EH-4连续电导率剖面仪在煤矿水患勘查和矿产勘探中的应用.docx

1、EH-4连续电导率剖面仪在煤矿水患勘查和矿产勘探中的应用杨炳南彭乾云余万泽（贵州省地质矿产勘查升发局103地质大队，贵州铜仁554300）摘要：贵州牙煤矿大部分属于喀斯特煤矿床，岩溶发育程度较高，频繁发生煤矿突水事故，查明煤甫地下水分布情况和导水断裂的空间展布并提出水害防治方案对指导矿井的安全生产有着非常重要的指导作用.另外，贵州金属矿成矿条件复杂，地形起伏颇大，传统的电法工作常以消除地形、环境等因素造成的不利影晌.预率域电磁法对喀斯特充水煤矿，床水患防治和矿产勘探钻探弛区的圈定有明显的效果.关键词：煤矿水患勘查；矿产勘探；格斯特煤矿床；也矿；EH-4DOI：10.3969/j.issn.16

2、71-6396.2012.06.0171 EH-4仪器在电法勘探分类中所处的位置电法通常可以分为以下五大类：（1）几何电阻率法（常州的直流电法）；（2）激发极化法：（3）自然电场法；（4）充电法：（5）电磁法。对于电破法，又分为时间域电磁法即瞬变电磁法和频率域电磁法（CSAMT法、AMT法、MT法），EH4即属于频率域电磁法中的AMT（音频大地电磁法）。2 EH-4连续电导率剖面仪简介及野外工作流程简述EH-4是美国著名的Geometries公司和EMI公司联合研制的双源型电磁系统。电磁系统包括两部分，发射装置和接受装置.接收装置包括不锈钢电极、接地电缆、前端转换器（AJE）、磁探头、主机、传

3、输电缆、12V蓄电池：发射装置包括发射天线、发射机、控制器、12V蓄电池，可以应用在地形比较复杂或环境比较恶劣的地区。EH-4作为全新概念的电导率张量测筮仪，利用大地电磁的测量原理，配置了特殊的人工电磁波发射源。这种发射源的天线是一对十字交叉的天线，组成X、Y两个方向的磁偶极子，轻便而旦只用于普通汽车电瓶供电，发射频率从500100kHz,专门用来弥补大地电破场的寂静区和几百赫兹附近的人文电磁干扰谐波。该系统可以在10100kHz的宽频范围内采集数据，为确保数据质屋与工作实效，上述频带又分成三个频组：一频组：101kHz；二频组：5003kHz：图1EH-4大地电磁测深系统装置示意图3EH-4

4、的主要优点EH-4的全新概念主要归结为如K几个方面：（1）应用大地电磁法的原理，但使用人工电磁场和天然电磁场两种场源；（2）既具有有源电探法的稳定性，又具有无源电磁法的节能和轻便；（3）能同时接收和分析X、Y两个方向的电场和磁场，反演X-Y电导率张量剖面，对判断二维构造特别有利：（4）仪器设备轻，观测时间短，大约只需1520min,这使它可以轻而易举实现密点连续测量（首尾相连），进行EMAP连续观察（见图1）：（5）实时数据处理和显示，资料解释简捷，图像直观。EH-4通过发射和接收地面电磁波来达到电阻率或电导率的测探。连续的测深点阵组成地下二维电阻率剖面，甚至三维立体电阻率成像。4EH-4在水

5、息勘查与矿产勘探中的应用实例4.1EH-4在水患勘查方面的应用我国煤矿水害类型主要为喀斯特充水煤矿矿床、砂岩裂隙充水煤矿床、第四系及地表水充水煤矿床，其中喀斯特地区煤矿井是以岩溶水充水为主，由于喀斯特发育的不均匀性造成矿井充水具有不均匀、量大、突发性强，并与大气降水密切的特点，矿井水害给煤矿安全生产带来的威胁也越来越大。特别是贵州省岩溶石山区的煤矿水害问题非常突出。黔北某煤矿属岩溶剥蚀型山地地貌。位于赤水河上游观音河支流，属赤水河水系。区内碳酸盐分布面积广，多属裸露至半裸席的基岩山区，区内第四系松散层为孔隙水含水层，夜郎组、长兴组灰岩为岩溶水含水层，富水弱至中等，茅口组灰岩为岩溶水含水层，富水

6、型强，是威胁煤矿开采的主要充水含水层，夜郎组粉砂岩泥岩、页岩和龙潭组粘七岩、炭质页岩为相对隔水层。EH-4主要通过频率域张量电磁法原理来观测地层电性参数在纵向及横向上的变化特征，来确定地层岩性结构、岩溶发育带或岩石破碎位置。下图为该煤矿物探综合成果图。C4煤层位于龙潭组底部，距离龙漂组-茅口组界限仅10m左右，该矿区Fi走向北东，倾向南东，断距为200m,地表表现为二叠系中统长兴组与三叠系下统夜郎组第三段直接接触，为正断层，地表1M2号、25号点斜向下，视电阻率等值线发生明显的不连续性，推断为断层F,和节理裂隙L的电性反映，在断层有附近，明显发现了4个圈闭的地下水异常体，特别是G4和G6异常距

7、离煤层较近，旦发育在断层F）附近，节理裂隙Ji从浅地表贯彻至煤系地层，在雨季.地表水可能通过L下渗至煤层附近，因此在该区域开采煤矿时，要特别注意地下水岩溶管道异常及断层日和节理裂隙Jj的充水、导水性。因此EHV连续电导率剖面仪对于矿区地下水岩溶管道水的空间分布和断层、节理裂隙的空间展布具有很好的分辨能力，对矿区的水害严重程度给予评估，防治媒矿地下水具有非常重要的指导意义。oiooxom«osooaoot»nomi«oh«mooa>m»t«o*1（%）（l三会系下统辛草filffl；2三登系下统做郎粗第三段；3三系下统夜即粗第二段

8、：4三4k系下绕夜郎组第一段：A二会系上统长兴组：4二登系上统龙潭ffi；7-二会系中统yuffi：8-推测煤区及偏号：9.推科岩溶管11水及锥号：10断层及地号:II*袋及编号I12-推测地层界线|13-推测轻度水患区及编号,14-推测中度水患区及编号.）0B2黔北某煤矿EH-4物探综合成果图4.2EH-4在矿产勘查中的应用黔东某链矿大地构造位置地处扬子陆块之黔北台隆的东南缘，四次构造单元为贵阳复杂构造变形区的北东端。矿区出露的地层主要为南华系大塘坡组（二、三段）、南沱组，震旦系陡山沱组、留茶坡组和寒武系九门冲组、变马冲组、杷榔组和清虚洞组等地层，地层主要呈北东南西向带状展布大塘坡组（Nh】

9、d）含锭岩系主要由炭质页岩、炭质菱铉矿、白云岩、凝灰质粉砂质页岩、粘土岩等组成。其综合电性特征为低电阻率高极化率特征，与其它岩性差异明显，具备电法物探勘测条件。其上覆南沱组（Nln）冰硕砾岩和下伏铁丝坳组（NhQ冰磺砾岩同样为高电阻率低极化率特征，是判断大塘坡组（Nh|d）地层存在的间接标志。有时，由于大塘坡组（Nh|d）二、三段粉砂质页岩厚度大，可能会减弱冰硕砾岩与含链岩系的电性差异。4.2.1在ZK601钻孔上实测结果分析在ZK601钻孔上实测了1、2、3、4、5观测点，其中3号正位于钻孔上，视电阻率拟断面图显示，浅部有10m厚的低阻层（第四系覆土），其下是约80m厚的相对高阻电性层，与钻

10、孔岩芯为大唐坡组第二、三段粉砂质页岩电性对应,再往下是约50m厚的相对低阻异常电性层，与钻孔岩芯为大唐坡组第一段碳质页岩及铉矿层电阻率低阻异常对应，再往下进入相对高阻、低阻、高阻电性异常区，与铁丝坳组冰碳砾岩、及下伏红子溪组地层岩性相对应（见图3左）。4.2.2在ZK1005钻孔上实测结果分析在ZK1005钻孔上实测了1、2、3、4、5观测点，浅部有约70m厚的低阻层（推测为第四系覆土或强-中风化页岩），其下电阻率逐渐增高，到180m深处，出现弱的相对低阻异常，推测此处为含住岩系电性层，再往下进入相对高阻、低阻、高阻电性异常区，与铁丝坳组冰硕砾岩、及下伏红子溪组地层岩性相对应。3号测点。280

11、m段电性特征为相对高阻异常，与钻孔岩芯电性特征不对应，与两侧观测点电性不吻合，到达280m深度以下，与两边测点电性特征基本一致，进入相对高阻、低阻、高阻电性异常区，与铁丝坳组冰磺砾岩、及下伏红子溪组地层岩性相对应（见图3右）。图3黔东某话矿EH4方法在见矿钻孔上试测成果对比图5结语EH-4利用大地电磁的测量原理，配备了特殊的人工电磁波发射源，在煤矿水患勘查和矿产勘探中发挥着重要作用，特别在西南地区地形起伏较大，施工条件复杂的不利条件下，其设备轻巧，分辨率高，以地质为基础，充分利用物探资料，深化成矿规律研究，对于指导喀斯特充水煤矿矿床防治水和矿产勘探圈定钻探靶区有明显的效果。参考文献：1 龙凡地

12、球物理方法在地下水探测中的应用（J.沈阳:白云出版也2007,4.2 罗德生.贵州晚二登世含煤建造成煤环境的研究J.中国煤炭,2000,26（9）:22-24.3 徐彬彬，和明德等.贵州煤田地质M.江书:中国矿业大学出版心003,11.作*简介|杨炳南（1985-）,男，主要从事物探工作.（下转第21页）密度kg/nf泊松比弹性模lit(N/m2)热膨胀系数(K)比热容J/(kgK)热牙率W/(mK>M照强度(N/m2)3048.00E+030.29I.90E+III.8OE-O55.00EH)216.002.O7E+O87O75-T6512.8IE+O30.337.2OE+IO2.4O

13、E-O59.60E+02130.005.O5E+O8裹1304和7O75-T651的材性由于工作台由调平螺钉通过螺纹孔支撩，所以在螺纹孔处出现应力集中，巾图I(a)可知最大的应力366.4MPa出现在螺纹孔处，大于不锈钢304材料的屈服强度207MPa,而小于抗拉强度52OMPa.1：作台将出现塑性变形。山图】(b)订知I：作台的扯大变形位移为0.275mm.出现任左边缘处，右下角呈上翻理势。7075-T651材料的工作台仿贞分析结果如图2所示。<)7075-T65IMilI：件台的应力A国<b)7075-T65IMH匚作台的位修云图图27075-T651材村工作台分析的结果山图2

14、(a)可知最大的应力185.9MPa出现在螺纹孔处,远小J-7075-T651材料的屈服强度505MPa.匚作台只表现为弹性变形,不会出现塑性变形。由图2(b)可知工作台的最大变形位移为0.454mm,也出现在左边缘处，右卜角同样呈上翻趋势.由图1和图2可知,两种材料的应力分布和位移分布大致样.'*1作台的伐荷为60kg时，304材料的：作台变形为观性变形，变形虻为0.275mm虽然仅是7075-T651材料的变形乩的40%,但075-T651只是弹性变形，其成大变形；&也不会损密已制作好的I：件，当工件去除之后还可恢红蛎状，并M7075-T65I材料的I：作台比304材料的加

15、工工艺简单,也易于加工,质童约为后者的1/3.所以，CASLA600型号的1作台材料采用7075-T65K5结论由卜激光固化快速成型设备工作台有限元分析的相关文献很少,本文分析了选择Pro/Mechanica作为作台分析软件的原因,并在Pro/Mechanica平台上对304不锈钢和7075-T651铝合金材料的工作台进行了分析，在满我的情况下，对比了两种材料的CASLA600型号工作台的应力和变形情况，选择f7075-T651铝合金材料作为:作台的材料。在长期的实际应用中，7075-T65I材料的I.作台能很好得满足生产需要，为工作台的设计提供了理论依据。参考文献，May1A.Epoxyre

16、sinMj.NewYork:MarcelDekker,1988.1 HassaniB.HintonE.AReviewofHomogenizationandTopologyOptimizationI*HomogenizationTheoryforMediawithPeriodicStructureJ.ComputerandStructure.1998,69:707-717.3JMcijcrsP.PlateswithaDoubly-PeriodicPaiiemofCircularHoleLoadedinPlaneStressorinBcnding/FirslInternationalConfere

17、nceonPressureVesselTechnologyJ.Delft.1969.|4)黄叫光，陈他津.谢桂吃均勾化理论在多孔板结构优化中的应用研究J】.机械科学七技术,2004.23(8):995-998.5曾朱文彬.海海涛.用春苗均匀化方法的多孔板结构没计敷值研究(JJ.钢姑构.2006,(5):63-66.|作者简介|张海强(1982-),男，汉族，河南郑州轴，硕士研究生，主要从事结构设计优化及有限元分析方面的研究工作.<E接第39页)TheApplicationofEH-4intheInundationExplorationandMineralExplorationofCoal

18、MineYANGBin-nan.PENGQian-yun,YUWan-zeAbstract:MostofthecoalmineinGuizhouarekarstcoaldeposits.Thewaterinrushincidentsoccurredfrequently;soidentifyingthedistributionofgroundwaterandwater-transmittingfault,andproposingwaterdamagepreventionprogramtoguidesafetyproductionareveryimportant.Inaddition,themetallogenicconditionofmetalmineinGuizhouiscomplex,andthetraditionalelectricmethodcannote