施工或生产 顾北煤矿 1312 1 工作面顶水综合物探探测成果报告 13 附图附图 1 顾北煤矿顾北煤矿 1312 1 工作面胶带机顺槽 工作面胶带机顺槽 45 面内顶板及垂直顶板方向 瞬变电磁探测结果图面内顶板及垂直顶板方向 瞬变电磁探测结果图 0 2 4 6 7 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 a 45 面内顶板断面结果 b 垂直顶板断面结果 TY1 TY2 顾北煤矿 1312 1 工作面顶水综合物探探测成果报告 14 附图附图 2 顾北煤矿顾北煤矿 1312 1 工作面回风顺槽 工作面回风顺槽 45 面内顶板及垂直顶板方向 瞬变电磁探测结果图面内顶板及垂直顶板方向 瞬变电磁探测结果图 0 2 4 6 7 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 a 45 面内顶板断面结果 b 垂直顶板断面结果 TY3 顾北煤矿 1312 1 工作面顶水综合物探探测成果报告 15 附图附图 3 顾北煤矿顾北煤矿 1312 1 工作面南翼回风大巷 工作面南翼回风大巷 45 面内顶板 垂直顶板及面内顶板 垂直顶板及 45 面外顶板方向 瞬变电磁探测结果图面外顶板方向 瞬变电磁探测结果图 TY2 a 45 面内顶板断面结果 b 垂直顶板断面结果 c 45 面外顶板断面结果 02467810 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 TY4 顾北煤矿 1312 1 工作面顶水综合物探探测成果报告 16 附图附图 4 顾北煤矿顾北煤矿 1312 1 工作面三维电法顶板 工作面三维电法顶板 10m 电阻率切片电阻率切片 04101826344250586674