顧北1312探水物探成果報告

1、淮浙煤電有限責任公司顧北煤礦分公司淮浙煤電有限責任公司顧北煤礦分公司1312(1)面頂板賦水性綜合物探面頂板賦水性綜合物探成果報告成果報告(1)淮浙煤電有限責任公司顧北煤礦分公司淮浙煤電有限責任公司顧北煤礦分公司安徽惠洲地下災害研究設計院安徽惠洲地下災害研究設計院2011 年年 5 月月工作面頂板水綜合物探探測成果報告工作面頂板水綜合物探探測成果報告項目名稱項目名稱顧北煤礦 1312(1)工作面頂板賦水性綜合物探工程實施地點實施地點淮浙煤電有限責任公司顧北煤礦完成單位完成單位安徽惠洲地下災害研究設計院主要完成人主要完成人吳榮新 胡雄武 報告提交單位報告提交單位安徽惠洲地下災害研究設計院（簽章）

2、編編 制制胡雄武審審 核核張平松技術(shù)負責技術(shù)負責吳榮新項目負責項目負責吳榮新工作面頂板水綜合物探探測成果報告工作面頂板水綜合物探探測成果報告2目 錄1 工程概況工程概況.32 探測方法原理探測方法原理.32.1 三維直流電法基本原理.32.2 礦井瞬變電磁探測原理.43 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集.63.1 并行電法現(xiàn)場布置.63.2 瞬變電磁法探測布置.64 探測結(jié)果分析探測結(jié)果分析.74.1 井下瞬變電磁探測結(jié)果分析.74.2 三維并行電法探測結(jié)果分析.85 綜合分析綜合分析.106 探測結(jié)論與建議探測結(jié)論與建議.116.1 結(jié)論.116.2 建議.11顧北煤礦 1312（1）工作面頂水綜合

3、物探探測成果報告31 工程概況工程概況顧北礦 1312（1）工作面在掘進過程中，頂板常出現(xiàn)較大涌水現(xiàn)象，嚴重影響了工作面的正常生產(chǎn)。為確保本工作面安全生產(chǎn)，需查明該面頂板富水區(qū)分布情況。通常工作面內(nèi)直流電法和瞬變電磁法都是較有效的物探手段，擬決定采用三維直流電法和瞬變電磁法綜合物探法來探測頂板富水區(qū)情況。探測內(nèi)容為：（1）采用三維直流電法和瞬變電磁法綜合物探來探測工作面頂板巖層電性變化情況；（2）分析工作面頂板賦水性，圈定工作面頂板相對富水區(qū)；（3）對探測范圍內(nèi)工作面頂板內(nèi)富水區(qū)、導水范圍做出分析評價，指導防治頂板水工作。2 探測方法探測方法原理原理工作面內(nèi)及煤層頂?shù)装鍘r層內(nèi)的富水區(qū)，通常表現(xiàn)

4、為低電阻率異常。工作面內(nèi)的較大落差斷層（1/2 煤厚） ，在斷層兩側(cè)常存在煤層變薄現(xiàn)象，電阻率相對變低；而厚層煤區(qū)則表現(xiàn)為相對高阻。因此，富水區(qū)范圍和煤層變薄區(qū)等與正常煤層間存在明顯的電性差異，可以進行電法探測來查明相關問題。2.1 三維直流電法基本原理三維直流電法基本原理電法探測采用網(wǎng)絡并行電法進行探測。探測使用的儀器為并行網(wǎng)絡電法儀，該儀器的最大優(yōu)勢在于任一電極供電，可在其余所有電極同時進行電位測量，可清楚地反映探測區(qū)域的自然電位、一次供電場電位的變化情況，采集數(shù)據(jù)效率比傳統(tǒng)的高密度電法儀又大大提高，是電法勘探技術(shù)的又一次飛躍，是國內(nèi)率先使用的方法。例如：測在線布置64個電極，對于AM法采

5、集時，任一電極供電時，其余63個電極同時采集電位，這樣其數(shù)據(jù)采集效率與串聯(lián)采集相比，采集效率至少提高了63倍。不僅如此，通過AM法和ABM法裝置自動順次切換電極，取得大量的電法數(shù)據(jù)（如圖2-1）。采用網(wǎng)絡并行電法采集的數(shù)據(jù)可用于超前電阻率法反演。電阻率三維反問題的一般形式可表示為：顧北煤礦 1312（1）工作面頂水綜合物探探測成果報告4mGd式中：G為矩陣；dJacobi為觀測數(shù)據(jù)和正演理論值的d0d殘差向量；為初始模型的mm修改向量。對于三維問題，將模型剖分成三維網(wǎng)格，反演要求參數(shù)就是各網(wǎng)格單元內(nèi)的電導率值，三維反演的觀測數(shù)據(jù)則是測量的單極-單極電位值或單極-偶極電位差值。由于它們變化范圍大

6、，一般用對數(shù)來標定反演數(shù)據(jù)及模型參數(shù)，有利于改善反演的穩(wěn)定性。由于反演參數(shù)太多，傳統(tǒng)的阻尼最小二乘反演往往導致過于復雜的模型，即產(chǎn)生所謂多余構(gòu)造，它是數(shù)據(jù)本身所不要求的或是不可分辨的構(gòu)造信息，給解釋帶來困難。在最小二乘準Sasaki則中加入光滑約束，反演求得光滑模型，提高了解的穩(wěn)定性。其求解模型修改量的算法為：mdGmCCGGTTT)(其中C是模型光滑矩陣。通過求解矩陣G及大型矩陣逆的計算，來求Jacobi取各三維網(wǎng)格電性數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡并行電法儀采集的數(shù)據(jù)為全電場空間電位值，保持電位測量的同步性，避免了不同時間測量數(shù)據(jù)的干擾問題。通過在已掘巷道中布置電法測線，觀測不同位置不同標高的電位變化情況，通

7、過三維電法反演，得出巷道周邊及前方范圍的電阻率分布情況，從而給出客觀的地質(zhì)解釋。圖2-1 網(wǎng)絡并行電法采集電位圖（a）AM法；（b）ABM法顧北煤礦 1312（1）工作面頂水綜合物探探測成果報告5 圖 2-2 理論探測模型圖2-3 矩形回線中輸入階躍電流產(chǎn)生的磁力線圖圖2-4 半空間中的等效電流環(huán)2.2 礦井瞬變電磁探測礦井瞬變電磁探測原理原理瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Methods)，又稱時間域電磁法(Time Domain Electromagnetic Methods)，簡稱 TEM 或TDEM，是近年來國內(nèi)外發(fā)展得較快、地質(zhì)效果較好的一種電法勘探分

8、支方法。它與其它測深方法相比，具有探測深度大、信息豐富、工作效率高等優(yōu)點。自上世紀五十年代以來，該方法得到迅速發(fā)展，特別是對探測高阻覆蓋層下的良導電地質(zhì)體取得了顯著的地質(zhì)效果。它主要應用于金屬礦勘查、構(gòu)造填圖、油氣田、煤田、地下水、地熱以及凍土帶和海洋地質(zhì)等方面的研究，在國內(nèi)外已取得了令人矚目的效果。瞬變電磁法屬時間域電磁感應方法。其探測原理是：在發(fā)送回線上供一個電流脈沖方波（見圖 2-2），在方波后沿下降的瞬間，產(chǎn)生一個向回線法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵下，地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，其大小取決于地質(zhì)體的導電程度，在一次場消失后，該渦流不會立即消失，它將有一個過渡(衰減)過程（見圖 2-3

9、、2-4）。該過渡過程又產(chǎn)生一個衰減的二次磁場向掌子面?zhèn)鞑?，由接收回線接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地質(zhì)體的電性分顧北煤礦 1312（1）工作面頂水綜合物探探測成果報告6布情況。如按不同的延遲時間測量二次感生電動勢 V(t)，就得到了二次磁場隨時間衰減的特性曲線。如果沒有良導體存在時，將觀測到快速衰減的過渡過程；當存在良導體時，由于電源切斷的一瞬間，在導體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流以維持一次場的切斷，所觀測到的過渡過程衰變速度將變慢，從而發(fā)現(xiàn)導體的存在。瞬變電磁場在大地中主要以擴散形式傳播，在這一過程中，電磁能量直接在導電介質(zhì)中傳播而消耗，由于趨膚效應，高頻部分主要集中在地表附近，且其分布范圍是源下

10、面的局部，較低頻部分傳播到深處，且分布范圍逐漸擴大。3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場探測工作于 2011 年 5 月 9 日進行，現(xiàn)場采用三維并行直流電法和瞬變電磁兩種方法。3.1 并行電法現(xiàn)場布置并行電法現(xiàn)場布置本次工作面三維并行電法的測線沿1312（1）膠帶機順槽和回風順槽點與南翼 11-2 回風大巷交叉點往工作面切眼方向布置，均完成250m 測線長度數(shù)據(jù)采集，共完成 2 個測站的數(shù)據(jù)采集，每個順槽各布置 1 站，單位電極距為 5m。兩順槽共計完成 500m 段電法數(shù)據(jù)采集任務。圖 3-1 三維電法現(xiàn)場電極（紅色圓點）布置顧北煤礦 1312（1）工作面頂水綜合物探探測成果報告73.2 瞬變

11、電磁法探測布置瞬變電磁法探測布置瞬變電磁測線布置于1312（1）膠帶機順槽和回風順槽點及南翼11-2回風大巷，測點距為10m，共計測線長度為810m（回風順槽：150m，膠帶機順槽：250m，11-2回風大巷：350m），見圖3-2。同時，在回風順槽和膠帶機順槽中每個測點布置兩個探測方向，分別為巷道垂直方向頂板和斜向面內(nèi)45頂板方向；11-2回風大巷內(nèi)布置3個探測方向，分別為巷道垂直方向頂板和斜向面內(nèi)45頂板方向以及斜向面外45方向?，F(xiàn)場采用多匝重疊裝置，通過定向發(fā)射接收，捕捉頂板巖層富水區(qū)。4 探測結(jié)果探測結(jié)果分析分析4.1 井下瞬變電磁探測結(jié)果分析井下瞬變電磁探測結(jié)果分析附圖 1、附圖 2

12、 和附圖 3 分別為 1312（1）工作面本次瞬變電磁測試范圍內(nèi)視電阻率成像圖。總體上，膠帶機順槽、回風順槽和回風大巷頂板巖層電阻率較為接近，數(shù)據(jù)成像采用統(tǒng)一等值線色標，以便直觀分析巖層電性分布特征。因 1312（1）工作面巷道內(nèi)金屬支護，且在回風大巷觀測時，局部堆積大量金屬器件，給本次瞬變電磁探測解釋處理造成一定的困難，經(jīng)分析校正，針對探測段該工作面頂板富水性情況，獲取 4 個相對低阻異常區(qū)。圖3-2 顧北礦1312（1）工作面瞬變電磁測點（藍色圓點）布置顧北煤礦 1312（1）工作面頂水綜合物探探測成果報告8由于探測區(qū)域環(huán)境存在大量金屬干擾，使得電磁感應信號非正常抬高，導致本次瞬變電磁探測

13、電性參數(shù)（視電阻率值）偏低，進一步影響電磁場“時距”轉(zhuǎn)換，給探測異常深度判定造成一定的誤差。為獲得異常最佳判定，結(jié)合淮南礦區(qū) 11 層煤瞬變電磁探測經(jīng)驗，并考慮視電阻率等值線形態(tài)及其梯度變化情況，確定本工作面以 8為高電磁感應區(qū)域，即為低阻異常區(qū)。m（1）TY1 異常區(qū)異常區(qū)位于膠帶機順槽一側(cè)，沿巷道走向分布范圍為 X1+60140m，主要沿面內(nèi)展布50m，其頂板上部巖層視電阻率值總體低于 8；m分析該異常區(qū)為受 F93-1 斷層（5865，H=14.2m）影響，頂板巖層含水裂隙發(fā)育。（2）TY2 異常區(qū)異常區(qū)沿膠帶機順槽，N15+3060m，主要位于垂直頂板上方，深度50m，該段巖層視電阻率

14、值總體低于 8；m 分析該區(qū)域受回風大巷側(cè)多組斷層影響，頂板巖層裂隙發(fā)育，含水。（3）TY3 異常區(qū)異常區(qū)位于回風順槽與南翼回風大巷交叉口附近，沿面內(nèi)展布范圍70m，該段巖層視電阻率值總體低于 8；m 分析該段工作面頂板巖層裂隙發(fā)育，少量含水。（4）TY4 異常區(qū)異常區(qū)位于南翼回風大巷 N15N22 之間，縱向分布于巷道內(nèi)外側(cè)頂板，深度分布于 3050m 之間，巖層視電阻率值總體低于 8；m該區(qū)域與 TY2 異常區(qū)位置較為接近，認為兩異常區(qū)為同一含水區(qū)，分析受回風大巷側(cè)多組斷層影響，頂板巖層裂隙發(fā)育，含水。4.2 三維并行電法探測結(jié)果分析三維并行電法探測結(jié)果分析圖 4-1 為頂板三維電法電阻率

15、成像立體效果圖，由圖可見，高低阻值差異明顯，其中低阻區(qū)范圍主要位于頂板 35m 以內(nèi)，尤其是頂板 20m 范圍以內(nèi)，分析主要為煤層頂板砂巖含水。顧北煤礦 1312（1）工作面頂水綜合物探探測成果報告10附圖 48 為頂板上方不同深度三維電阻率成像水平切片。受巷道及其周邊金屬影響，頂板淺部切面電阻率值波動較大；頂板 10m 切面低阻區(qū)范圍反應頂10m20m35m50m65m04101826344250586674829098圖 4-1 1312(1)工作面頂板三維（10m 以上）電法探測電阻率成像立體切片EY1EY2顧北煤礦 1312（1）工作面頂水綜合物探探測成果報告11板富水區(qū)分布情況；頂板

16、 35m 以上，相對低阻范圍顯著減小，到 65m 以上，異常區(qū)基本難以準確分辨。因此，本次探測選擇頂板上部 10m 斷面內(nèi)低阻區(qū)作為相對富水區(qū)。由附圖中可見 2 個相對低阻區(qū)，分別定義為 EY1 區(qū)和 EY2 區(qū)。其中：（1）EY1 異常區(qū)異常區(qū)區(qū)域電阻率值9，位于膠帶機順槽一側(cè)，分布范圍較大（沿膠帶順槽，mN15+20200m），在影響區(qū)內(nèi)，又可細分為幾個相對集中低阻區(qū)，分別定為EY1-A、EY1-B 和 EY1-C，其電阻率值7，中心4。mm分析該區(qū)巖層裂隙發(fā)育，含水性強。具體可見附圖 4；（2）EY2 異常區(qū)異常區(qū)相對 EY1 區(qū)較小，主要回風順槽一側(cè)，沿回風順槽走向范圍為 2070m，

17、沿面內(nèi)展布70m，參考原點為南翼 11-2 回風大巷與回風順槽交叉口，具體見附圖 4。 該區(qū)阻值亦表現(xiàn)較低，分析該區(qū)具有一定的含水性。5 綜合分析綜合分析由于瞬變電磁和并行電法探測方式不同，瞬變電磁易受巷道內(nèi)金屬體、積水區(qū)等影響，探測結(jié)果空間可靠性受到影響；而三維電法探測結(jié)果主要受電極接地點附近電阻率影響，總體上其平面分辨能力較好；因此，瞬變電磁和三維電法探測結(jié)果具有一定互補性?？紤]到主要的頂板砂巖水威脅區(qū)平面及深度范圍都應較大，因此，取三維電法切面低阻范圍（品紅色虛線區(qū)品紅色虛線區(qū)）與瞬變電磁所圈異常范圍（藍色虛線區(qū)藍色虛線區(qū)）相交區(qū)為重點富水區(qū)（紅線區(qū)紅線區(qū)），代表放水驗證鉆終孔位置范圍，

18、以兩者并集范圍作為富水區(qū)范圍（黑色虛線區(qū)黑色虛線區(qū)），共圈定 2 個低阻區(qū)，具體見附圖 9。（1）YC1 低阻區(qū)低阻區(qū)異常范圍為 N15N15+300m，主要沿膠帶機順槽走向分布于巷道兩側(cè)，其中偏向面內(nèi)一側(cè)延展寬度約為 50m，面外側(cè)延展寬度約為 40m；頂板延展深度為50m；結(jié)合地質(zhì)資料分析，該區(qū)夾于南北兩側(cè)多組斷層之間，其中北側(cè)斷層（F93-1）落差約為 14m，南側(cè)斷層落差平均為 1.5m，推測受斷層影響，該顧北煤礦 1312（1）工作面頂水綜合物探探測成果報告12異常區(qū)頂板巖層裂隙發(fā)育，含水。綜合三維電法和瞬變電磁法探測結(jié)果，圈定3 個低阻區(qū)核心，分別為 Z-1、Z-2 和 Z-3 為

19、重點防治水區(qū)域，作為設計鉆孔終孔所在位置；（2）YC2 低阻區(qū)低阻區(qū)位于南翼 11-2 回風大巷與 1312（1）工作面回風順槽交叉口附件，沿回風順槽走向范圍為 2090m，主要沿面內(nèi)展布，范圍70m，頂板延展深度35m。綜合兩種探測結(jié)果，分析該區(qū)頂板巖層裂隙發(fā)育，具有一定富水性；并圈定低阻區(qū)核心位置 Z-4 為重點防治水區(qū)域，作為設計鉆孔終孔所在范圍； 6 探測結(jié)論與建議探測結(jié)論與建議6.1 結(jié)論結(jié)論根據(jù)瞬變電磁和三維并行電法探測結(jié)果，探測區(qū)共有 2 個低阻區(qū)（附圖10），并給出低阻區(qū)中較深范圍低阻核心區(qū)域作為設計鉆孔終孔所在范圍。根據(jù)各低阻區(qū)空間分布特征，給定異常如表 6-1。表 6-1

20、異常區(qū)分布特征及含水評價異常區(qū)重點防治區(qū)平面展布頂板深度分布Z-1見附圖 1050m，主要分布于 1020mZ-2見附圖 1050m，主要分布于 1020mYC1Z-3見附圖 1050m，主要分布于 1020mYC2Z-4見附圖 10 Z-2 Z-3 Z-46.2 建議建議（1）建議依據(jù)煤礦防治水規(guī)定，設計相應鉆孔進行探放水工作；顧北煤礦 1312（1）工作面頂水綜合物探探測成果報告22（2）若 YC1 低阻區(qū) Z-1 范圍內(nèi)富水性經(jīng)驗證含水量較大，對安全回采構(gòu)成威脅，則對 Z-2 和 Z-3 繼續(xù)進行探放水工作；（3）若對 Z-2 和 Z-3 區(qū)域富水性驗證對安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅，則應繼續(xù)對 Z

21、-4區(qū)施工鉆孔，進行探放水工作；（4）若 Z-1、Z-2 和 Z-3 范圍富水性驗證對工作面安全生產(chǎn)不構(gòu)成威脅，則其余范圍可不再進行探放水工作，而進行安全施工或生產(chǎn)。顧北煤礦 1312（1）工作面頂水綜合物探探測成果報告13附圖附圖 1 顧北煤礦顧北煤礦 1312（1）工作面膠帶機順槽（）工作面膠帶機順槽（45面內(nèi)頂板及垂直頂板方向）瞬變電磁探測結(jié)果圖面內(nèi)頂板及垂直頂板方向）瞬變電磁探測結(jié)果圖 0246781012141618202224262830（a）45面內(nèi)頂板斷面結(jié)果 （b）垂直頂板斷面結(jié)果TY1TY2顧北煤礦 1312（1）工作面頂水綜合物探探測成果報告14附圖附圖 2 顧北煤礦顧北

22、煤礦 1312（1）工作面回風順槽（）工作面回風順槽（45面內(nèi)頂板及垂直頂板方向）瞬變電磁探測結(jié)果圖面內(nèi)頂板及垂直頂板方向）瞬變電磁探測結(jié)果圖 0246781012141618202224262830（a）45面內(nèi)頂板斷面結(jié)果 （b）垂直頂板斷面結(jié)果TY3顧北煤礦 1312（1）工作面頂水綜合物探探測成果報告15附圖附圖 3 顧北煤礦顧北煤礦 1312（1）工作面南翼回風大巷（）工作面南翼回風大巷（45面內(nèi)頂板、垂直頂板及面內(nèi)頂板、垂直頂板及 45面外頂板方向）瞬變電磁探測結(jié)果圖面外頂板方向）瞬變電磁探測結(jié)果圖TY2（a）45面內(nèi)頂板斷面結(jié)果（b）垂直頂板斷面結(jié)果（c）45面外頂板斷面結(jié)果02467810 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30TY4顧北煤礦 1312（1）工作面頂水綜合物探探測成果報告16附圖附圖 4 顧北煤礦顧北煤礦 1312（1）工作面三維電法頂板）工作面三維電法頂板 10m 電阻率切片電阻率切片041018