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山东某矿3412运输巷(L12+73m)迎头超前物探成果报告
新闻作者:福州华虹智能科技股份有限公司 周凯  发布时间:2018-04-10  查看次数:  放大 缩小 默认
前 言
    受山东某矿的委托,使用YCS512本安型探水仪对3412运输巷迎头进行矿井瞬变电磁探测,调查迎头掘进前方的富水情况、构造发育情况为巷道安全掘进工作提供技术依据。
    福州华虹智能科技股份有限公司根据确定的勘探任务及要求,于2017年12月1日进行了井下数据采集工作,完成资料处理和解释工作,并提交勘探成果报告。
一、地质概况与任务
1.1 地质概况
    3412运输巷位于34采区南翼,开采下二叠统山西组3上煤层。3上311运输巷长1052m,工作面倾斜长234m。工作面位于3煤分叉线外,面内煤层结构简单,无夹矸。3上煤厚度平均6.0m。工作面可采面积222434m²,工业储量181.5万吨,可采储量145.2万吨,工作面煤层底板标高-538.4~-673.2m。地面位置:地表位于独山湖里,马口庄台以西约4000m,湖底标高+31.95~+33.05m,地表无建筑物等设施,地表水与井下水无水力联系。井下位置:北为-650轨道下山、-650胶带下山及34采区轨道下山上车场,东为未开采区(再向东为3406工作面),南为F29断层、F54-9断层及3(3上)煤隐伏露头,西为未开采区。3上煤直接顶为泥岩或砂质泥岩,厚度为0.0~2.2m,平均1.5m。砂质泥岩厚度为3.0~3.5m,平均3.3m。
    基本顶为粉砂岩,厚度为4.0~5.9m,平均5.0m。在该区段内,侏罗系底部砾岩下距3上煤层15~91.5m,南部(切眼附近)距离风氧化带约360m,自开门点处向南至切眼方向侏罗系底部砾岩与3上煤层间距逐渐变小。3上煤直接底为泥岩,深灰色,中厚层状,泥质结构,平坦状断口,产植物化石,具滑面。厚度为2.3~2.5m,平均2.4m。基本底为细砂岩。厚度为7.5~17.4m,平均13.0m。
    根据各含水层的赋存特征,影响工作面正常掘进的含水层有3上煤顶、底板砂岩含水层和上侏罗统一段砂砾岩含水层。
    3上煤顶、底板砂岩含水层(合称3砂):是3煤层开采直接充水含水层,预计顶板砂岩在该区域内厚11~25.8m,平均18.4m;3上煤底板砂岩在该区域内厚7.5~17.4m,平均13.0m,自切眼往外沿推采方向逐渐变厚。单位涌水量0.0116~0.0948L/s.m,渗透系数0.041~3.8m/d,属弱富水裂隙承压含水层。邻近的-650轨道下山、-650胶带下山等开拓巷道掘进期间,顶板有约3m³/h的淋水,淋水区域较广。预计掘进期间巷道顶板会有少量淋水。
    上侏罗统一段砂砾岩含水层:工作面区域内3上煤层上距侏罗系底界15~91.5m,靠近切眼区域间距较小,随工作面的推采,间距逐渐增大。上侏罗统一段砂砾岩厚约24.9m,单位涌水量0.00708~0.815L/s.m,渗透系数0.085~3.8m/ d,赋水性弱~中等。该含水层以静储量为主,裂隙连通性和补给条件均较差。掘进期间,当揭露落差较大断层或揭露该含水层时,可能有少量涌水,正常情况下无影响。该含水层是3上煤层掘进的主要充水含水层。
    该巷道掘进期间预计揭露断层4条,其中落差较大的断层为F29断层,落差0~100m,对盘层位于三灰与12下煤层之间、无强含水层。该断层落差大,在本井田没有揭露过,其导水性不清,巷道揭露DF29断层附近,有DF50(∠70°H=0-12m)、DF48(∠70°H=0-15m)、F54-9断层交汇,岩石破碎,裂隙发育,可能伴生有次级小断层,充填程度较差,易形成相对富水区。
1.2 探测任务
    3412运输巷迎头位置(L12+73m)距离三维地震解释断层F29还有146m,F29断层落差较大,存在提前揭露的情况,且此段受3煤顶底板砂岩含水层威胁,为确保巷道的安全掘进,贯彻“预测预报,有疑必探,先探后掘,先治后采”的防治水原则,对掘进迎头进行富水性情况探测。
    本次在3412运输巷采用矿井瞬变电磁法探测迎头前方的富水情况情况。

图1-1 3412运输巷迎头探测的位置图
(图中红色标注位置)
 
二、瞬变电磁法基本原理及现场施工
2.1 探测地球物理条件
    由于煤系地层的沉积序列比较清晰,在原生地层状态下,导电性特征在纵向上有其固定的变化规律,而在横向上相对比较均一;在同一个岩层内,电性分布相对均一(层内均一性);不同岩层组合,其垂向电性分布和变化是有序的且与岩性组合顺序相对应(垂向规律有序性)。不同岩性的导电性一般存在明显差异,一般而言泥岩、页岩、粉砂岩、中粗砂岩、灰岩的电阻率是依次增高的,烟煤的电阻率通常很大,常以明显的高阻异常区别于顶底板岩层(如泥岩、砂岩等);该测区内岩层电性变化的一般规律为:煤层电阻率值相对较高(250-300Ω•m)、砂岩次之(50-100Ω•m)、粘土岩类最低(20-30Ω•m)。即泥岩、细砂岩、粗砂岩等与煤层的导电性差异明显。
    当存在煤层采空区(积水或不积水)及岩层岩溶、裂隙、断层破碎带等构造(即地质异常体)时,地质异常体及其附近导电性分布将发生明显变化(物性异常);如果构造内不含水,则其导电性较差,使局部电阻率值增高;如果构造含水,由于矿井水的矿化度较高(实测地下水矿化度8.13~20.13g/L),因其导电良好,相当于存在局部低电阻率值地质体。岩层或煤层的富水情况将决定其电阻率的高低情况。
    据此,通过瞬变电磁测深法探测煤层上方岩层电阻率及其变化,可以判定岩层的结构状态和富水性,可以判断采空区、断层等构造分布及富水情况,这是本次瞬变电磁法探测岩层富水性的物理前提。
2.2 方法原理
    瞬变电磁法或称时间域电磁法(Timedomain electro magnetic methods),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电磁场,在一次脉冲电磁场间歇期间,利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是:于地面或井下设置通以一定波形电流的发射线圈,从而在其周围空间产生一次磁场,并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后,感应电流由于热损耗而随时间衰减。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,趋肤深度小;而晚期成分则相当于频率域中的低频成分,衰减慢,趋肤深度大。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。

图2-1 瞬变电磁法工作原理示意图                                     图2-2 瞬变电磁场的烟圈效应
    在电导率为σ、磁导率为μ0的均匀各向同性大地表面铺设面积为S的矩形发射回线,在回线中供以阶跃脉冲电流I(t),其中:
(1)
    在电流断开之前,发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场。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。一次磁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,使空间的磁场不会即刻消失。由于介质的热损耗,直到将磁场能量消耗完毕为止。
    由于电磁场在空气中传播的速度比在导电介质中传播的速度大得多,当一次电流断开时,一次磁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,其强度也渐减弱,分布也趋于均匀。研究结果表明,任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场。在发射电流刚关断时,该环状线电流紧挨发射回线,与发射回线具有相同的形状。随着时间推移,该电流环向下、向外扩散,并逐渐变形为圆形电流环。等效电流环像是从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”,因此,人们将涡旋电流向上、下和向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”(如图2-2所示)。
    “烟圈”的半径r、深度d的表达式分别为:

    式中a为发射线圈半径,    。当发射线圈半径相对于“烟圈”半径很小时,可得

,故“烟圈”将沿47°倾斜锥面扩散,其向下传播的速度为:

    从“烟圈效应”的观点看,早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的,反映浅部电性分布;晚期瞬变电磁场随时间的变化规律,可以探测大地电性的垂向变化。矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电法一样,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。地面瞬变电磁法为半空间瞬变响应,这种瞬变响应完全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。
2.3 现场施工布置
    本次进行的井下探测项目总体依据以下思路进行工作:前期资料收集——明确探测任务——方案设计——施工——数据处理——成果图初步分析——结合矿井地质及水文地质资料进行综合评价——提供应用报告。
    本次探测于2017年12月1日进行,根据探测任务和现场施工条件,3412运输巷迎头瞬变电磁法超前探测各布置顶板斜上60°、顶板斜上30°、顺巷道掘进方向、底板斜下45°四条测线,具体布置如下图所示。
图2-4 迎头横向测线布置示意图                             图2-5 迎头横向测线单个测点布置示意图
2.4 现场探测条件
    现场探测条件:本次探测地点在3412运输巷迎头(L12+73m),探测条件如下:顶板、左右帮为锚杆网,底板有大量矸石,迎头靠左有一钻孔出水,水量在3-4m³/h,迎头后退8m有综掘机。
三、数据处理与结果解释
3.1 瞬变电磁数据处理
    YCS512矿用本安型探水仪采集的原始数据为电压对电流的对数值。将数据室内回放,原始数据打开后呈现如图3-1所示的两部分曲线,纵坐标表示某个测点的实测V/I值,从上到下依次为1~80道,0、E-1、……、E-6分别表示值为0、0.1、……、1000000,以对数方式显示,单位为“微伏/安培”;横坐标表示该记录的若干个测点记录,即实际采集了多少个采样点;“x=**”表示第几个测点记录,“y=**”表示该测点的实测V/I值。下半部分的曲线为选中曲线测道显示,其中“x=**”表示上半部分x表示测点的测道显示。

图2-6 剖面曲线显示
 
    从这个图上可以简单的分析出测区的电性大致分布趋势,峰值越大表示该区域地下的导电性较好,视电阻率就越趋于小相对显示低阻异常。这是在后续的数据处理及异常区判断一个根据。软件处理主要流程为:数据上传格式转换数据滤波处理计算晚期视电阻率时深转换结果成图。
3.2 瞬变电磁处理结果
    附图1为3412运输巷迎头超前瞬变电磁横向剖面探测成果。看见顶板60°方向、顶板30°方向、顺层、底板45°方向的视电阻率综合拟断面图。其中顶板60°方向、顶板30°方向主要反映顶板方向的电性反映。其底板45°方向主要反映了顶板方向的电性反映。
    从顶板两个方向视电阻率综合拟断面图可知,存在2个低阻异常区YC1、YC2。具体位置在,YC1横坐标-80m~-20m,纵坐标20m~75m范围内;YC2横坐标-50m~40m,纵坐标40m~80m范围内,分析为受顶板砂岩含水层影响,推测富水性较弱。从顺层方向视电阻率综合拟断面图可看出,存在一个低阻异常区YC3,横坐标-60m~-20m,纵坐标32m~78m范围内,受顶板砂岩含水层影响,推测富水性较弱。
    从底板45°方向视电阻率综合拟断面图可知,底板整体无明显低阻异常,推测底板大面积富水的可能性较小。
四、结论及建议
4.1 结论
    3412运输巷迎头(L12+73m)前方顶板方向及顺层存在低阻异常,YC1在顶板60°方向,横坐标-80m~-20m,纵坐标20m~75m范围内,分析受顶板砂岩含水层影响;YC2在顶板30°方向,横坐标-50m~40m,纵坐标40m~80m范围内,分析为受顶板砂岩含水层影响;YC3在顺层方向,横坐标-60m~-20m,纵坐标32m~78m范围内,受顶板砂岩含水层影响。
4.2 建议
    (1)物探资料不能作为安全掘进的唯一依据,要结合钻探资料进行综合分析,建议矿方针对物探异常区,进行打钻验证。
    (2)随时收集巷道揭露资料,水文地质资料,有任何水文异常情况,及时向我们反馈,根据实际情况,再次对数据进行处理,为后方安全掘进提供相对准确的结果。
    (3)由于本区域构造较发育,因此在巷道掘进过程中提前做好对构造的预测预报工作,密切关注构造导水情况。
附图1 3412运输巷迎头瞬变电磁横向剖面探测成果图




 
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