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山西某煤矿11204工作面底板综合电法探测成果报告
新闻作者:华北办 张浩、吴昊然、张新  发布时间:2017-03-31  查看次数:  放大 缩小 默认
1 概况
工作面内地质情况
    山西煤矿井田地理坐标为:东经:111°06′55″~111°09′16″,北纬:38°49′34″~38°51′19″。11204工作面位于井田北边,呈南北方向布置,走向长度约为2400m,倾斜长约220m,所采煤层为太原组11号煤层,其位于L2灰岩下3m左右,全区稳定可采。煤厚最大2.46m,最小1.75m,总体分布在0.48m~2.46m之间,均厚2.19m,呈现由北到南逐渐变厚的趋势,埋深为768m~842m,总体为一由东向西倾伏的单斜构造,其上发育次一级褶曲构造,煤层倾角4°~8°,平均6°,断裂构造不发育。
    工作面主要充水水源有奥陶系碳酸盐岩岩溶水含水层、石灰系太原组砂岩裂隙含水层、二叠系山西组砂岩裂隙含水层、二叠系上、下石盒子组砂岩裂隙水含水层及新生界松散岩类孔隙水含水层。

图1-1 11煤层综合柱状图
2 勘探目的与任务
    为确保11204工作面的安全开采,工作面开采前必须查明底板岩层的富水性及断层、裂隙含水情况,为工作面防治水工作提供技术依据。为此,本次探测确定采用地球物理勘探手段查明工作面开采范围内底板岩层富水情况,为工作面安全高效开采提供有效的水文地质依据。
    本次地球物理勘结合本工程项目的要求,采用直流电法探测、音频电透视法两种方法进行探测。具体探测任务包括:
    (1)采用直流电法探测11204工作面进风巷、回风巷底板80m范围内岩层电性分布特征,圈定工作面底板相对低阻区;
(1)采用音频电透视法探测11204工作面内底板80m范围内岩层电性分布特征,圈定工作面底板相对低阻区;
(2)根据直流电法、音频电透视法测试结果,结合工作面现有地质资料(主要是构造地质条件),综合分析与评价工作面底板岩层富水性,为矿井防治水工作提供依据。
3 方法技术选择依据及其方法基本原理
3.1 矿井音频电透视法
由于地下各种岩(矿)石之间存在导电差异,如表3-1所示。影响着人工电场的分布形态。矿井音频电透视法就是利用专门的仪器在井下观测人工场源的分布规律来达到解决地质问题的目的。
表3-1 一般煤系地层常见岩石电阻率值
3.2 地电模型及点源场的分布特征
    与地面电法不同的是:矿井音频电透视法以全空间电场分布理论为基础。
对于均匀全空间,点电源产生的电场分布特征,可用如下关系式表达:
式中:Um—电位;I—供电电流强度A;
Em—电场强度; jm—电流密度 ;
ρ—均匀空间介质电阻率/Ω.m;
R—观测点M到点电源A的距离/m。
    煤矿煤层与其顶、底板(以粉、细、中砂岩为主)具有明显的电性差异。而煤层相对其顶、底板为高阻层,可用图3-2所示的三层地电模型来模拟上述电性组合特征。

图3-2 井下三层地电模型示意图
根据镜像法,可以求出全空间内任意点的电位表达式为:
式中:Ui,j为第i层的A点源在第j层的电位;ρi为第i层的电阻率值; 为反射系数函数;L为供电点至观测点的距离。
3.3 含水构造对点源场的电位影响
含水构造可以模拟为局部地质体,如图3-3.c所示。


图3-3 含水构造的模拟及电位异常反映特征示意图
    对于井下局部地质体的附加场,可用导电球来说明问题。即电流场中导体的异常可以近似地看作电偶极子的异常。其表达式为:
由于r1>>1,r2>>1,故r1-r2≈lcosθ,r1·r2≈r2,上式变为:
在直角坐标系中,偶极场的电位分布关系式为:
则低阻良导体产生一个负电位,如图3-3.a所示。对于井下近似三层地电模型来说,其点源场电位表达式为:
U=U0+Un (12)
    式中:U0为无局部地质体时的电位分布;Un为局部地质体的异常场。
    根据(7)式、(12)式可以看出异常曲线(U/U0)是以点源A与地质体连线或其延线为对称轴的轴对称曲线,如图3-3.b所示。异常幅度、宽度与异常体的大小、异常体与围岩的电性差异及距收发面的距离等有关。异常体规模(体积与含水强弱的综合反映)越大、与围岩的电性差异越大、距收、发面距离越小,异常幅度就越大;反之则越小。图3-3.c为地板下存在含水体与不含局部水体等两种条件下电位测量曲线的比较示意图。
4 测点布置与工作量、技术措施与质量评述
4.1 测点布置与工作量
    在原设计中,物探测点以11204工作面两顺槽与切眼的拐点为起点分别在回风巷、进风巷编点,用皮尺量距,以10m为点距编号,在每两个测点中间标记。
    11204回风巷以切眼拐点为0#点,往退尺方向编至235#点;11204进风巷以切眼拐点为0#点,往退尺方向编至235#点。物探测点与测量导线点联系、校对。
4.1.1 电测深测点布置与工作量
    11204工作面两巷底板水害进行探查时,采用高分辨电法。现场施工时,电极布置在测试巷道底板,工作面走向长度达2350m。工作面上、下两巷共需布置20站测线,每站探测315m,两测站之间重叠70m,上、下两巷道分别各布置10个测站,工作量共计4700m。其中每测站布置64个电极,电极间距5m,控制测线长315m。现场测线布置如附图1。
    矿井直流电法设计总工作量为1000个物理点。实际探测时,测点布置方案与设计一致,其中11204进风巷标点为471个点、回风巷标点471个,共计942个坐标点。
    工作量统计如表4-1所示:
表4-1 工作量统计表(物理点:个)
    从表中可看出,矿井音频电透视实际完成总工作量为946个物理点,其中,进风巷切眼处水太深无法完成施工,与矿上协商完后距切眼处255后面探测,完成了设计要求的工作量。
4.1.2 矿井音频电透测点布置与工作量
    设计发射点的间距为50m,接收点距10m。探测控制11204工作面走向长度约2350m。
    矿井音频电透视设计总工作量为1010个物理点。实际探测时,测点布置方案与设计一致,其中11204进风巷标点为236个点、回风巷标点236个,共计472个坐标点。
    测点与导线点的对应关系如表4-1所示。测网密度为:接收点距10m、供电点距50m,针对每个供电点,在另一巷道与之对称点附近一定区段进行扇形扫描接收(如图4-1所示)。
 
图4-1 矿井音频电透视施工布置图
    本次物探工作在11204工作面回风巷、进风巷分别布置发射点48个、48个,共计96个发射点。每个发射点一般对应1734个接收点。
    为了探测该区段顶板上不同深度的水文地质状况,矿井音频电透视施工时采用F=128Hz、16Hz两个频点依次测试。
    工作量统计如表4-2所示:
表4-2 工作量统计表(物理点:个)
    从表中可看出,矿井音频电透视实际完成总工作量为1005个物理点,完成了设计要求的工作量。详细情况如附图4所示。
4.2 井下施工条件及采取的技术措施与质量评述
矿井直流电法
    高分辨电测深是分别在两顺槽内单独施工,每5m一个极距,两巷各测线长2350m,合计4700m。采用电测深三级装置施工时,MN应布置在顺槽底板上,连线与顺槽走向平行。
    电极(特别是MN电极)应尽可能打在坚实层位上,并尽可能避开积水、淋水地段,以避免极化不稳定等现象发生;实在无法避开上述异常地段时,应做详细记录,以便资料解释时参照。
    电极离开铁轨0.5m以上,同时避免与顺槽内放置的金属物相近或是接触。
    物探采集数据时,应避免皮带或其它设备工作,特别在工作面斜长较大,增大供电电流受限制的时候,更应如此。
矿井音频电透
    井下物探施工时,机巷、风巷均有排水管、供电电缆,但因物探使用低频工作,这些因素对物探信号影响较小。
    两巷道内个别低洼地段巷道底板积水,积水作为良导电体,容易造成发射信号非点电源、接收信号短路。因此探测时,供电点位置避开水体,实在避不开时,应将供电电极往侧帮上方移动;接收电极MN分别布置在上下两邦上,其连线应垂直顺槽走向。
    巷道侧帮都有金属锚网,探测中特别注意保证电极不与金属网接触。探测中遇见侧帮煤壁松动圈时,特别注意保证电极(特别是MN电极)打在坚实层位上,并尽可能避开积水、淋水地段,避免极化不稳等现象发生。
原始资料质量评述:
    为保证原始资料质量,施工严格执行《煤炭电法勘探规范》(MT/T 898-2000)。当现场遇积水、淋水等地段应注意避开或侧面加密。
5 资料处理与解释原则
    (1)直流电测深数据处理:电测深数据处理时,分别对11204工作面进风巷、回风巷内WBD所采集的电法原始数据进行三极装置解编,然后以双巷与工作面切眼的交点为坐标原点,分别对5个测站的数据进行合成,代入软件进行测深反演,并用Surfer软件形成单巷数据的反演电阻率拟断面等值线图,以便进行电性分析与解释。
    (2)矿井音频电透资料处理与解释方法有人工交汇法与CT成像法两种。现在一般都用CT成像方法解释。
矿井直流电测深
    本项工程矿井直流测深提交成果图件2幅:
    附图2为11204工作面回风巷底板0~80m层段三极测深反演电阻率拟断面图;
    附图3为11204工作面进风巷底板0~80m层段三极测深反演电阻率拟断面图。(1)从附图2中0~2360m总体电阻率分布来看,仅局部存在相对低阻区,根据电法勘探的一般解释原则,并结合测深断面内数据的统计学分析,根据电阻率差异,从附图2中圈定5处低阻异常区,分别为GH-1、GH-2、GH-3、GH-4和GH-5。具体情况分析见表6-1。
表6-1 11204工作面回风巷直流电测深电性异常分析表
    (2)从附图3中255~2360m总体电阻率分布来看,相比11204工作面回风巷,进风巷道底板岩层电阻率值相对偏高,仅局部存在相对低阻区,以电阻率差异确定11204工作面进风巷底板存在5处低阻异常区,分别为GJ-1、GJ-2、GJ-3、GJ-4和GJ-5。具体分布情况见表6-2。
表6-2 11204工作面进风巷直流电测深电性异常分析表
矿井音频电透
    本项工程矿井音频电透提交成果图件3幅:
    附图4为11204工作面音频电透视测网示意图;附图5为14104工作面底板下0~40m层段岩层综合视电导率平面图;附图6为14104工作面底板下40~80m层段岩层综合视电导率平面图。
    一般而言,在地层岩性切向相对均一的条件下,同一频率建立的电场所获得的视电导率值越高,说明地层的综合导电性越好,含水也就越丰富。为此,按照频率域电场理论及实际探测经验,判定工作频率为128Hz视电导率勘探结果的有效勘探深度为40m,即对应0~40m岩层段;16Hz视电导率勘探结果的有效勘探深度范围为40~80m岩层段。
表6-3 11204工作面底板音频电透视探测电性异常分析表
    为确定不同深度岩层的电性异常区域,按照上节的统计解释原则,获得:
    (1)11204工作面底板下0~40m层段岩层的视电导率值在35~60S/m间变化,该岩层段的异常阈值为47.8S/m;
    (2)11204工作面底板下40~80m层段岩层视电导率值在16~23S/m间变化,该岩层段的异常阈值为19.5S/m;
    按照上述异常阈值标准,对比分析0~40m和40~80m层段的视电导率分布特征,确定11204工作面底板存在6个异常区,分别为Y-1、Y-2、Y-3、Y-4、Y-5和Y-6,各异常区具体分布情况见表4-3。
就该6个电性异常区予以分析与综合评价:见表6-3 11204工作面底板音频电透视探测电性异常分析表。
7 结论及建议
7.1 探测结论
    从以上分析,获得如下探测结论:
    (1)从直流电测深结果分析,确定11204工作面回风巷道底板存在5处低视电阻率异常,分别为GH-1、GH-2、GH-3、GH-4和GH-5(见表6-1);
    进风巷底板存在5处低视电阻率异常区,分别为GJ-1、GJ-2、GJ-3、GJ-4和GJ-5(具体情况见表6-2);音频电透视法测试结果分析确定工作面底板存在6处低阻异常,分别为Y-1、Y-2、Y-3、Y-4、Y-5和Y-6(见表6-3);
其中,直流电测深异常特征可视为工作面双巷底板岩层电性的垂向异常分布特征,音频电透视异常特征可认为工作面内底板电性异常的平面分布特征,两者在工作面走向上分布有交叉且在含水特征上有所差异,联合解释为:
1)GH-1、GJ-1和GH-2代表了Y-1异常区在回风巷道底板岩层电性的垂向分布特征;
2)GJ-2代表Y-3在进风巷道底板岩层电性的垂向分布特征;
3)GH-4代表Y-4在回风巷道底板岩层电性的垂向分布特征;
4)GH-5和GJ-4代表Y-5在回风巷道底板岩层电性的垂向分布特征;
5)GJ-5代表Y-6在回风巷道底板岩层电性的垂向分布特征。
(2)以上划分的视电阻率异常区为相对含水区。
(3)根据联合解释,并以平面异常分布范围加以描述,认为上述异常区中Y-1、Y-3、Y-4、Y-5和Y-6为11204工作面防治水重点区段。
7.2 建议
    (1)根据视电导率值大小、分布形态,结合已有的地质资料及水文地质资料等综合考虑,本次物探测试获得的1~6号异常区,其中Y-1、Y-3、Y-4、Y-5和Y-6号异常为重点防治水区域。针对以上各异常区,应积极采取钻孔探放水措施。
    考虑到工作面回采、煤层倾向于进风巷一侧等各种因素,应首先施工相对较强富水区及先回采块段部分,钻孔施工首先应选择进风巷异常明显的位置,本次施工顺序可按如下顺序考虑:Y-6、Y-5、Y-4、Y-3。
    4个异常区域钻孔出水量相对较小,则该工作面底板总体富水性弱;若4个防治水区域钻孔均有较大涌水量,则需要进一步探测回风巷Y-1异常,具体钻孔探放水设计需严格遵循《煤矿防治水规定》;
    (2)以上探测结论是根据电法探测资料的实际反映并结合有关水文地质资料分析而来。由于井下电法探测深度的限制,实际上成果资料反映的水文地质信息仅局限于一定深度(或高度)范围内地层的水文条件。
    而矿井涌水的变化不仅受井下电法涉及区域地层的水文地质条件,还与测区外的含水构造的发育、连通情况、补给源、水头压力及煤层厚度、采煤方法、回采速度等诸多因素相关。
    随着上述因素的不同变化,涌水量、涌水位置、时间也会在一定程度上变化。因此建议有关技术部门在回采前加强异常区探放水及治理工作;回采期间加强水文观测及资料收集工作,发现异常及时反馈给有关主管部门,以便及时采取防治水技术措施,确保生产安全。
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