物探随煤层赋存条件变化的探测方法及效果研究

1、类别 年科 学 技 术 项 目计 划 任 务 书（物探随煤层赋存条件变化的探测方法及效果研究）负责单位：皖北煤电集团有限责任公司 宿 州 学 院 起止年限： 2012.6-2013.6 填 写 说 明为加强科学技术计划管理，凡科学技术项目，都须填报计划任务书。计划任务书由承担任务的主要负责单位（会同协作单位）编制，经主管部门审查后，一式三份上报。1、目的意义和国内外概况一栏，除填写国内外概况，主要差距和趋势外，还应包括国内其他单位的研究情况。2、主要研究、实验内容和技术关键一栏要有总目标和阶段目标；攻关内容要具体；经济技术指标和经济效益要明确，不仅要求定型，而且要定量，既要有数的概念；理论、规

2、律等课题要求有经过实践考核的成果；成套设备不仅要有单项设备的指标，而且有综合指标和效益。3、采用的研究、试验方法和技术路线一栏，凡成套项目，要求通盘考虑，包括总体设计、工艺、新产品的研究，老产品的改进，现有产品的配套等，最后形成能力。4、地点，试验规模和进度安排及承担单位和主要协作单位及分工栏，进度要尽量加快，并要求具体，要包括现场在内的协作单位的分工、责任以及承担任务的具体进度。5、经费概算及主要设备和仪器栏。申报经费要实事求是，精打细算；已有的（包括可代用的）仪表及设备不要再买；凡工程费和老产品配套费应由现场出，部只补助科研费；如现场偿还部分经费，清将有偿部分写入（有偿部分归科研单位作科研

3、费使用）；明细表要写具体（包括型号、数量、价格等）。目的意义和国内外概况（包括国内外专利情况）：1）研究背景煤矿五大灾害“水、火、瓦斯、冒顶、煤尘”，其中突水灾害位居其首。特别是近年来频频发生的重、特大型突水事故，触目惊心。2005年12月2日，河南省洛阳市新安县寺沟煤矿发生特别重大突水事故，死亡42名矿工，直接经济损失973万元；2005年12月28日，山西大同左云县范家寺宝源矿业公司发生重大突水事故，20名矿工遇难；2006年5月18日该矿业公司再次发生特别重大突水事故，56名矿工遇难，直接经济损失5312万元；2006年7月17日，广西大厂矿发生的重大突水事故，81名矿工遇难；2006年

4、8月7日，广东省梅州市兴宁市大兴煤矿在开采急倾斜煤层时发生抽冒，破坏了防水安全煤柱，上部大量老空积水突入矿井，123人死亡。皖北煤电集团公司所属各井田属典型的华北型隐伏煤田，是多水源充水煤田。各井田除了受大气降水及地表水水害影响较小外，既受到顶板砂岩及松散层含水层溃水的影响，下伏石炭系太原组灰岩和奥陶系马家沟组灰岩强含水层的威胁和危害，同时还不同程度受断层、陷落柱突水以及老塘透水的威胁。如：2001年刘桥一矿623和626工作面发生太灰含水层突水，突水量达到365m3/h，对生产造成较大影响；恒源煤矿曾发生4413工作面顶板砂岩溃水事故，水量达284m3/h；1988年百善煤矿发生顶板抽冒事故

5、，埋没工作面的全部支架；2001年祁东煤矿发生顶板松散层底含沙层溃水，水量达1520m3/h，淹没矿井；任楼煤矿1996年3月发生陷落柱突水，水量为34570m3/h，淹没矿井；另外，刘桥一矿、孟庄煤矿也曾发生老塘透水事故。物探方法能够超前探测井下不同空间的含水异常体，能将透水事故抑制在萌芽状态。物探方法因其快速、成本低等优点已经成为煤矿防治水的一种主要方法。2）矿井瞬变电磁在超前探水中应用及存在问题对井下不同空间（顶板、底板、巷道前方、工作面内）含水异常体的超前探测方法有很多种：直流电阻率法、音频电透法、红外探水法、无线电波透视法等，矿井瞬变电磁方法因其探测体积效应小、移动速度快、成本低、方

6、向性好而应用广泛，是近几年来煤矿防治水青睐的一种非接触式的电磁方法。将瞬变电磁法应用于井下全空间经历了一段过程，从“烟圈效应”向全空间传播的过渡、井下观测系统的确立、数据处理系统（井下人文、天电、金属等干扰的校正、视电阻率的计算、结果成像系统的显示）的完善以及井下防爆设备的研制，从目前在各大矿务局的实验的结果分析，这种方法应用于井下是可行的，为煤矿防治水能提供一定得地质依据。然而随着煤矿防治水在空间位置（钻孔的平面布置及孔深）上精度的进一步提高，煤矿生产单位对物探结果的要求也越来越精细，这就要求矿井瞬变电磁在现场探测时随地质条件的变化作出相应的改变。总体而言，以往针对不同的地质条件矿井瞬变电磁

7、在现场数据采集时存在以下问题：A）矿井瞬变电磁在井下的观测系统只有两种：“U”观测系统及“扇形”观测系统，井下数据采集时孤立的使用一种观测系统，数据量较小，结果解释时精度不够；B）“扇形”观测系统在数据采集时，随煤层倾角变化时，角度不能精确定位，线框角度的放置随意性太大。如此，数据解释时会造成空间解释的偏差；C）原有的资料解释过程中，结果只能显示视电阻率的结果拟断面图，显示方法单一。基于上述三点，随着煤层赋存条件的变化，矿井瞬变电磁法现场数据采集及数据处理时也应有一定得变化，尤其是现场数据的采集应建立更为可靠的、精确的、量化的新模式。3）本项目的研究目的和意义本课题拟选择代表性煤矿（煤层赋存条

8、件变化比较明显的煤矿）为研究基地。本项目利用改进后的技术探测效果与以往没有改进的探测效果做对比，辅以实际钻孔验证，对比探测技术（特别是矿井瞬变电磁线框设计前后）改变前后的探测效果与实际的误差，验证如果矿井瞬变电磁线框放置的角度不准确，为对煤层赋存条件发生变化的探测结果产生一定的偏差。为煤矿防治水的工作进一步提高精度，更进一步的为煤矿的安全、高效开采提供保障。主要研究、（试验内容和技术关键）（包括技术途径，并经技术经济论证，提出技术经济可行性报告）：1）主要研究内容本项目的主要目的是建立新的矿井瞬变电磁探测体系，进一步提高探测解释的精度，不仅能够解决井下不同空间的含水异常体的精准位置，更为重要的

9、是要对含水异常体的类型做精细判别。依据这一目的，主要的研究内容如下：A）对矿井瞬变电磁的基本理论做全新研究，进一步模拟烟圈效应在全空间下的具体形态；B）对矿井瞬变电磁在井下受到的干扰类型进行划分，模拟不同类型的干扰对煤、岩的正常响应的影响；C）进一步研究煤层赋存条件发生变化时观测系统的建立，讨论“U”观测系统及“扇形”观测系统应用的具体条件；D）基于上述的理论研究，在煤层赋存条件发生变化时，设计 “扇形”观测系统布置时线框角度随意精准变化；E）通过探测对比线框在设计前后的效果，验证角度精准自由变化的重要性；F）进一步完善在这样的探测方法下的数据处理系统及资料解释中的结果显示方式；2）拟解决的关

10、键问题依据项目的研究目的，本项目需解决的关键问题包括：A）研究煤层的倾角变化与矿井瞬变电磁探测方向的关系；B）设计矿井瞬变电磁探测线框精准自由变化；C）全新矿井瞬变电磁探测体系的确立。3）可行性分析基于项目的研究内容和关键问题，可行性分析主要包括设计线框的探测与对比试验、关键问题解决两部分。A）设计线框的探测与对比试验的可能性：项目申报者在攻读硕士研究生期间，完成了国内第一款本安型矿井瞬变电磁的设计，因此，矿井瞬变电磁的整个探测系统较为熟悉，有能力设计随煤层赋存条件变化的自由变化的探测线框；另外，项目组先期参与过皖北矿务局的矿井瞬变电磁探测项目，因此，设计线框的探测与对比试验也完全能够胜任；B

11、）关键问题解决的可行性：前面提及的三个“拟解决的关键问题”，首先是煤层的倾角变化与矿井瞬变电磁探测方向的关系，这一问题相对容易解决，只需要加强对不同倾角的煤层进行系统的采集、测试并适当分析即可解决；然后是设计矿井瞬变电磁探测线框精准自由变化，这一问题重点在于解决线框变化角度时的精准性，这个在工艺上存在可能性，并不难解决，关键是解决其便携性及材料选择时对数据的干扰性上；此外，就是资料解释的单一性，以往的数据解释结果是显示视电阻率的拟断面图，在新的矿井瞬变电磁探测系统中结果解释中一定要加进去瞬变电磁在不同地球物理测点的多测道响应剖面及单点的视电阻率随深度的变化关系曲线，加强结果解释的真实性及精准性

12、。至于海量测试数据的数学处理技术，我们在以往均进行过大量的研究，一般没有问题；软件的编制在宿州学院内部即可解决。综上可知，有探测装置设计、有测试手段、有处理方法，实现本项目的研究目标是完全可行的。采用的研究、试验方法和技术路线（包括工艺流程）：本项目的研究方法主要结合研究内容而定，具体如下图所示： 1）资料收与理论研究：基于烟圈传播理论，研究煤层倾角的变化对探测效果的影响，弄清煤层的倾角与矿井瞬变电磁探测线框放置之间的关系； 2）探测线框的设计：在弄清矿井瞬变电磁探测方向与煤层倾角之间的关系的前提下，设计与研制可以角度自由精准变化的线框，保证数据解释时空间位置的精确性；3）数据处理与解析系统：

13、在现行的数据解释软件的基础之上，增添数据显示的方式及干扰校正的具体模式；4）设计前后的探测效果对比，研究全新的随煤层赋存条件变化的物探方法；5）选择特定的煤矿及巷道，连续跟踪探测验证起设计的合理及精准性；6）编写报告，进行项目验收。地点、试验规模和进度安排：地点：拟定在祁东煤矿进行研究工作。实验规模：选择正在回采的煤层赋存条件存在变化的工作面即可。进度安排：2012.7-2012.8月：收集资料及选择试验巷道；2012.8-2012.9月：完成对矿井瞬变电磁探测线框的设计；2012.10月：对设计线框做探测试验，对数据进行分析、提出新的探测系统，编制相应的数据处理软件；2012.11月：连续跟

14、踪对比探测，验证并修改模型和软件；2012. 12-2013.2月：编制报告、项目验收；经费概算（包括总概算和分年度预算的项目和费用）：经费总概算：经费主要包括分析测试费、设备费、数据分析-建模-软件编制费、差旅费、报告编制费和管理费，具体如下：1）分析测试费：包括10次验证探测，约30000元/次，合计30万元；2）线框设计费用：主要是对矿井瞬变电磁探测线框的设计，估计4万元（主要是角度的设计及材料的选择）；3）数据分析-建模-软件编制费：数据分析和建模费用3万元，软件编制2万元，合计5万元；4）报告编制、复制费等：3万元；5）成果验收或鉴定费：3万元6）管理费用：按照10%收取，合计4.5

15、万元。以上费用合计：49.4万元。主要设备和仪器（名称、规格型号、数量）：矿井瞬变电磁仪器主机一套：TEM75HZ发射、接收线圈：2mX2m，匝数：16X32发射电压：12V数据处理软件一套：MTEMTEST1.0 经办人： 器材（供应）部门负责人：承担单位和主要协作单位及分工（包括研究、试制、试验各阶段的各单位的分工和承担的责任）：本项目由皖北煤电集团有限责任公司和宿州学院地球科学与工程学院共同承担，具体研究工作由安徽省煤矿勘探工程技术研究中心负责实施，包括项目设计、分析测试、数据处理、报告编写、汇报等。皖北煤电集团有限责任公司在研究中主要负责提供研究区以往研究资料，并协调样品的采集工作；宿州学院负责线框的设计、测试工作，并对项目的组织、实施进行协调。课题领导小组成员（单位、姓名、职务