地面与井下瞬变电磁法联合探测煤矿富水区域
引用本文
钟声, 王士党. 地面与井下瞬变电磁法联合探测煤矿富水区域[J]. 物探与化探, 2016,40(3): 635-638.
ZHONG Sheng, WANG Shi-Dang. The application of combined ground and underground coal mine transient electromagnetic methods to the exploration of water-rich area[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(3): 635-638.
Doi:10.11720/wtyht.2016.3.30
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ZHONG Sheng, WANG Shi-Dang. The application of combined ground and underground coal mine transient electromagnetic methods to the exploration of water-rich area[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(3): 635-638.
Doi:10.11720/wtyht.2016.3.30
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地面与井下瞬变电磁法联合探测煤矿富水区域
作者简介: 钟声(1969-),男,山东栖霞人,高级工程师,长期从事物探工作。
摘要
在鱼卡煤田1171工作面巷道采掘过程中,前方出水量明显增大。为避免水害发生,在整个工作面开展了地面与井下相结合的瞬变电磁探测工作,利用地面瞬变电磁测量从平面上控制水害分布范围,利用井下探测方法对富水区域进行圈定,指导下一步的抽排水工作。对比地面与井下瞬变电磁结果,两者对于富水区域结果是相同,联合探测降低了物探资料多解性问题,大大提高了勘探精度。
关键词:
瞬变电磁法; 富水性; 煤矿水害; 防治水
中图分类号:P631
文献标志码:A
文章编号:1000-8918(2016)03-0635-04
doi: 10.11720/wtyht.2016.3.30
The application of combined ground and underground coal mine transient electromagnetic methods to the exploration of water-rich area
Abstract
Water zones adjacent to coal seams seriously threat coal mine's safety in production. In the mining process along No. 1171 roadway, water content significantly increased in the front. In order to avoid the water disaster, the authors carried out measurement on the whole working face. Transient electromagnetic measurement was chosen, and ground and underground coal mine transient electromagnetic combined exploration was conducted in water-rich area. The flood range was controlled in plane by ground transient electromagnetic method, and the underground water-rich area was delineated by using downhole detection method, so as to guide further pumping and drainage work and reduce the possibility of water damage. The results of the ground and underground transient electromagnetic fields are the same, and the results of the water-rich areas are also he same. The combined detection reduces the possibility of multi-solution of geophysical prospecting data and thus can greatly improve the exploration precision. It can improve the reliability of the coal mine prevention and control.
Keyword:
TEM; rich aqueous; water hazards in coal mine; downhole detection
鱼卡煤田位于柴达木盆地北缘, 介于南侧的绿梁山与北侧的达肯大坂山隆起之间, 为一呈北西向展布的狭长盆地, 属柴达木准地台柴北缘残山断褶带之一部分。鱼卡煤田尕秀区段为陆相山前拗陷盆地型, 以煤层厚度巨大、可采储量集中为特点。巷道采掘中, 前方出水量明显增大。为避免水灾水害事故发生, 保证工作面安全回采, 对矿区进行了赋水性探测研究。
1 工作面基本情况
青海省大柴旦鱼卡煤矿1171工作面所采煤层为石门沟组中下段和大煤沟组7层煤。其中, 煤5位于石门沟组下部, 可采厚度0.83~1.70 m, 局部可采; 煤6位于大煤沟组上部, 可采厚度1.31~9.10 m, 局部可采; 煤7位于大煤沟组底部, 可采厚度4.80~105.83 m, 平均19.34 m, 全区可采, 夹矸多层, 属稳定煤层, 但厚度变化较大, 煤层顶板为细砂岩、粗砂岩, 底板为含砾砂岩。煤7层为本次工作主要研究对象。
1171工作面水的主要来源是该煤层顶、底板含水层的承压裂隙水。煤7顶板含水层在井田内广泛分布, 煤7顶板岩性以粗粒砂岩、含砾岩砂岩为主。裂隙节理发育, 成分以石英为主, 粗砂岩分选中等, 遇水疏松。该层平均厚度50 m, 厚度由西向东变薄, 钻孔抽水统计结果为单位涌水量0.017 L/sm, 渗透系数(k)0.024 m/d, 水位标高3 157.42 m, 高山含水层6.37 m, 该含水层属承压裂隙含水层, 水质为Cl+SO4-Na型水。
基岩裂隙岩类煤5顶板含水层和煤7顶板含水层两含水层之间有泥岩等隔水层相隔, 隔水性较好, 基本上不会发生水力联系。
2 地面与井下联合勘探
2.1 勘探方法
瞬变电磁法具有勘探深度大、抗干扰能力强、分辨力高、施工效率高等优点, 被广泛应用于矿产勘查及水文、工程勘察等领域
2.2 试验
为了取得较好的勘探效果, 在正式探测前进行了多次实验来确定仪器设备的参数设置。现场测试试验地点选在该露天矿某一已揭露钻孔, 经测试确定了较合理的施工参数。
1) 发射边框:7煤层埋深在150~200 m, 考虑到地形和施工效率, 选用240 m× 240 m的边框, 该发射框的各边框衰减曲线光滑连续。
2) 发射频率:25 Hz的衰减曲线形态较好, 外部道强烈干扰而尾部道干扰较小。
3) 发射电流:电流为11 A时, 衰减曲线尾部相对较为平滑, 能够有效地压制背景干扰噪声, 提高探测分辨率。
4) 其他参数:增益为1, 其他参数随频率变化由仪器内部设置自动调节变化。
2.3 地面瞬变电磁工作方法及成果
对地面数据进行处理、分析, 形成了各测线的综合电阻率断面; 利用软件BETEM进行反演, 得到电阻率— 深度数据, 抽取7煤层上10 m、7煤层附近、7煤层下25 m的电阻率反演数据组合成顺层切片平面, 如图1所示。
 | 图1 7煤层上10 m (a)、7煤层(b)、7煤层下20 m(c)的反演电阻率顺层切片平面 |
根据电阻率等值线的梯度变化、范围、各测线的低阻异常的分布、在平面上的连通情况, 并结合已知资料(在L1000~L1960线预计存在两块积水区域以及塌陷范围), 该范围内的褶皱比较发育, 圈定了7煤层附近的富水区, 该区域电阻率整体均小于 15 Ω · m, 长约1 100 m, 宽50~250 m之间, 面积约为98 327 m2。在L1500~L1700段, 电阻率等值线梯度变化较大, 推断该位置裂隙发育, 含水性较强。
在图1a上, 圈出两块电阻率小于10 Ω · m的区域, 分别标记为T1、T2, 面积约为 15 000 m2, 其中T2为强富水区; 在图1b中圈出3块电阻率小于10 Ω · m的区域, 分别标记为W1、W2、W3, 总面积98 300 m2, 其中W3富水区的电阻率值最低, 应该引起高度重视; 在图1c上圈出2块电阻率小于10 Ω · m的区域, 分别标记为Y1、Y2, 面积约为60 000 m2, 两处皆为强富水区。
W1与T1富水区平面位置相对应, T1较W1面积更大, 富水更强, 在煤层底板相应位置富水面积变小, 结合地质资料可知该范围内褶皱发育, 张裂隙发育充水。W2、W3两处富水区在煤层顶板时合并为T2一个大的富水区, 在面积与富水强度上都有所增加, 在煤层底板处分成Y1、Y2两个小的富水区, 富水强度有所减小, 结合地质资料可知此范围内的褶皱发育, 裂隙发育充水。目前巷道出水来源主要是顶板砂岩, 采空区积水通过导水裂隙也进行一定的水源补充, 随着巷道向前掘进, 顶板砂岩裂隙出水量会增加。
图2显示了图1右侧的断层部位。对L2260线进行分析, 等值线形态变化紊乱, 高低阻相间分布; 在测线中部存在一条“ U” 字形梯度变化带, 电阻率值相对较低, 数值在25~50 Ω · m之间, 电阻率等值线梯度变化大。结合已知资料, 该位置为已知逆断层F4的反映, 该逆断层下部含水, 导水性相对较好。
 | 图2 L2260线瞬变电磁法电阻率断面 |
2.4 井下瞬变电磁工作成果
在井下开展了两个不同平面的超前探测, 两个探测平面相互垂直, 其中一个平面是沿巷道掘进方向, 该平面和巷道底板平行, 另一平面是沿巷道轴线竖向平面, 即探测平面和巷道底板垂直。
 | 图3 1171工作面水平方向迎头超前探测成果 |
 | 图4 1171工作面垂直方向迎头超前探测成果 |
图3、图4为在1171综放工作面迎头两个不同方位探测所绘制的电阻率断面。可以看出:0~30 m范围为受环境干扰的工作盲区, 在40~80 m范围内的巷道左侧存在相对低阻条带, 为顶板砂岩, 裂隙发育, 富水性强; 在巷道右侧的视电阻率等值线梯度变化带电阻率值较大, 富水性较差, 为煤层及底板。
从垂向上探测断面图来看, 在0~30 m范围内的高阻异常为受环境干扰的工作盲区; 拟掘巷道上部以及前方40~80 m位置, 为顶板砂岩含水区和顶板含水区; 在前方100~120 m范围内受现场干扰因素的影响, 数据可靠性较差。因此, 在掘进过程中, 应密切注视掘进时的异常情况, 做好探放水工作, 保障矿井安全生产。
探测有效范围内, 在掘进巷道正前方40~80 m、上方10~80 m, 顶板砂岩裂隙发育, 含水性强, 存在一定的静储量, 富水性强。
3 井上与井下瞬变电磁成果对比
图5a为井下瞬变电磁L1线侧帮电阻率探测成果。在距离侧帮40~60 m位置, 存在横向上的2个相对低阻条带, 分别命名为富水体1和富水体2, 推断该位置相对富水。结合地质资料可知富水体1所处的位置为背斜构造的两翼, 具良好的储水构造; 富水体2所处位置褶皱发育, 距离南侧(对应位置为图1b中测线1280~1320, 测点1260~1280间)圈画的顶板富水区边界很近, 推断为右帮砂岩含水。图5a中(1100, 30)位置与图1b中(1020, 1300)位置为同一位置, 该位置在地面瞬变电磁物探中为小于15 Ω · m区域, 地下探测中视电阻率小于5 Ω · m, 同时说明该区域为富水较丰富区域, 两者探测结果相吻合。
 | 图5 L1线侧帮(a)、顶板(b)的瞬变电磁探测成果 |
图5b为在L1顶板探测的成果。在距离侧帮30~100 m位置, 存在低阻闭合圈异常或低阻条带异常, 推断该低阻位置相对富水。如图中所示的前两条黑色斜线所在位置, 结合地质资料可知该位置为一背斜两翼, 构造裂隙发育导通含水体所致; 后面平直黑线位置为两个向斜构造的平稳过渡地段, 地层稳定, 连续性较好, 是顶板含水层。
4 结论
将地面与井下瞬变电磁资料纵合分析, 利用地面瞬变电磁对富水区域进行圈定, 用井下瞬变电磁对富水区域层位进行查证, 这两种方法对于富水位置的查证结果与已知资料是吻合的, 两种方法对煤层附近及顶底板富水性探测效果较好, 所提交的资料为煤矿防治水构造提高了可靠的水文地质资料。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献
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