【《物理勘探在S公司实际工作中的综合应用研究》5300字】

物理勘探在S公司实际工作中的综合应用研究目录TOC\o"1-2"\h\u22599物理勘探在晋牛公司的综合应用 根据山西省政府关于“资源整合、联合改造、淘汰落后、优化结构”的煤炭政策，山西晋煤集团临汾晋牛煤矿投资有限责任公司经山西省煤矿企业兼并重组整合工作领导组办公室以晋煤重组办发【2009】88号文《关于临汾市尧都区煤矿企业兼并重组整合方案的批复》，晋牛煤矿由6个矿（临汾中煤建刁尚沟煤矿有限公司、山西临汾来宏煤业有限公司、山西临汾尧都东太煤业有限公司、山西临汾郭家庄煤矿有限公司、山西临汾老君煤矿有限公司、山西临汾鑫浩煤业有限公司）和空白区组成。生产规模0.90Mt/a。批准开采2～11号煤，区内9、10、11号煤层合为一层，估算保有资源储量102.41Mt。本井田位于山西省霍西煤田霍州矿区南西部。井田为基岩半裸露区，在沟谷及山梁出露奥陶系中统峰峰组、石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组及下石盒子组、二叠系上统上石盒子组地层、第四系分布于山梁及沟谷两侧。经调查，本井田周边2、9+10+11号煤层有5座小窑开采历史。小窑破坏区积水、积气对本矿下一步开采有威胁。采用的物探方法为矿井瞬变电磁法超前探测和矿井地震法（一）瞬变电磁原理及特点:瞬变电磁法或称时间域电磁法（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磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。其基本工作方法是：于地面或空中设置通以一定电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，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，深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，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μ0的均匀各相同性大地表面附设面积为S的矩形发射线圈，如图所示。在回线中供以的阶跃脉冲电流。在电流断开之前，发射电流在回线周围的大地和空间建立起一稳定的磁场。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，使空间磁场不会立即消失。由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将会迅速衰减，这种迅速衰减的磁场又在其周围的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流，这一过程场继续下去，直至大地的欧姆损耗将能量消耗完为止。这便是大地中的瞬变电磁过程场，伴随这一过程场存在的电磁场就是大地的瞬变电磁场。应该指出，由于电磁场在空气中传播的速度比导电介质中传播的速度大得多，当一次电流断开时，一次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，其强度逐渐减弱，分布趋于均匀。美国地球物理学家M.N.Nabighan对发射电流关断后不同时刻地下感应电流场的分布进行了研究，研究结果表明，感应电流呈环带分布，涡流场极大值最先位于紧靠发射回线的地表下，随着时间的推移，该极大值沿着与地表呈30º倾角的锥形斜面向下、向外移动，强度逐渐减弱。图1-1地下感应电流环带分布图当发射机Tx和和接收机Rx开机并由电缆连接时，Tx便在Tx回线中产生重复的电流。表示这种电流的一个循环图形。一个循环的时间称为Tx周期并用T表示。在循环的开始，Tx回线中的电流从0上升到由“电流控制旋钮”所设定值，并保持该值不变，然后经1/4Tx周期后，电流终止，并在Tx关断时（T/OTime）电流降至0。Tx的关断时间即T/Otime，在图3-2中用T/OTime表示。关断时间的形状近似于线性斜坡。该斜坡的长短由Tx回线的尺寸决定。图1-2发射的T电流随时间变化曲线Tx电流在下一个T/4间隔内要保持为0。这个间隔我们称之为测量周期（measurementperiod）。在测量周期的末端，下半周Tx循环开始；下半周循环包含着与上述相同的序列，即电流上升、稳态、关断，接着进入测量周期。下半周循环的唯一特点是Tx回线中的电流沿反方向流动。在T/O时间内回线中电流的跌落，使得在Tx回线周围形成随时间变化的磁场。这个磁场在地下感应出涡流。在T/O时间之后的瞬间，该涡流被限制在Tx回线之下的地表附近。随着时间的增加，涡流从Tx回线向下和向外扩散。同时，这种扩散的涡流又形成了衰变的二次磁场。这样，不断测量这种衰变的二次磁场，就可以逐渐增加对地下的勘探深度。图1-3接收的Rx电压随时间变化曲线由于Tx在地下感应的涡流迅速衰减，并形成随时间变化的二次磁场，这个磁场在Rx接收线圈中感应出衰变的电压（瞬变电压）。信号电缆把此瞬变电压传输给接收机Rx的输入端。Rx接收机按20个（或30个）时间序列间隔，对上述瞬变场进行采样，并分析和记录该瞬变场的特点，如图所示。仅仅在Tx电流降至0的时间，门才开始测量瞬变电压。门是自动设间隔的，以便填满测量周期。门的宽度和瞬变电压由下图所示。门的宽度随时间按指数增加。早期门（1，2，3…）是窄的，以便在瞬变场变化最快的早期阶段能精确地测量它。后续的门（…，18，19，20）是很宽的，因为在晚期阶段瞬变场衰减的慢。理想上，应该在T/O斜坡之后，立即就开启第一门。然而，由于Tx电流要有一个很短的辅加时间才能降至0，所以采样要在T/O之后略晚一点开始。图1-4接收机的门与时间的关系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，一般深度在160m左右。但由于深部有效数据量相对浅部较少，可靠程度相对较低一些，在100m范围内的数据量最大，100-140m范围内的数据次之，140-160m的数据量及信号强度相对较弱。地面瞬变电磁法为半空间瞬变响应，这种瞬变响应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面煤层，可探测工作面内和顶、底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律。（二）矿井震法仪原理及特点：井下探测使用华安奥特（北京）科技股份有限公司开发的YTZ1矿用本安型地震仪。YTZ1矿用本安型地震仪基于反射地震勘探原理，采用巷道多次覆盖观测系统采集数据，通过能量分解与合成、波场分离、深度偏移等处理技术，长距离获取巷道不同方位不良地质体（断层、陷落柱、结构薄弱面等）的位置与形态。YTZ1矿用本安型地震仪采用先进电子技术与嵌入式操作系统，保证了地震数据的高保真获取及智能管理，为保障矿井掘进巷道安全提供有力支持。仪器特点为无线同步，无线升级、精准的触摸屏操作、整套设备携带方便、激发方式为锤击震源、数据进行实时成像、采样速率为156.2K，能够很好地采集到高频地震信号，有利于提高分辨率和煤矿地质构造探测效果、在数字模拟电路上采用变频技术，保证检波器采集到的高低频特性的一致性。在仪器上保证脉冲式子波接受，对采集到的信号具有高保真特点、在采集设备的基础上植入计算机触屏操作和数据软件处理，可实时实地分析所测地质区域是否存在地质构造及异常表现形式、无线同步技术即降低了整套设备的系统延时，也解决了煤矿井下巷道空间小施工困难的现场工作问题、对采集的数据进行实时成像，可实时实地分析所测地质构造情况、通过无线同步测量数据、升级仪器软件等功能。技术指标为电池组最高开路电压：≤9.6V、震法仪额定工作电压：DC7.2V、A/D转换器：24位、A/D采样速率：156.2K

、探测深度：80m、工作时长：大于4小时、通道数：单通道、采样间隔：全波采样、同步方式：无线、有线两种、采样时长：600ms、动态范围≥120dB、记录长度：≤600ms、前放增益：40dB。物理勘探在晋牛公司的应用（一）瞬变电磁法在现场中的应用YCS160矿用本安型瞬变电磁仪超前探测方向6个，分别是3个横向探测方向（与巷道顺层呈30°夹角向前方顶板探测、顺岩层方向向前方探测、与巷道顺层呈30°夹角向前方底板探测）（如图1（a）），和3个纵向探测方向（左帮45°、迎头0°、右帮45°）（如图1（b））。每个横向探测方向布置横向探测角度14个（如图2（a）），分别是左侧帮（180º、165º、150º、135º、120º、105º）、正前方（90º、90°）、右侧帮（0º、15º、30º、45º、60º、75º），3个横向探测方向共布置42个探测角度；纵向探测方向布置13个探测角度（如图2（b）），分别是顶板（90°、75°、60°、45°、30°、15°）、正前方（0°）、底板（-15°、-30°、-45°、-60°、-75°、-90°）。（a）横向探测（b）纵向探测图2-1瞬变电磁法探测方向示意图（a）横向探测（b）纵向探测图2-2瞬变电磁法探测角度示意图（二）震波单点法在现场中的应用根据测区探测条件与目的要求，设计采用地震勘探中的反射波多次覆盖与多点叠加超前探测方法对巷道进行超前隐伏小构造探测研究。1.反射波多次覆盖观测系统在进行多次覆盖地震勘探工作前，首先布设一条反射排列，通过探测记录了解探测区下伏、正前方及左右侧介质层的赋存状况与地震地质条件等，为正确选择现场工作方法及观测系统采集参数提供依据。当界面埋深为h，反射波的时距曲线方程为：设界面倾角为，测点法线深度为h，则时距方程为：其激发与接收系统的震源和检波器布置方式如图3。图2-3震源与检波器的布置示意图然后在探测区布设测线，设计采用多次覆盖观测系统，使用单边激发的工作方式，采集时，6道同时接收，偏移距10～50m，道间距2～5m，每次激发采集后，激发点与接收点依次向前移动1～5m，实现探测区内反射波的6次覆盖。此项工作拟在工作面进、回风巷道内构造异常区段开展。采用锤击震源方式作为地震波激发源。图2-4示出多次覆盖观测系统的震点与接收点沿测线移动方式。图2-4激发点与接收排列移动示意图2.多次叠加超前探测在掘进巷道撑子面附近进行多次叠加超前探测，设置对称或不对称测线进行探测，多点激发，尽可能多地采集地震数据，并按一定规则进行校正处理后，进行多次叠加，在叠加剖面上解释判别探测前方构造或异常地质体的发育状况。

探测成果图及解释（一）瞬变电磁探测成果综合成果图：图3-1探测成果叠图（二）矿井地震法超前探测剖面图图3-2矿井地震法超前探测剖面图（三）探测成果解释1.瞬变电磁法中顺层发现高阻异常，推测为前方预计存在煤岩层倾角变化较大或煤岩层破碎。2.地震波法探测结果中，19m、25.8m、36.6m、41m出现异常区域，推测为地质异常体，结合采掘工程图煤层底板等高线推断预计前方煤岩层倾角有变化。建议矿方严格遵守“有掘必探”的原则，进行探放水设计施工，并在掘进过程中注意巷道顶板、顺层内溶洞发育及空巷含水情况，按防治水规定进行水害防范。矿井生产过程中及时反馈钻探或掘进揭露的地质信息，完善测区内物探资料的地质解释。钻探验证结果及效果分析经公司探放水队现场钻探验证，前方钻探过程中出现见矸现象，经调整角度后见顶底板，钻探成果分析