同煤集團(tuán)忻州窯礦采空積水區(qū)探測(cè)研究_第1頁
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1、應(yīng)用型碩士學(xué)位論文 同煤集團(tuán)忻州窯礦采空積水區(qū)探測(cè)研究research on coal goaf aquifer detection of xinzhouyao belongs to datong coal mine group作 者:武俊文 導(dǎo) 師:劉志新副教授中國礦業(yè)大學(xué)二一二年五月學(xué)位論文使用授權(quán)聲明本人完全了解中國礦業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,同意本人所撰寫的學(xué)位論文的使用授權(quán)按照學(xué)校的管理規(guī)定處理:作為申請(qǐng)學(xué)位的條件之一,學(xué)位論文著作權(quán)擁有者須授權(quán)所在學(xué)校擁有學(xué)位論文的部分使用權(quán),即:學(xué)校檔案館和圖書館有權(quán)保留學(xué)位論文的紙質(zhì)版和電子版,可以使用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和

2、匯編學(xué)位論文;為教學(xué)和科研目的,學(xué)校檔案館和圖書館可以將公開的學(xué)位論文作為資料在檔案館、圖書館等場(chǎng)所或在校園網(wǎng)上供校內(nèi)師生閱讀、瀏覽。另外,根據(jù)有關(guān)法規(guī),同意中國國家圖書館保存研究生學(xué)位論文。(保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書)。作者簽名: 導(dǎo)師簽名:年 月 日 年 月 日中圖分類號(hào) 學(xué)校代碼 10290 udc 密 級(jí) 公開 中國礦業(yè)大學(xué)應(yīng)用型碩士學(xué)位論文同煤集團(tuán)忻州窯礦采空積水區(qū)探測(cè)研究research on coal goaf aquifer detection of xinzhouyao belongs to datong coal mine group作 者 武俊文 導(dǎo) 師 劉志新

3、 申請(qǐng)學(xué)位 工程碩士專業(yè)學(xué)位 培養(yǎng)單位 資源學(xué)院 學(xué)科專業(yè) 地質(zhì)工程 研究方向 地球物理 答辯委員會(huì)主席 評(píng) 閱 人 二一二年五月論文審閱認(rèn)定書研究生 在規(guī)定的學(xué)習(xí)年限內(nèi),按照研究生培養(yǎng)方案的要求,完成了研究生課程的學(xué)習(xí),成績合格;在我的指導(dǎo)下完成本學(xué)位論文,經(jīng)審閱,論文中的觀點(diǎn)、數(shù)據(jù)、表述和結(jié)構(gòu)為我所認(rèn)同,論文撰寫格式符合學(xué)校的相關(guān)規(guī)定,同意將本論文作為學(xué)位申請(qǐng)論文送專家評(píng)審。 導(dǎo)師簽字: 年 月 日致謝在研究生學(xué)習(xí)期間,無論在學(xué)習(xí)上還是生活上,自始至終得到導(dǎo)師劉志新副教授的指導(dǎo)和無私幫助。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神、實(shí)事求是的工作態(tài)度和誨人不倦的育人作風(fēng)是我一生學(xué)習(xí)的榜樣。這篇論文從選題、實(shí)地工作

4、一直到定稿都浸透著導(dǎo)師的智慧和汗水。在論文交付之際,我謹(jǐn)向?qū)熤乱宰畛绺叩木匆?!同時(shí)要感謝我的校外導(dǎo)師許新剛博士、姜志海副教授,他們?cè)谖业恼n題的具體研究過程中都給予了細(xì)心指導(dǎo)。特別是在進(jìn)行實(shí)地工作,以及論文的編寫過程中,給我提出了寶貴的建議。感謝師兄盧海,師弟許云磊、王東偉的大力幫助。也感謝我的同學(xué)、師兄和師弟們給我的幫助和關(guān)心。感謝我的父母以及我的姐姐對(duì)我無私的照顧和鼓勵(lì),我將以加倍的努力來回報(bào)他們的關(guān)愛。感謝所有曾關(guān)心和幫助過我的人們,向他們致以最誠摯的敬意!摘 要同煤集團(tuán)忻州窯礦11-2#煤層開采工作面上覆3#煤層被地方煤礦開采,采空區(qū)采掘現(xiàn)狀不清、積水情況不清,為了保證煤礦的開采安全,

5、準(zhǔn)確探測(cè)生產(chǎn)工作面上覆采空區(qū)是否有積水,為礦井防治水提供科學(xué)、客觀的探放水地質(zhì)資料,采用物探方法探查勘探區(qū)域內(nèi)3#層采空及積水情況,為施工地面探放水鉆孔提供較為準(zhǔn)確、可靠的位置。論文在總結(jié)同煤集團(tuán)忻州窯礦3#煤層淺埋煤層采空區(qū)地球物理特征的基礎(chǔ)上,分析了瞬變電磁在探測(cè)煤層采空區(qū)方面的可行性。然后通過野外施工試驗(yàn),研究如何選取瞬變電磁勘探參數(shù),試驗(yàn)工作遵循由已知到未知、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的原則進(jìn)行;試驗(yàn)線選在勘查區(qū)里的已知采空區(qū)內(nèi)具有代表性的地段進(jìn)行,確定發(fā)射線寬,點(diǎn)距,線距,頻率等基本參數(shù)。在瞬變電磁數(shù)據(jù)處理方面采用了電阻率單支曲線、多測(cè)道、視電阻率擬斷面圖、inloop反演圖、winglink反演

6、圖、ix1d反演圖等多種圖件分析采空積水區(qū),在一些重點(diǎn)區(qū)域采用tem,cstem兩種探測(cè)資料重點(diǎn)分析異常區(qū)域。在瞬變電磁資料異常提取方面首次采用了標(biāo)準(zhǔn)偏差圈定方法,有效避免了由于人為原因造成的異常缺失或增加,為以后瞬變電磁資料異常提取提供借鑒。通過對(duì)實(shí)際采空區(qū)的瞬變電磁、可控源瞬變電磁法資料的分析和研究,總結(jié)出在同煤集團(tuán)忻州窯3#煤層采空區(qū)在瞬變電磁探測(cè)結(jié)果中表現(xiàn)為相對(duì)低阻異常;綜合本次采空區(qū)探測(cè)工程實(shí)踐過程,最終取得了良好探測(cè)效果,證明了本次勘探采用方法和參數(shù)的合理性和在煤層采空區(qū)勘查中合理的采用綜合地球物理勘查技術(shù)的有效性和優(yōu)勢(shì)。該論文有圖38幅,表5個(gè),參考文獻(xiàn)55篇。關(guān)鍵詞:瞬變電磁法

7、;可控源瞬變電磁法;標(biāo)準(zhǔn)偏差;采空區(qū);abstractcovered with 3# coal seam coal xinzhouyao mines 11-2# coal seam has been extracted by the local. on the present situation, stagnant water is not clear, to ensure the safety of coal mining, accurately detect the production face contains water or not, and to provide a scient

8、ific, objective exploration of water geological data for the mine water control, we took the geophysical methods to explore the water content of 3# layer. finally aim to the construction of ground-water drilling more accurate and reliable location. this paper summarized the geophysical characteristi

9、cs with the coal xinzhouyao mine 3# coal seam in shallow seam goaf, based on which we analyze the feasibility of tem in detecting goaf. then through the field construction test, experimental work follows from the principle of simple to complex, from known to unknown, selecting the transient electrom

10、agnetic exploration parameters. at last, the test line is selected in the most representative exploration area of the known gob area to determine the basic parameters of line width, the point to point, point to line spacing, frequency and so on. in the tem processing uses the single curve of the res

11、istivity, multi-measured, apparent resistivity sectional drawing, inloop inversion figure, winglink inversion figure, ix1d inversion figure and so on to analyze the gob aquifer. and in some key areas both tem and cstem are used to analyze abnormal area.this is the first time to use standard deviatio

12、n method in tem data anomaly extraction, which can effectively avoid the anomalies increasing or deletion due to human, providing a reference for future transient electromagnetic data anomaly extraction.based on the actual goaf information analysis and research of tem, cstem and controlled source tr

13、ansient electromagnetic method, summed up in the datong coal mine group of xinzhouyao mine 3# coal seam goaf the tem detection results are shown a relatively low resistivity anomalies performance.combining the engineering practice of goaf detection process and ultimately achieved good detection resu

14、lts proving the validity of the exploration methods, parameters and the effectiveness, advantage of goaf exploration reasonable integrated by geophysical prospecting techniques.keywords: tem; controlled source transient electromagnetic method; standard deviation; goaf目 錄摘 要i圖清單vii表清單ix變量注釋表x1 緒論11.1

15、現(xiàn)實(shí)背景及選題意義11.2國內(nèi)外現(xiàn)狀21.3研究內(nèi)容32研究區(qū)地質(zhì)概況與地球物理特征52.1 礦區(qū)地質(zhì)概況52.2 采空區(qū)的地球物理特征92.3 采空區(qū)地面調(diào)查102.4 小結(jié)103采用的物探技術(shù)及其可行性113.1 瞬變電磁法113.2可控源瞬變電磁法183.3 小節(jié)194電磁法勘探基本參數(shù)分析214.1野外施工試驗(yàn)研究214.2試驗(yàn)結(jié)論274.3測(cè)線、測(cè)點(diǎn)的布置284.4工作量284.5 儀器設(shè)備314.6小結(jié)325勘探資料分析335.1瞬變電磁數(shù)據(jù)處理技術(shù)335.2瞬變電磁法探測(cè)資料解釋425.3可控源瞬變電磁勘探資料解釋455.4兩種勘探方法資料對(duì)比455.5小結(jié)466、結(jié)論476.1

16、結(jié)論476.2建議47參考文獻(xiàn)49作者簡(jiǎn)歷52學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明53學(xué)位論文數(shù)據(jù)集55contentsabstractcontentsvlist of figureslist of tableslist of variablesx1 introduction11.1 background and significance of the topic11.2 situation domestic and international21.3 research contents32 geological setting and geophysical characteristics52.1 geolo

17、gy of mine52.2 geophysical characteristics of mined areas92.3 geological survey of gob102.4 summary103 geophysical techniques used and its feasibility113.1 transient electromagnetic method113.2 cstem183.3 summary194 basic parametersofelectromagnetic exploration214.1 experimental studyofthefield work

18、214.2 testconclusions274.3 the layoutofthemeasuring line, measuring point284.4 workload284.5 equipment314.6 summary325 analysisofexploration data335.1 transient electromagnetic information processing methods335.2 results ofcomparisonofthe variousexploration methods425.3 cstem explorationdata interpr

19、etation455.4 datacomparisonoftwoexploration methods455.5 summary466 conclusions476.1 conclusions476.2 recommendations47references49authors resume52declaration of thesis/dissertation originality55thesis/dissertation data collection53圖清單圖序號(hào)圖名稱頁碼圖3-1矩形框磁力線11figure 3-1the magnetic field lines of rectang

20、le11圖3-2穿過tx中心的橫斷面內(nèi)電流密度等值線12figure 3-2tx center cross-section through the current density within the contour12圖3-3瞬變電磁場(chǎng)13figure 3-3figure3-3transientelectromagnetic fields13圖3-4固定發(fā)射移動(dòng)接收裝置示意圖15figure 3-4fixedlaunchmobilereceiving deviceschematic15圖3-5可控源瞬變電磁法工作裝置19figure 3-5working deviceofthe cstem1

21、9圖4-1試驗(yàn)方案121figure 4-1pilot program121圖4-2試驗(yàn)方案222figure 4-2pilot program222圖4-3 試驗(yàn)方案322figure 4-3pilot program322圖4-4不同發(fā)射線圈邊長感應(yīng)電位曲線23figure 4-4side length oftheinductionpotential curvesintransmit coil23圖4-5不同邊長發(fā)射回線視電阻率-時(shí)間曲線23figure 4-5side lengthtransmitter loopapparent resistivity-time curve23圖4-6不

22、同邊長發(fā)射回線視電阻率-深度曲線24figure 4-6differentside lengthemissionloopapparent resistivity-depthcurve24圖4-7頻率不同時(shí)感應(yīng)電位曲線24figure 4-7frequencyinductionpotentialcurve24圖4-8不同探頭在同一測(cè)點(diǎn)測(cè)量的感應(yīng)電位曲線25figure 4-8differentprobepotential curvesmeasuredat the samemeasuring pointinduction25圖4-92030號(hào)主機(jī)與1745號(hào)主機(jī)一致性試驗(yàn)26figure 4-92

23、030hostandthe1745hostconformance testing26圖4-10試驗(yàn)點(diǎn)位置圖26figure 4-10testpointlocation map26圖4-11試驗(yàn)測(cè)線視電阻率擬斷面圖27figure 4-11the test line isapparent resistivity diagrams27圖4-12tem測(cè)點(diǎn)布置圖29figure 4-12temtest point arrangementdiagram29圖4-13cstem測(cè)量點(diǎn)布置29figure 4-13cstemthemeasurementpointlayout29圖4-14加拿大產(chǎn)v8多功能

24、電法儀31figure 4-14canadianproductionv8multi-functionpowerlawinstrument31圖4-15v8主機(jī)示意圖32figure 4-15v8hostschematic32圖5-113線視電阻率斷面圖(原始)34figure 5-113 line in the apparent resistivity section ( the original )34圖5-213線視電阻率斷面圖(濾波后)34figure 5-213 line in the apparent resistivity section ( filter )34圖5-3v/i值時(shí)

25、間切片圖37figure 5-3v / i time slice map37圖5-4v/i值異常切片圖(異常下限為+s)38figure 5-4v / i value anomaly slice map ( the abnormal lower limit of+s )38圖5-5v/i值異常切片圖(異常下限為+2s)39figure 5-5v / i value anomaly slice map ( the abnormal lower limit of + 2s )39圖5-6測(cè)線單點(diǎn)視電阻率曲線圖40figure 5-6line single point of apparent res

26、istivity curve40圖5-7多測(cè)道剖面圖40figure5-7more measured profile40圖5-8視電阻率擬斷面圖40figure 5-8apparent resistivity section map40圖5-9inloop反演圖41figure 5-9inloop inversion chart41圖5-10winglink反演圖41figure 5-10winglinkinversionmap41圖5-11ix1d反演圖41figure 5-11ix1dinversionmap41圖5-1229線電壓多測(cè)道剖面圖42figure 5-1229line vol

27、tagemeasurementroadsection42圖5-1325線電阻率斷面圖43figure 5-1325-wireresistivity section43圖5-14h=1100m深度電阻率平面等值線圖43figure 5-14h=1100mdepthresistivityplanecontourmap43圖5-15v/i值等值線隨時(shí)間切片圖及高電壓異常切片圖44figure 5-15v/i valuethecontourwiththetimeslicesand high voltageabnormalslices44圖5-1610線可控源瞬變電磁斷面圖45figure 5-1610

28、-linecstem sectional map45圖5-17tem和可控源瞬變電磁斷面圖46figure 5-17tem andcontrolledsourceelectromagneticsectional drawing46表清單表序號(hào)表名稱頁碼表3-1 不同線圈探測(cè)深度表16table 3-1coilprobedepth gauge16表3-2不同深度所需采樣時(shí)間表17table 3-2depth ofsamplingschedule17表4.1完成工作量一覽表30table4.1listofworkload30表5-1不同時(shí)間段v/i值異常下限值36table 5-1effect o

29、f different time period v / i value abnormal limit36表6-1 建議鉆孔位置47table6-1suggestthatthedrillinglocation47變量注釋表 電導(dǎo)率磁導(dǎo)率s線圈面積階躍電流t供電時(shí)間r“煙圈”半徑d“煙圈”深度a發(fā)射線圈半徑v“煙圈”傳播的速度為h某一時(shí)刻地下最大渦流所在深度電阻率x收發(fā)距c光速地下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)1 緒論1 introduction1.1現(xiàn)實(shí)背景及選題意義(background and significance of the topic) 1.1.1現(xiàn)實(shí)背景 我國煤炭資源豐富,煤礦開采歷史悠久。

30、煤炭工業(yè)作為我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè),而且煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位,其能否健康、穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展將直接影響我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展2。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,要求煤炭的產(chǎn)量不斷提高,然而煤礦采空區(qū)(小煤窯和古空區(qū),尤其是充水的采空區(qū))等問題不同程度的制約著煤炭生產(chǎn),因此探明煤礦采空區(qū)(小煤窯和古空區(qū))的準(zhǔn)確位置與范圍是在煤礦安全生產(chǎn)迫切需要解決的問題。此外,我國煤炭開采量居世界第一,隨著煤炭資源的大規(guī)模開采,造成了大量的采空區(qū)。我國煤礦累計(jì)采空塌陷面積超過了70萬公頃,損失逾500億元。煤層采出后,所遺留下大量的采空區(qū),不僅造成大面積地表沉陷、地面建(構(gòu))筑物、交通設(shè)施、生活基礎(chǔ)設(shè)施、土地嚴(yán)重破壞又水

31、資源漏失、水土流失加劇、生態(tài)環(huán)境惡化等災(zāi)害,而且危害到礦區(qū)人民的正常生活和各類生產(chǎn)活動(dòng)。采空區(qū)塌陷是因礦體(層)采空、覆巖破壞引起的。在煤層采空區(qū),煤層被全部或部分挖掉,上部覆巖的力學(xué)平衡就會(huì)被打破,在重力和應(yīng)力作用下,便產(chǎn)生裂隙和斷移,引起巖層和地表移動(dòng),最終形成了采空塌陷區(qū)。塌陷區(qū)不僅會(huì)導(dǎo)致地下水枯竭、耕地破壞、生態(tài)環(huán)境惡化,還會(huì)使當(dāng)?shù)胤课菔軗p、道路變形,還使高速公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)等重大工程以及城市建筑因處理采空區(qū)塌陷而增加建設(shè)難度和費(fèi)用。此外,地表裂縫會(huì)為地下自燃煤層提供充足氧氣,地下煤火會(huì)使采空區(qū)頂板承壓減弱,冒落加劇,地裂縫加寬、加長,最終形成“地裂火區(qū)地表裂陷”的惡性循環(huán)。我國每開采

32、1萬噸煤,造成采空塌陷災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失6600元。采空區(qū)嚴(yán)重影響了區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定。據(jù)調(diào)查,全國有一半以上的煤礦采空區(qū)沒有經(jīng)過處理,有的不規(guī)范開采煤礦形成的采空區(qū)、煤礦古空區(qū)的位置和范圍很難確定,存在很大的安全隱患。采空區(qū)引起的嚴(yán)重問題已經(jīng)引起中國政府的高度重視,塌陷區(qū)的治理工作正在全面展開。但是采空區(qū)的治理能不能“未雨綢繆”,在采空區(qū)塌陷引起地表沉陷以前,有效而經(jīng)濟(jì)地利用地球物理方法對(duì)采空區(qū)域進(jìn)行勘探和作出評(píng)價(jià),并提出適宜的防治措施有著良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此,探測(cè)采空區(qū)成為地質(zhì)勘探的一個(gè)重要任務(wù)。同煤集團(tuán)忻州窯礦11-2#煤層開采工作面上覆3#煤層被地方煤礦開采,采空區(qū)

33、采掘現(xiàn)狀不清、積水情況不清,為了保證煤礦的開采安全,準(zhǔn)確探測(cè)生產(chǎn)工作面上覆采空區(qū)是否有積水,為礦井防治水提供科學(xué)、客觀的探放水地質(zhì)資料,同煤集團(tuán)公開向社會(huì)招標(biāo)采用物探方法探查勘探區(qū)域內(nèi)3#層采空及積水情況,為施工地面探放水鉆孔提供較為準(zhǔn)確、可靠的位置。中國礦業(yè)大學(xué)依靠雄厚的科技實(shí)力中標(biāo)忻州窯礦11-2#層上覆3#采空探測(cè)物探工作,雙方就忻州窯礦地面物探項(xiàng)目的技術(shù)服務(wù)(該項(xiàng)目屬大同煤礦集團(tuán)公司2011年礦井防治水安全費(fèi)用物探工程項(xiàng)目計(jì)劃)簽訂了合同,承擔(dān)了本次探測(cè)任務(wù)。1.1.2選題意義 探測(cè)地下采空區(qū)的物探方法眾多,且各有優(yōu)勢(shì):瞬變電磁法因?yàn)槠涫┕し奖?,而?duì)低阻異常能準(zhǔn)確的定位,探測(cè)成本比較低

34、。但是分辨高阻異常和分層能力弱;高密度電阻率法對(duì)高阻異常和低阻異常都有比較高的分辨能力,也有一定的分層能力,但是隨著目標(biāo)深度增大,電極距相應(yīng)增大,體積效應(yīng)影響越來越嚴(yán)重其分辨率就會(huì)大大降低,施工周期較長,對(duì)于地形起伏大地區(qū),準(zhǔn)確布極非常困難。探地雷達(dá)的分辨率和準(zhǔn)確率都非常高,但是受電磁波趨膚效應(yīng)影響其探測(cè)深度非常淺,在幾十米以內(nèi);地震勘探的理論和技術(shù)都非常成熟,但是在山區(qū)施工難度比較大,地形影響很大,成本也很高。在滿足勘察精度和安全生產(chǎn)的需要的前提下,對(duì)各種方法進(jìn)行研究以及成本考慮,最終選擇瞬變電磁進(jìn)行勘查。地面瞬變電磁數(shù)據(jù)處理、異常提取、資料解釋技術(shù)方面還存在很多問題,在本次報(bào)告中使用是包括

35、電壓?jiǎn)沃€、多測(cè)道、視電阻率、inloop反演、winglink反演、ix1d反演等方法對(duì)勘探瞬變電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。在異常提取方面首次采用了標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)法,為以后瞬變電磁異常提提供借鑒。1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀(situation domestic and international)1.2.1國外探測(cè)技術(shù) 采空區(qū)引起的問題早己被人們所注意。從十八世紀(jì)開始,人們就開始通過各種各樣的方式去研究和處理采空區(qū)。在這個(gè)階段,歐洲工業(yè)大發(fā)展,使礦產(chǎn)開采大幅增加,在歐洲各主要工業(yè)國形成了大量的采空區(qū),如著名的德國魯爾礦區(qū)的采空區(qū)問題一度非常嚴(yán)重。為此西方國家投入了大量精力對(duì)煤礦采空區(qū)進(jìn)行勘查和處理研究。這

36、些研究都是建立在經(jīng)驗(yàn)和調(diào)查的基礎(chǔ)上,如收集資料和調(diào)查訪問、鉆探、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等,直接通過地球物理方法勘探采空區(qū)并沒有系統(tǒng)和普遍應(yīng)用。美國、前蘇聯(lián)、日本及歐洲一些國家為了軍事、交通等目的利用各種地球物理方法對(duì)下伏空洞進(jìn)行探測(cè)。目前常用的地球物理方法主要有電法勘探、電磁法勘探、地震勘探、重力測(cè)量、放射性測(cè)量等。1.2.2國內(nèi)主要探測(cè)技術(shù)國內(nèi)近年來在利用地球物理勘察技術(shù)查明地下采空區(qū)方面作了大量的工作,發(fā)展了多種方法,有些技術(shù)甚至超過了國外水平,如瞬態(tài)瑞利波法、高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、彈性波ct、超聲成象測(cè)井、衛(wèi)星遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)等。但是由于煤礦開采缺乏資料、和長期以來小煤窯的亂采亂挖

37、,使得采空區(qū)形態(tài)復(fù)雜,無章可循,通過資料調(diào)查和鉆探無法查明采空區(qū)確切的形態(tài)和位置。雖然目前我國對(duì)空洞、采空區(qū)的探測(cè)仍以鉆探為主,但近年來已逐漸認(rèn)識(shí)到應(yīng)用工程物探方法探測(cè)采空區(qū)、空洞的重要性和優(yōu)越性。如山東煤田地質(zhì)隊(duì)用地震法探測(cè)采空區(qū)(充水或不充水),取得了勘探精度高、速度快和節(jié)省工作量的效果; 山西省地勘局物化院運(yùn)用瞬變電磁、淺層地震、高密度電法相結(jié)合的綜合物探方法在山西陽煤集團(tuán)煤礦采空區(qū)的勘探研究。中科院地質(zhì)與地球物理研究所采用高密度電法在內(nèi)蒙古烏海煤礦采空區(qū)的勘探研究。山西煤田地質(zhì)勘查工程公司采用瞬變電磁對(duì)左權(quán)縣平王煤礦采空區(qū)、左云縣東周窯煤礦采空區(qū)的勘探。山西煤田地質(zhì)綜合普查隊(duì)采用三維地

38、震勘探在長治和大同的煤礦采空區(qū)進(jìn)行勘探。山西煤田地質(zhì)綜合普查隊(duì)采用面波勘探方法在山西晉城鳳凰山煤礦采空區(qū)的勘探研究。也有部分專家學(xué)者對(duì)其它物探方法,如地質(zhì)雷達(dá)、測(cè)氡等方法在采空區(qū)中的勘探效果進(jìn)行了研究。1988年國家地震局研究所和蘭州鐵路局合作,利用微重力法有效地查明了青藏鐵路察爾汗鹽湖區(qū)的地下溶洞;太舊高等級(jí)公路采空區(qū)地基勘察處治科研課題組,在太舊高速公路的柏井、冶西、宋家莊等工區(qū)聯(lián)合運(yùn)用高密度電法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)、無線電波透視法、瑞利波法、彈性波ct法、高分辨率地震、微重力法??ǚǖ确椒ㄔ谔綔y(cè)溶洞、老窯區(qū)及采空區(qū)取得良好的效果。1.3研究內(nèi)容(research contents)本課

39、題主要研究深部采空區(qū)的特點(diǎn)和勘查方法,研究內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面:(1)對(duì)深部空區(qū)的特點(diǎn)進(jìn)行分析和討論,指出深部采空區(qū)同常規(guī)采空區(qū)的異同和對(duì)勘查工作的影響;一般情況下,冒落帶的高度一般在十幾米左右,其內(nèi)部充填的松散物的視電阻率明顯高于周圍介質(zhì),裂隙帶的高度一般在幾十米,主要是由于采空區(qū)塌陷造成巖石出現(xiàn)裂隙,巖石的電阻率明顯變大,而當(dāng)采空區(qū)充水較多時(shí),由于水的存在,導(dǎo)電性變強(qiáng),采空區(qū)的電阻率明顯變小。由此可見,采空積水區(qū)的視電阻率明顯區(qū)別于采空區(qū)和未采區(qū)的視電阻率,是本次電法探測(cè)采空積水區(qū)的物理前提。(2)首先從理論上確定電磁勘探參數(shù),然后通過野外施工試驗(yàn)研究瞬變電磁勘探參數(shù),野外試驗(yàn)研究工作是

40、優(yōu)秀勘察成果的前提,試驗(yàn)工作的主要目的是了解勘查區(qū)的地電條件、施工條件、干擾背景以及煤層采空、采空積水區(qū)的地球物理特征等,通過有效試驗(yàn),以便選擇最佳工作方法和裝置參數(shù);試驗(yàn)工作遵循由已知到未知、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的原則進(jìn)行;試驗(yàn)線選在勘查區(qū)里的已知采空區(qū)內(nèi)具有代表性的地段進(jìn)行,確定發(fā)射線寬,點(diǎn)距,線距,頻率等基本參數(shù)。(3)一般物探方法對(duì)于異常的提取都是采用經(jīng)驗(yàn)圈定一個(gè)定性的異常,在異常的提取比較模糊且沒有一個(gè)可以定量的原則,隨意性很強(qiáng),資料解釋因人而異,對(duì)比性差。尋找一個(gè)可以定量提取異常的方法很有必要,本次勘探采用了標(biāo)準(zhǔn)偏差圈定方法作個(gè)有益的嘗試,通過該方法提高異常圈定的準(zhǔn)確率和可信度。本次工作中

41、將標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)應(yīng)用到瞬變電磁探測(cè)異常圈定中,希望通過該有益的嘗試,提高物探解釋的水平。2研究區(qū)地質(zhì)概況與地球物理特征2 geological setting and geophysical characteristics2.1 礦區(qū)地質(zhì)概況(geology of mine)2.1.1 礦區(qū)地層 井田內(nèi)的地層自老至新有:(1) 太古界集寧群(ar3jn)由肉紅色、淺灰色花崗片麻巖、暗灰色角閃片麻巖及黑色云母片麻巖組成。(2) 寒武系()下部為紫色頁巖,厚度130-160m,中上部為灰色、灰褐色竹葉狀灰?guī)r及黃褐色板狀與淡紫色塊狀灰?guī)r,厚度30-450m。與下伏太古界為角度不整合接觸。(3) 石炭系

42、(c)a、本溪組(c2b):厚10-25m,以灰白、灰褐色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖互層為主。底部和下部常含有褐色雞窩狀鐵礦及雜色鋁土質(zhì)泥巖。往北至忻州窯、大北溝一帶尖滅。與下伏寒武系為平行不整合接觸。b、太原組(c3t):本組地層平均厚21m,由灰白色、灰褐色石英粗砂巖及深灰、灰黑色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、炭質(zhì)泥巖和薄煤層組成。在煤田南部含煤可達(dá)九層,在本區(qū)僅賦存一層,且多不可采?;诪榛野咨皫r,含礫石(k2),厚2-5m。與下伏地層本溪組呈平行不整合接觸。(4) 二疊系下統(tǒng)山西組(p1s)本組地層厚3-7m,由砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、中粗砂巖及煤層組成,該組地層在十里河以北尖滅。與下伏太原組地

43、層呈平行不整合接觸。具唇三角孢、膨脹凹邊孢等。(5) 侏羅系(j)a、永定莊組(j1y):厚17-51m,由灰紫、紫紅色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、淺灰色粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖組成。其基底為灰白色砂礫巖、含礫粗砂巖(k8),與下伏地層為角度不整合接觸。該組地層在井田北部尖滅。b、大同組(j2d):厚130.01-273.45m,平均191.18m。由灰、灰白、深灰色砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂巖及煤組成。含煤19層,以7、11號(hào)分為上、中、下三段。該組地層在井田西部出露。上段:為灰色粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、灰黑色砂質(zhì)泥巖、薄層中砂巖。含、號(hào)煤層。本段平均厚61.87m。中段:為灰色砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖和灰白

44、色中、粗砂巖組成。含7、8、9、10號(hào)煤層,本段平均厚66.17m。下段:為灰色細(xì)砂巖、灰白色粗砂巖、灰黑色砂質(zhì)泥巖組成,含11、12、14、15號(hào)煤層,本段平均厚63.14m。地層厚度呈南厚北薄的變化趨勢(shì),其基底為一層灰白色厚層狀砂礫巖、粗砂巖(k11),厚4.65m,成分以石英、長石為主,分選差。礫石成分為石英,礫徑一般1-3mm,鈣質(zhì)膠結(jié),較堅(jiān)硬,與下伏永定莊組地層平行不整合接觸。c、云崗組(j2y):劃分為上、下兩段。青磁窯段(j2y1):厚0-134m,一般厚110m,以灰白、灰黃色中、粗砂巖、砂礫巖為主。砂巖磨園度和分選性差,多為次棱角狀,交錯(cuò)層理發(fā)育。下部含薄層泥巖和不穩(wěn)定的煤層

45、。底部標(biāo)志層k21,厚8-11m,成分以石英、燧石為主、長石次之,硅質(zhì)膠結(jié),堅(jiān)硬,分選差,次棱角狀。礫徑一般4-6cm,大小不等,與下伏大同組呈平行不整合接觸。石窟段(j2y2);厚0-140m,一般厚80m。由灰紫、紫紅色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖與灰黃色中粗砂巖、砂礫巖組成。下部砂巖厚度變化大,透鏡體發(fā)育。上部砂質(zhì)泥巖常有斷續(xù)球狀結(jié)核,交錯(cuò)層理發(fā)育。該組地層在井田內(nèi)大面積出露。(6) 白堊系(k)厚0-152.2m,平均35m左右,在井田北部溝谷中大面積出露,巖性主要由砂礫巖及粉細(xì)砂巖組成。與云崗組地層呈角度不整合接觸。(7) 第四系(q)一般厚15m左右。包括中、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)兩部分。a、

46、中、上更新統(tǒng)(q2+3):厚0-30m,一般厚10m。上部為淺黃、褐黃色松散狀黃土,既馬蘭期黃土;下部以棕紅色亞粘土、亞砂土為主,含有鈣質(zhì)結(jié)核,垂直節(jié)理發(fā)育,分布廣泛。b、全新統(tǒng)(q4):為現(xiàn)代河流沉積物,一般厚5m,多分布與河床和溝谷中。覆蓋土廣布于井田內(nèi)的地表。第四系地層與下伏地層呈角度不整合。2.1.2 礦區(qū)煤層本井田勘探歷史悠久,早在50年代即開始了大規(guī)模的地質(zhì)勘探。多年來進(jìn)行了各種勘探工作,據(jù)地質(zhì)報(bào)告統(tǒng)計(jì),在不同勘察期,井田內(nèi)、外鉆孔資料169個(gè),包括井下33個(gè)、區(qū)外30個(gè),總工程量為48845.61m,按現(xiàn)在井田面積計(jì)算每平方公里達(dá)7.7個(gè)孔??碧焦ぷ骱屯瓿傻牡刭|(zhì)資料為本次物探工作

47、奠定了地質(zhì)基礎(chǔ),對(duì)本次物探工作有極大的參考價(jià)值。忻州窯煤礦為解放前舊礦井改建而成,開采歷史悠久,上部煤層在井田的東部埋深較淺的范圍內(nèi),據(jù)礦方調(diào)查有古人采的古空區(qū),但已無法考證。解放后到70年代末由于受國家政策的制約,井田內(nèi)及井田周邊沒有小煤窯的非法采掘,但隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,特別是80年代中、后期,一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村辦煤礦在寬松政策的扶持下迅速崛起;井田內(nèi)及周邊曾分布有各類小窯約17座,大部分開采上部2-1、2-3、3-2號(hào)煤層,后因資源的枯竭和有關(guān)政策的頒布,使得部分小窯報(bào)廢關(guān)閉。據(jù)礦方調(diào)查,目前未發(fā)現(xiàn)有地方煤礦越層越界亂采。由于關(guān)閉的小煤窯年代較長,經(jīng)該礦多處調(diào)查,仍未查到其原始采掘工程平面

48、圖,采空區(qū)范圍和采空區(qū)積水無法確定,但該礦上部一水平2-1、2-3、3-2、7-3號(hào)煤層1979年已開采結(jié)束,延深至二水平后,對(duì)上部采空區(qū)打有放水孔,據(jù)調(diào)查日放水量小于初期放水量的一倍以上。井田內(nèi)侏羅系中統(tǒng)大同組含煤地層厚65.13-262.75m,平均厚211.95m,共含煤約22層,煤層平均總厚19.26m,含煤系數(shù)9.08%,各層分布不均,下部煤層有合并分叉現(xiàn)象,層間距變化大,但井田內(nèi)可采煤層與局部可采煤層均已被揭露,正在有序的進(jìn)行開采。井田內(nèi)可采與局部可采煤層有2-1、2-3、3-2、7-3、8、9、10、11-1、11-2、12-1、12-2、14-2、15號(hào),計(jì)13層,其余僅零星賦

49、存。可采煤層平均總厚16.50m,含煤系數(shù)7.78%。現(xiàn)將各主要煤層(批采)分述如下: 2-1號(hào)煤層:系大同組最上部一層煤,可采可采范圍賦存于井田的東北部,厚度為0-2.65m,平均1.12m,偶含一層夾矸,屬不穩(wěn)定煤層,該層79年已開采結(jié)束,僅殘留小而不經(jīng)濟(jì)和煤柱、蹬空的部分儲(chǔ)量,其頂板為礫巖、砂礫巖,底板為粉砂巖。 2-3號(hào)煤層:上距2-1號(hào)煤層2.58-33.49m,平均11.22m,賦存于井田東北部,煤層厚0-2.65m,平均0.95m,偶含一層夾矸,屬不穩(wěn)定煤層,該層79年已開采結(jié)束,僅殘留小而不經(jīng)濟(jì)和接近可采邊界的部分,其頂板為粉砂巖、細(xì)砂巖互層,底板為粉砂巖。 3-2號(hào)煤層:為該

50、礦原主采層,上距2-3號(hào)煤層12.95-49.35m,平均30.39m,全井田除個(gè)別點(diǎn)為零外,均有賦存,但可采范圍僅在井田的東部、西北部,煤厚0-8.90m,平均1.41m,屬較定煤層,結(jié)構(gòu)單一,西部偶有一層夾矸,西 北部可采范圍批給小窯,東部該礦開采79年已結(jié)束,僅殘留小而不經(jīng)濟(jì)及保護(hù)煤柱部分,其頂板為細(xì)砂巖、中砂巖,底板為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。 7-3號(hào)煤層:上距3-2號(hào)煤層24.20-54.57m,平均35.02m,賦存于井田的東北部并可采,煤層厚0-2.44m,平均0.81m,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,偶含一層夾矸,屬極不穩(wěn)定煤層,該層79年已開采結(jié)束,僅殘留小而不經(jīng)濟(jì)部分,其頂板為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、底板

51、為粉砂巖、細(xì)砂巖。 8號(hào)煤層:上距7-3煤層10.12-24.29m,平均14.85m,賦存于全井田,僅個(gè)別區(qū)域?yàn)榱悖刹煞秶鷥H限于擴(kuò)區(qū)內(nèi),煤厚0-1.66m,平均0.52m,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,屬極不穩(wěn)定煤層,其頂板為粗砂巖,底板為粉砂巖。9號(hào)煤層:上距8號(hào)煤層7.11-34.37m,平均20.59m,全井田除個(gè)別點(diǎn)為零外,均賦存,可采范圍在東部、南部地區(qū),煤層厚0-3.20m,平均1.07m,偶有一層夾矸,屬大部可采較穩(wěn)定煤層,該礦目前在東三盤區(qū)作業(yè),西一、東一、東二盤區(qū)開采已結(jié)束。其頂板為細(xì)砂巖、粉砂巖,底板為粉砂巖、細(xì)砂巖。10號(hào)煤層:上距9號(hào)煤層3.55-29.07m,平均14.02m,全井

52、田均賦存,僅一個(gè)點(diǎn)為零,煤層自東向西逐漸變薄,可采范圍在井田東部、東北部,煤層厚0-2.00m,平均0.82m,結(jié)構(gòu)單一,偶見一層夾矸。目前該礦在東三盤區(qū)作業(yè),東一、二盤區(qū)開采結(jié)束,屬不穩(wěn)定煤層,其頂板為細(xì)砂巖,底板為粉砂巖。11-1號(hào)煤層:上距10號(hào)煤層4.83-26.74m,平均11.85m,賦存于井田東部、東北部的少部分地區(qū),煤層厚0.20-3.65m,平均0.87m,結(jié)構(gòu)單一。54353、53355、52379號(hào)孔以西與11-2號(hào)煤層合并,合并后平均煤厚4.01m,該煤層屬極不穩(wěn)定煤層,頂板為粉砂巖、炭質(zhì)泥巖,底板為粉砂巖、細(xì)砂巖。11-2號(hào)煤層:為該礦主采煤層之一,上距11-1號(hào)煤層

53、0.65-18.63m,平均5.32m,賦存于井田北東,該層?xùn)|三盤區(qū)部分與121-2號(hào)煤層合并,煤層平均厚6.11m,中南部11-1號(hào)與該層合并,平均煤厚4.01m,北西的西二盤區(qū)為111-2-121-2號(hào)合并區(qū),煤層平均厚8.74m。該層分布區(qū)煤層厚0.10-5.30m,平均2.39m,結(jié)構(gòu)單一,合并區(qū)除合并分叉處夾一層夾矸外,其它均為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,屬穩(wěn)定型煤層,西一、東一、東二盤區(qū)開采已結(jié)束,西二盤區(qū)區(qū)大部采空,其頂板為細(xì)砂巖,底板為粉砂巖。 12-1號(hào)煤層:上距11-2號(hào)煤層4.00-30.15m,平均13.59m,賦存于井田的中部、東北部并可采,煤厚0-3.40m,平均1.06m,局部有1

54、-2層夾矸。與11-2號(hào)合并區(qū)位于井田北東,與111-2號(hào)煤層合并位于井田西北,合并后一般煤厚分別為5.50m、8.74m。該層煤屬不穩(wěn)定煤層,其頂板為粉砂巖,底板為粉砂巖、細(xì)砂巖。 12-2號(hào)煤層:上距12-1號(hào)煤層0.87-24.90m,平均7.56m,除上所述合并區(qū)外,本層賦存于井田的東南大部,可采范圍在井田中部,以北東南西展布,煤層厚0.10-2.54m,平均0.99m,采空區(qū)分別位于井田的西一、西二、東二盤區(qū)。該層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,屬不穩(wěn)定煤層,其頂板為細(xì)砂巖、中砂巖,底板為細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖。14-2號(hào)煤層:上距12-2號(hào)煤層0.95-23.35m,平均6.96m,全井田除個(gè)別點(diǎn)為零,均賦存,可采范圍分布在井田的西南、北東地區(qū),為該礦目前生產(chǎn)層,煤層厚0-4.62m,平均1.44m,西南比北

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