塔山煤矿综合物探施工设计

目录TOC\o"1-3"\h\u24321第一章概况120511第一节目的任务14337第二节10217工作面概况25485第二章矿井地质426835第一节地层427391第二节构造421136第三节10217胶带顺槽区域地质626644第三章煤层716272第一节含煤性715087第二节可采煤层79609第四章水文地质1026884第一节区域水文地质102152第二节10217胶带顺槽区域水文地质1220913第五章瞬变电磁基本原理与仪器参数134271第一节基本原理133995第二节仪器参数1531184第三节矿井震波勘探的基本原理1630255第四节矿井震波勘探的仪器参数1716456第六章现场施工布置与现场条件185070第一节现场施工布置1830075第二节瞬变电磁现场施工条件199898第三节矿井震波现场施工条件194011第七章施工工程量预算208556第八章提交成果资料2132390第九章安全技术措施221555第一节瞬变电磁施工2220750第二节矿井震波施工2220647第三节施工组织23第一章概况第一节目的任务大同市南郊区塔山煤矿,前身为南郊区西万庄乡上窝寨小桦岭煤矿与鸦儿崖乡官窑新井,经同煤技字〔92〕第123号与同地发〔92〕第51号文上报省煤资委申批联营,经审查以晋煤资字〔1992〕第140号文批准联营而组建,成为大同市南郊区塔山联营煤矿,颁发采矿许可证号为D1135号,井田面积1.32km2,批采太原组2、3、5〔3-5〕、8、9号煤层,生产规模150kt/a,隶属南郊区经营管理.井田面积和生产规模几经变动,1996年晋煤资字第281号文批准该矿井面积改为3.79km2,矿井设计能力为300kt/a.2011年4月26日8.146km2,采矿许可证有效期限30年,自2011年3月31日至2041年3月31日.本次综合物探技术探测位置位于2号煤层,2号煤层为太原组最上一层煤,分布于井田全部区域,大部可采.煤层厚度0.10-4.38m,平均3.00m,煤层结构复杂,为了保证10217工作面回采过程中的安全,利用综合物探技术对10217工作面10217胶带顺槽煤层底板3-5号煤层采空区富水性与空间展布情况进行预测预报.任务如下：通过瞬变电磁勘探方法调查10217胶带顺槽22号测点至22号测点前640m范围,煤层底板下方3-5号煤层采空区富水情况；通过矿井震波勘探方法调查10217胶带顺槽22号测点至22号测点前640m范围,煤层底板下方3-5号煤层采空区空间展布情况.图1-110217胶带顺槽探测范围示意图第二节10217工作面概况1、地面位置10217工作面对应地面为井沟、珍珠窑沟之间的山坡和沟谷地段,对应地表为低山丘陵、沟谷、冲沟与黄土台地,山脊基岩裸露,植被稀少,地面标高为1425～1675m,平均1550.0m,地面无建筑物.巷道中部对应地势相对较高,北部、南部对应地势相对较低,煤层埋藏深度419～2、层间关系2号煤层之上315～340m为四老沟矿开采的侏罗系大同组14号煤层空区,再向上25～35m为侏罗系大同组11号煤层采空区<1949年前旧采空区〕；2号煤层之下4.41～4.81m为石炭系太原组3-5号煤层采空区.3、四邻关系工作面北侧隔矿界煤柱与同煤集团白洞煤矿相邻；巷道南侧为1075回风、皮带和辅运三条大巷；西侧隔18m煤柱为1024、煤层根据10215工作面2#煤层回风大巷实际揭露的地质资料分析推断10217工作面煤层为复杂结构,煤层中普遍含有两层夹矸,夹矸单层厚度分别为0.05～0.10m,岩性为褐色高岭质泥岩与炭质泥岩.2号煤层为太原组最上一层煤,煤层厚度0.10-4.38m,平均3.00m,5、地质构造10217工作面位于井田东部边缘,巷道所在区域呈一单斜构造赋存,煤层有波状起伏,因2号煤层整体趋势为北西部较低,南东部较高,故巷道趋势也为北部较低,南部较高,其巷道底板标高为970.0～1055m,平均1013m.由于工作面东侧受构造挤压影响,会波与10217胶带顺槽,造成煤层倾角局部增大.根据10215工作面实际揭露的地质资料分析、推断在6、主要水文地质地质问题奥灰岩溶水主要为灰岩承压水.灰岩承压水含水层为寒武系—奥陶系石灰岩含水层组.2〕顶板砂岩裂隙水3〕同层10215工作面采空区积水.4〕底板3-5号煤层小煤窑采空积水.第二章矿井地质第一节地层井田内西部多为黄土掩盖,东部地层出露较多,井田内发育地层由老到新为：太古界集宁群、寒武系、奥陶系下统亮甲山组、石炭系中统本溪组、上统太原组、二叠系下统##组、下石盒子组、上统上石盒子组、侏罗系下统永定庄组、中统大同组、云岗组、第四系中、上更新统和全新统.现自下而上叙述如下：一、上太古界集宁群〔Arjn〕二、寒武系〔∈〕三、石炭系<C>1、中统本溪组<C2b>2、上统太原组<C3t>四、二叠系<P>1、下统##组〔P1s〕2、下统下石盒子组〔P1x〕3、上统上石盒子组<P2s>五、侏罗系〔J〕1、下统永定庄组〔J1y〕2、中统大同组〔J2d〕3、中统云冈组〔J2y〕六、第四系〔Q〕1、中上更新统〔Q2+3〕2、全新统〔Q4〕第二节构造一、区域构造大同煤田位于天山～阴山纬向构造带的南侧,新华夏系第三隆起带上.东与大同盆地接壤,以口泉山脉为界,西邻经向构造带的西石山脉,南以洪涛山背斜为界,与宁武煤田隔山相望,在构造形态上为一开阔向北东倾伏的向斜构造,南东翼倾角较陡,边部煤层露头地段倾角一般大于60度,局部直立倒转,北西翼倾角较小,中部、西部倾角较平缓,大多在10度以下,由于受构造的影响,向斜轴总体走向为北东30-50度,见图2-1.2-1大同煤田构造形态示意图井田构造塔山煤矿位于大同煤田中东边缘地段,属大同向斜中东翼,井田内为一走向北东N30º-45ºE,倾向北西的单斜构造,东部煤层露头一带地层倾角大,由30º-80º,局部有倒转现象,向西部逐渐转向平缓,倾角在2º左右.井田构造见图2-2.2-2井田构造纲要图第三节10217胶带顺槽区域地质本次探测位置为2号煤层1021胶带顺槽22号测点至22号测点前640m处,2号煤层为太原组最上一层煤,煤层厚度0.10-4.38m,平均3.00m,煤层结构复杂,含夹矸1-5层.煤层顶板为砂岩或泥岩,底板为粉砂岩或高岭质泥岩.第三章煤层第一节含煤性井田内赋存侏罗系煤层和石炭二叠系煤层,侏罗系大同组煤层多已采空关闭,二叠系##组主要为极不稳定的山4号煤层,该煤层局部被煌斑岩破坏,现井田内零星分布.该矿批准开采煤层与实际开采煤层一致.井田内主要可采煤层为石炭系太原组煤层,井田内太原组地层厚73.50-97.60m,一般厚为87.48m,主要可采煤层分布稳定,该组在本井田内共含煤8层,煤层平均总厚为29.70m,含煤系数34%,其中可采煤层为2、5<3-5>、6、7、8、9号六层,其它为薄而不稳定,仅零星赋存,工业价值不大.第二节可采煤层现将井田内可采煤层自上而下分述如下：2号煤层：为太原组最上一层煤,上距##组底部〔K3〕砂岩0-9.00m,平均8.28m,分布于井田全部区域,大部可采,见图4-1.煤层变异系数为0.06%,属稳定型,煤层厚度0.10-4.38m,平均3.00m,煤层结构复杂,含夹矸1-5层,现为该矿主采煤层,煤层顶板有伪顶、直接顶、老顶.伪顶区内零星分布,岩性为炭质泥岩、泥岩,厚0.1-0.3m；直接顶岩性为粉砂岩、砂质泥岩,厚一般在2-5m；老顶以砂砾岩、粗砂岩为主,局部为中细砂岩,厚2-18m.5<3-5>号煤层：上距2号煤层1.55-6.67m,平均4.35m,全井田均有赋存,井田内与3号合并,变异系数为0.16%,属稳定煤层,煤层厚度15.72-26.77m,平均17.93m,西厚东薄见图4-2,结构极复杂,夹矸一般为5-11层以上,岩性多为高岭质泥岩或炭质泥岩,煤层顶板有伪顶、直接顶、老顶.伪顶区内零星分布,岩性为泥岩、砂质泥岩,厚0.2-0.5m；直接顶岩性为高岭质泥岩、炭质泥岩,厚3-5m；老顶岩性为中粗砂岩,厚6-15m.底板岩性为砂质泥岩、泥岩,厚6号煤层：上距5〔3-5〕号煤层0.60-8.84m,平均3.35m,在井田中部赋存,仅在井田北部可采,煤层厚0-2.57m,平均1.11m,见图4-3,可采性指数0.71,为不稳定局部可采煤层,煤层结构简单,局部含夹矸一层,煤层顶板为直接顶.直接顶岩性为砂质泥岩和高岭质泥岩,厚1.2-3.5m.底板岩性为泥岩、细粒砂岩,厚1.5-3.657号煤层：上距6号煤层1.70-9.59m,平均4.66m,赋存于井田中部,煤层厚0-3.92m,平均1.72m,见图4-4,变异系数0.66%为不稳定局部可采煤层,煤层结构较简单,含夹石1-3层,煤层顶板有直接顶、老顶.直接顶岩性为泥岩,厚0.8-2.7m；老顶岩性为细粒砂岩,厚2.3-3.74m.底板岩性为砂质泥岩、高岭质泥岩,厚1.18号煤层：上距7号煤层16.18-28.29m,平均20.96m,8号分布于全井田,为主要可采煤层,煤层厚度1.47-7.45m,平均3.91m,由南向北厚度变薄,见图4-5,煤层结构较简单,含夹矸1-2层,变异系数为0.43%,可采性指数1,属稳定型煤层,煤层顶板有直接顶、老顶.直接顶岩性为砂质泥岩、泥岩与粉砂岩,厚3-10m；老顶以中粗砂岩为主,局部为砂砾岩,分布稳定,厚3.5-10.8m.底板为粉砂岩或泥岩,厚0.539号煤层：上距8号煤层1.50-13.50m,平均7.59m,部分地区中夹8下煤层,一般厚度较薄,9号煤厚为0-5.84m,平均1.80m,广泛赋存于全井田,厚度变化大,东部含夹矸,往西南变薄为零,西部边缘为高灰份煤,变异系数为0.77%,可采性指数0.84属较稳定型煤层,顶板为粉砂岩或粗砂岩,一般厚1.70m,底板为炭质泥岩或高岭质泥岩,厚度1.5m左右.表3-1可采煤层特征一览表煤层号煤层厚度最小-最大平均层间距最小-最大平均可采性指数〔km〕变异系数<r>%厚度分级稳定性与可采性煤层结构夹石层数顶板岩性底板岩性20.10-4.383.000.896中厚稳定,大部可采5〔3-5〕15.72-26.7717.934.35116特厚稳定,全区可采60-2.571.113.350.7161薄不稳定,局部可采70-3.921.724.660.7366中厚不稳定,局部可采83.9120.96143厚稳定,全区可采粉砂岩粉砂岩、泥岩90-5.841.807.590.8477中厚较稳定,大部可采第四章水文地质第一节区域水文地质大同煤田位于##省北部,介于口泉山脉与牛心山脉之间,四周为强烈上升的中高山地形,煤田内部地势变缓,为低山丘陵地貌.大同煤田为一北东—南西向向斜构造,东南翼窄,地层倾角陡,构造较复杂,西北翼宽广,构造简单.区域内出露地层有太古界、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系与第三系、第四系.区域内河流由北至南以次为十里河、口泉河、鹅毛口河、小峪河、大峪河,均属桑干河水系,国投塔山矿位于口泉河支系.区域地下水以大气降水为主要补给来源,其次为河流的渗漏补给,由于侏罗系、石炭—二叠系煤层均已开采,矿坑排水已成本区碎屑岩裂隙水的主要排泄方式,岩溶水由于矿坑排水和人工取水而使岩溶水的流场产生了变化,岩溶水仅有少部分排向了神头泉,大部分岩溶水则通过矿坑排水,人工取水排泄或由口泉沟、鹅毛口沟、小峪口、大峪口等沟口潜流排向了大同平原.图4-1区域水文地质图二、区域含水层根据地下水赋存空间的性质,结合岩性组合特征划分为变质岩裂隙含水层,岩浆岩裂隙含水层,碳酸盐岩岩溶裂隙含水层,碎屑岩裂隙含水层和松散岩孔隙含水层.三、区域隔水层煤田内的主要隔水层为本溪组地层,一般厚20-50m,岩性主要为泥岩,铝质泥岩,是煤系下部良好的隔水层.在白垩系地层覆盖区,沉积了厚层的弱胶结的泥岩,是煤系上部良好的隔水层.四、地下水的补给、径流、排泄矿区各含水层的补给来源在煤层开采前主要为基岩裸露区所接受的大气降水的补给,排泄方式主要为向下游迳流,部分浅层地下水在十里河南岸以泉水形式流入十里河.由于各含水层之间有一定厚度的隔水层阻隔,所以各含水层地下水以层间迳流为主,相互间水力联系微弱.随着煤层的开采,地层结构遭到破坏,煤系地层各含水层间水力联系增强,矿坑排水成了煤系地层地下水的主要排泄方式.石灰岩系裂隙岩溶地下水在矿区属深埋型,补给来源主要为灰岩裸露区接受大气降水的补给,岩溶水通过鹅毛口沟隐伏露头向大同平原排泄.第二节10217胶带顺槽区域水文地质本次探测位置为2号煤层10217胶带顺槽22号测点至22号测点前640m处,2号煤层为太原组最上一层煤,煤层厚度0.10-4.38m,平均3.00m,煤层结构复杂,含夹矸1-5层.煤层顶板为砂岩或泥岩,底板为粉砂岩或高岭质泥岩.2号煤层底板距3-5号煤层7-20m.根据矿方资料显示10217胶带顺槽未揭露断层、陷落柱等地质构造.第五章瞬变电磁基本原理与仪器参数第一节基本原理瞬变电磁法或称时间域电磁法<Timedomainelectromagneticmethods>,简称TEM,它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场,在一次脉冲电磁场间歇期间,利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法.其基本工作方法是：于地面或井下设置通以一定波形电流的发射线圈,从而在其周围空间产生一次磁场,并在地下导电岩矿体中产生感应电流.断电后,感应电流由于热损耗而随时间衰减.衰减过程一般分为早、中和晚期.早期的电磁场相当于频率域中的高频成分,衰减快,趋肤深度小而晚期成分则相当于频率域中的低频成分,衰减慢,趋肤深度大.通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律,可得到不同深度的地电特征.在电导率为σ、磁导率为的均匀各向同性大地表面铺设面积为S的矩形发射回线,在回线中供以阶跃脉冲电流,其中：〔1〕图5-1瞬变电磁法工作原理示意图在电流断开之前,发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场.在t=0时刻,将电流突然断开,由该电流产生的磁场也立即消失.一次磁场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中,并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场,使空间的磁场不会即刻消失.由于介质的热损耗,直到将磁场能量消耗完毕为止.由于电磁场在空气中传播的速度比在导电介质中传播的速度大得多,当一次电流断开时,一次磁场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地表各点,因此,最初激发的感应电流局限于地表.地表各处感应电流的分布也是不均匀的,在紧靠发射回线一次磁场最强的地表处感应电流最强.随着时间的推移,地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散,其强度也渐减弱,分布也趋于均匀.研究结果表明,任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场.在发射电流刚关断时,该环状线电流紧挨发射回线,与发射回线具有相同的形状.随着时间推移,该电流环向下、向外扩散,并逐渐变形为圆形电流环.等效电流环像是从发射回线中"吹"出来的一系列"烟圈",因此,人们将涡旋电流向上、下和向外扩散的过程形象地称为"烟圈效应"〔如图5-2所示〕."烟圈"的半径r、深度d的表达式分别为：〔2〕〔3〕式中a为发射线圈半径,.当发射线圈半径相对于"烟圈"半径很小时,可得,故"烟圈"将沿47°倾斜锥面扩散,其向下传播的速度为：〔4〕图5-2瞬变电磁场的烟圈效应从"烟圈效应"的观点看,早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的,反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场随时间的变化规律,可以探测大地电性的垂向变化.图5-2瞬变电磁场的烟圈效应矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法一样,采用仪器和测量数据的各种装置形式和时间窗口也相同.由于矿井瞬变电磁法勘探环境的限制,测量线圈大小有限,其勘探深度不如地面深,一般有效探深在100m左右.地面瞬变电磁法为半空间瞬变响应,这种瞬变响应完全来自于地表以下半空间地层；而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应,这种瞬变响应是来自于回线平面上下〔或两侧〕地层,这对确定异常体的位置带来困难.实际资料解释中,必须结合具体地质和水文地质情况综合分析.矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法相比具有以下几个方面的特点：1、由于井下测量环境不同与地表,不可能采用地表测量时的大线圈〔边长大于50m〕装置,只能采用边长小于3m的多匝小线框,因此数据采集工作量小,测量设备轻便,工作效率高,成本低；2、由于采用小线圈测量,点距更密〔一般为2-10m〕,降低体积效应的影响,提高勘探分辨率,特别是横向分辨率；3、在井下,测量装置距离异常体更近,大大提高测量信号的信噪比,实际测量结果说明,井下测量信号的强度比地面同样有效面积的相同装置测量的信号强10-100倍.井下的干扰信号相对于有用信号近似等于零〔大于30ms时间段〕,而地面测量信号在衰减到一定时间段〔一般小于15ms〕就被干扰信号覆盖,无法识别有用异常信号；4、地面瞬变电磁法勘探一般只能将线圈平置于地面测量,而井下瞬变电磁法可以将线圈置于巷道底板测量,探测巷道底板下一定深度内含水异常体垂向和横向发育规律；也可以将线圈直立于巷道内,当线圈面平行巷道掘进前方,可进行超前探测,当线圈面平行于巷道侧帮,可探测工作面内以与工作面顶、底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律；5、矿井瞬变电磁法由于受勘探环境的限制,测量线圈大小有限,其勘探深度不如地面深,一般深度在100m以内.第二节仪器参数本次探测采用国内先进的瞬变电磁仪,采用设备参数如下：发射频率：1.625Hz；发射电流：60A发射额定电压：24V；矿井震波勘探的基本原理震波勘探是以不同岩性的岩层具有不同的弹性的事实为依据的.在某一点人工激发地震波,在其他若干点上用检波器记录从震源直接传播过来的直达波,或从不同弹性的岩层分界面传播过来的反射波、折射波,通过研究相邻各点的振动图,即相邻各道的地震记录,分析地震记录上这些震波信息的特点〔波的传播时间、速度、波形与振幅等〕,掌握弹性波地下传播规律,利用相应的地震数据处理方法和解析方法,求得弹性分界面的空间位置极其性质,从而完成地震勘探的主要地质任务.图5-3图5-3共偏移距记录野外施工示意图现场探测时是在最佳窗口内选择一个公共偏移距,采用单道小步长,保持炮点和接收点距离不变,同步移动震源和接收传感器.每激发一次接收一道波形,最后得到一张多道记录,各道具有相同的偏移距.图5-3为共偏移法现场施工示意图.另一种方法是通过对共炮点记录进行自动排列,也可以获得各种偏移距的共偏移剖面.利用这种共偏移地震剖面,可正确识别反射波同相轴,由于偏移距相同,数据处理时不需作正常时差校正.工程中常用来对反射波同相轴位置与特征进行了解,由于这种方法施工较为简单,特别适用于矿井煤岩巷道或工作面构造与异常地质体的调查工作.图5-4单道观测系统波路图图5-4单道观测系统波路图〔1〕式中x即为偏移距,v为探测介质的地震波波速,t为地震波旅行时间,而h是目标体的界面深度,是需要求解的.因此根据测试所获得的地震波记录,进行反射波相位追踪,确定各个界面的反射波组并求取反射相位时间,即可求解探测目标体的深度,并进行地质解释.对于倾斜界面则根据反射波组特征进行相应的深度校正,获得该界面的实际深度位置.图5-5共偏移巷帮测线布置为了识别有效反射波,必须选择最佳地段接收的"图5-5共偏移巷帮测线布置矿井震波勘探的仪器参数本次探测采用国内先进矿井地质探测仪,采用设备参数设置如下：触发电压：0.5V；最小源检距：4m；道间距：2m；移动步距：2m；通道数：采用通道数为2道.第六章现场施工布置与现场条件第一节现场施工布置本次进行的井下探测项目总体依据以下思路进行工作：前期资料收集明确探测任务合理的进行方案设计施工数据处理成果图初步分析结合矿井地质与水文地质资料进行综合评价提供报告.根据现场条件和本次探测任务,现场施工设计如下：1、10217胶带顺槽22号测点至22号测点前640m处,底板瞬变电磁探测现场施工布置.〔A〕平面示意图〔红线圈定区为探测范围〕〔B〕断面示意图图6-1瞬变电磁探测现场施工布置示意图现场共布置161个测点,每个测点探测5个方向,分别是垂直巷道底板方向、偏左30°方向、偏左60°方向、偏右30°方向以与偏右60°方向,如图6-1所示.2、10217胶带顺槽22号测点至22号测点前640m处,底板矿井震波探测现场施工布置.图6-2矿井震波探测现场施工布置示意图现场共布置321个测点,探测方向为垂直巷道底板方向.移动步距2m、偏移距4m、道间距2m,如图6-2所示.第二节瞬变电磁现场施工条件1、探测巷道〔10217胶带顺槽〕必须停电；2、撤出巷道内大型铁器；3、提前抽走巷道内底板的积水；4、矿方井下施工人员应全力配合我方技术人员的施工,确保数据质量可靠.第三节矿井震波现场施工条件探测时,井下施工人员需停下手上工作,关掉正在运作的机器,防止造成较大声量,影响数据质量.第七章施工工程量预算本次针对10217胶带顺槽22号测点至22号测点前640m处底板3-5号煤层采空区富水性与空间展布情况进行调查,采用矿井瞬变电磁法和矿井震波法两种物探方法.具体设计施工工程量见下表7-1：表7-1工程量统计表探测位置使用仪器探测方法探测范围〔m〕探测方向物理点数10217胶带顺槽22号测点至22号测点前640m处矿用瞬变电磁仪瞬变电磁法640X25805矿井地质探测仪矿井震波法6401321合计19201126第八章提交成果资料本次综合物探技术设计施工,涉与10217胶带顺槽,最终提交资料如下：1、《10217胶带顺槽底板综合物探成果报告》；2、《102