中国矿井物探网 - 物探技术 - 音频电透视和瞬变电磁在工作面顶板富水性探测中的综合应用

			设为首页 \| 收藏本站 \| 内部员工系统

您现在的位置：首页 > 物探技术 > 综合物探技术 > 信息内容

我要注册忘记密码？

中国矿井物探网 - 物探技术 - 音频电透视和瞬变电磁在工作面顶板富水性探测中的综合应用

音频电透视和瞬变电磁在工作面顶板富水性探测中的综合应用

摘要：音频电透视法和瞬变电磁法是目前井下工作面顶底板富水性探测的两种常用方法。本文以探测甘肃某矿4502工作面顶板120米内相对低阻异常区情况为例，通过实例分析并证明了这两种方法在实际探测中可以相互结合，更好地指导煤矿防治水工作。
关键词：音频电透，瞬变电磁，富水性，防治水
0 引言
为了进一步做好矿井防治水工作，确保工作面安全、高效回采，根据《煤矿防治水细则》(2018版)第三十九条：“严格执行井下探放水‘两探’要求，采掘工作面超前探放水应当采用物探、钻探两种方法，做到互相验证，查清采掘工作面及周边老空水、含水层富水性以及地质构造等情况”。受矿方的委托，福州华虹智能科技股份有限公司采用音频电透视法和瞬变电磁法探测对4502工作面顶板120m范围的富水性进行探查，为工作面安全回采提供可靠的物探资料。
1 工程概况及探测任务
1.1 项目概况
施工地点为4502工作面，采用音频电透视法和瞬变电磁法对4502工作面顶板120m范围的富水性进行探查。
1.2 探测任务
根据地质情况与任务要求，本次采用音频电透视法和瞬变电磁法，勘探范围为4502工作面，并确定勘探任务：对4502工作面顶板120m范围的富水性进行探查。
2 地质概况
2.1 井上下位置及四邻关系
对应地表为村庄，有居民居住，区内主要以山坡、梯田为主，地表河流(区域内河长180m,平均流量80m³/h,属季节性河流)、矿区公路从上部通过，掘进时无影响，4502工作面回采时对居民有一定的影响，需搬迁。
4502掘进工作面西部为井田边界，东部为4501工作面，与四采区三条大巷(770辅助运输大巷、四采区运输大巷、四采区回风大巷)相邻，与810运输上山、四采区一区段运输联络巷相通，南部未采动，北部为3511采空区。4502工作面井下位置平面图如下：

图2-1 4502工作面井下位置平面图

2.2 煤层及顶底板
4502上顺槽所在煤5-1层平均厚度为7m(5.8～8.2m)，下顺槽所在煤5-1层平均厚度为7.2m(6.2～8.2m)，受安口-新窑向斜影响，煤层产状要素发生变化，上顺槽开口向里640m段煤层走向为123°，倾向为213°，倾角为7°(6～8°)，剩余507m段煤层走向为175°，倾向为265°，倾角为11°(8～14°)下顺槽开口向里530m段煤层走向为135°，倾向为225°，倾角为5°(4～6°)，剩余725m段煤层走向为167°，倾向为257°，倾角为12°(6～18°)，煤5-1层具有沥青暗淡光泽，块状和粉末状，性脆易碎等特点，属于低灰、特低硫、中高挥发分、中热值低煤化度的不粘煤，赋存稳定，普氏硬度系数为2～3，局部含0.1m夹矸，对工作面的掘进无影响。

表2-1 煤层顶底板信息表

2.3 地质构造
4502掘进工作面两顺槽煤层赋存稳定，除斜穿全井田的向斜轴轴部从上顺槽开口向里650m、下顺槽开口向里355m通过外，再无其它大的断层等地质构造。该向斜造成其轴部附近区域煤层破碎，松软易垮落。
2.4 水文地质概况
(一)3511采空区积水情况分析：
位于4502工作面相邻的3511采空区内聚集有大量老空水，但在掘进过程中进行了探放，累计放水量3.4万m³，并布置了验证钻孔，根据涌水量观测成果，钻孔涌水量小于1m³/h，因此3511采空区积水对工作面回采无影响
(二)4502工作面顶部含水层情况分析：
第一含水层即第四系全新统(Q41apl)砂砾石层孔隙潜水含水层、第二含水层即上第三系甘肃群(Ngn)或下白垩统志丹群第二组(K1zh2)基岩表层风化裂隙潜水含水层与所开采的煤5-1层间距大，且有良好的隔水层相隔，对工作面回采无影响。
第三含水层即下白垩统志丹群第一组砾岩、砂砾岩孔隙裂隙承压含水层，井田内普遍分布，含水层平均厚度为212m(198-226m)，距4502工作面煤5层顶板平均间距为102.5m(86-119m)；据《煤矿防治水细则解读》提出综放开采“两带”高度计算得出最大导水裂隙带高度为108.2m，切眼位置向外180m范围内回采时可能导通第三含水层，第三含水层砂砾岩孔隙裂隙水会沿回采所形成的裂隙流入工作面，对工作面回采造成一定的影响。
第四含水层即中侏罗统延安组中部(煤4顶板以上)砂岩复合承压含水层，该含水层具有较高的承压水头，工作面开采后构成直接充水含水层，但该含水层含水性弱，补给条件差，渗入巷道的流量非常有限，故对工作面回采无较大影响。
(三)4502工作面底板含水层情况分析：
4502工作面底板含水层即中侏罗统延安组下部煤6-2底板以下-上三叠统延长群上部砂岩孔隙、裂隙承压复合含水层，该含水层补给、裂隙发育程度差为弱含水层，且有良好的隔水层相隔，对工作面回采无影响。
3 音频电透视、瞬变电磁探测观测系统
3.1 音频电透视观测系统布置
本次采用音频电透视法技术探测，采用单-偶极观测装置，其中MN间距2m，垂直巷道走向观测。如图3-1所示。发射点间距为50m，每个发射点均在对应巷道进行16-48点扇形扫描接收。在井下施工时，可以根据巷道具体情况、施工中测量发现异常情况及对巷道已揭露断层区域的充分控制，适当调整发射点位和接收范围。设计本次物探工作在材料巷、运输巷发射点各8个，两侧共16个发射点。每个发射点一般对应16-48个接收点(工作面两端发射点除外)，保证每个测点单频覆盖5次以上，并与井下可见的测量导线点取得联系、进行校对，观测系统示意图如图3-2。

a. 轴向单极——偶极法 b. 井下电穿透测量方式
图3-1 矿井电透视穿透法施工布置图

图3-2 音频电透观测系统示意图

3.2 瞬变电磁探测观测系统布置
本次瞬变电磁探测所用观测系统为：在工作面两条顺槽和切眼中每隔10m布置一个观测点，每个观测点采集4个方向的数据，共计采集数据992组。

图3-3 瞬变电磁观测系统示意图

3.3 数据质量评价及技术保障体系
为了保证原始数据采集质量，在生产中采取一系列的技术保证措施：
1)超高密度电法探测、瞬变电磁探测工作按照《煤矿安全规程》有关规定执行。
2)详细了解探测任务，并根据探测任务，备齐仪器、器材。
3)探测过程中，要使仪器尽量远离水、尘等，保证仪器工作正常，探测资料准确，严格按照仪器使用说明书有关规定执行。
4)发射接收电极和探测线圈要严格按照施工设计方案的角度摆放，尽量远离金属、机电设备等，使探测资料准确可靠。
5)布置工作之前收集测区的巷道布置情况和地质资料。
6)确保测点位置记录准确无误。
7)遵循电磁法探测应避免布置在强干扰源、强磁场及金属的地域的原则。
8)原始记录整齐、规范。
9)按试验结果确定的参数选择仪器因素，保证仪器正常运行，仪器班报填写齐全、清晰，特别是记录周围存在干扰情况。
10)接收值波动异常时，进行重复观测。
3.4 地球物理特征
不同岩性的地层的导电性有明显的差异，工作面富水区范围和煤层变薄区等与正常煤层间也存在明显的电性差异。地层在原生状态下，其导电性特征在纵向上有其固有的变化规律，而在横向上相对比较均一。当存在构造破碎带时，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，由于含水体具良好导电性，它与围岩产生明显的电性差异，其导电性较好。一旦存在断层等含水地质构造，都将打破地层原有的电性分布规律。
工作面内及煤层顶底板岩层内的富水区，通常表现为低电阻率异常。工作面内的较大落差断层(>1/2煤厚)，在断层两侧常存在煤层变薄现象，电阻率相对变低；而厚层煤区则表现为相对高阻。因此，富水区范围和煤层变薄区等与正常煤层间存在明显的电性差异，可以进行电法探测来探查相关问题。从电性上分析，不同岩性的地层其一般规律为：灰岩、煤层电阻率值相对较高、砂岩次之、粘土岩类最低。即泥岩、粘土岩、粉砂岩等与灰岩、煤层的导电性差异明显。
地层在原生状态下，其导电性特征在纵向上有其固有的变化规律，而在横向上相对比较均一。当存在构造破碎带时，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，由于含水体具良好导电性，它与围岩产生明显的电性差异，导电性较好。本次探测工作所在的4502工作面内当裂隙导水时，导电性会明显增强。
综上所述，4502工作面的地质条件基本具备音频电透视和瞬变电磁探测的地球物理基础。
4 物探成果及地质解释
经过上述处理得出物探成果图件，将物探成果和已知的地质资料相结合，按从已知到未知，从点到线，由线到面，由浅入深的原则进行综合分析得出地质结论。
4.1 音频电透成果

图4-1 4502工作面相对视复电导率拟断面图

图4-1为4502工作面音频电透视探测相对视复电导率拟断面图。图中的参数为三个不同深度层段平行于煤层底板的曲面附近地层的视复电导率值。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视复电导率勘探结果的有效勘探深度为25m，即对应工作面顶板上0～25m岩层段；16Hz视复电导率勘探结果的有效勘探深度范围为25～50m岩层段；8Hz视复电导率勘探结果的有效勘探深度范围为50～75 m岩层段。
为确定不同深度岩层的电性异常区域，按照统计解释原则，获得：
1)0～75m范围内整体视复电导率较低、电阻率较高，富水性较弱；
2)0～25 m岩层段、为25～50 m岩层段、50～75 m岩层段均发育有DTYC1#、DTYC2#异常区，表现为局部轻微视复电导率相对增大。
4.2 瞬变电磁成果
本次瞬变电磁探测数据处理采用YCS512矿用本安型探水仪配套的YCS512 3.2.0.0处理系统，其处理主要流程为：数据上传—格式转换—测线编辑—参数校正—计算视电阻率—正反演计算—视电阻率等值线结果成图。经上述数据处理过程，获得瞬变电磁视电阻率剖面结果，图中不同的颜色代表不同的视电阻率值，颜色由冷色调到暖色调(深蓝色→浅蓝色→绿色→黄色→红色)说明阻值从小变大的趋势，其中蓝绿色区域代表相对低阻异常区域，结合这个原则进行如下分析：
图4-2为4502工作面顶部20～120m水平视电阻等值线图，通过图中可以看出20～60m范围未发现明显低阻异常区，在90m、100m、110m、120m视电阻率等值线图中均存在SBYC1#相对低阻异常区发育，且自90m到120m方向，分布范围有所增加、视电阻率值有所降低，同时，110m、120m视电阻率等值线图中均存在SBYC2#相对低阻异常区发育，且自110m到120m方向，分布范围有所增加、视电阻率值有所降低，该异常区范围相比SBYC1#略小，120m视电阻率等值线图中存在SBYC3#相对低阻异常区发育，该异常区范围相比 SBYC1#和SBYC2#略小。

图4-2 4502工作面顶部20～120m水平视电阻等值线图

5 结论及建议
5.1 探测结论
根据4502工作面顶板音频电透视勘探、瞬变电磁勘探成果及现场收集的地质资料综合分析，得出如下结论：
1)通过音频电透视成果可以看出，4502工作面顶部0～75m范围内整体视复电导率较低、电阻率较高，同时，瞬变电磁在该范围也未表现出明显低阻异常区，故该区域范围富水性较弱，有局部轻微视复电导率相对增大的裂隙水，具体表现为DTYC1#、DTYC2#异常区。
2)通过瞬变电磁勘探成果可以看出，4502工作面顶部60m到90m区间开始从相对高阻区过渡到相对低阻区，开始出现富水情况，且在90m、100m、110m、120m视电阻率等值线图中均存在SBYC1#相对低阻异常区发育，且自90m到120m方向，分布范围有所增加、视电阻率值有所降低，为勘探区的主要富水区域，富水性较强。此外，110m、120m视电阻率等值线图中均存在SBYC2#相对低阻异常区发育，且自110m到120m方向，分布范围有所增加、视电阻率值有所降低，具有富水性，富水性较弱，该范围相比SBYC1#略小，120m方向存在SBYC3#相对低阻异常区发育，具有富水性，富水性较弱。
3)地下水体赋存具有动态性，特别是受采动等影响，导致煤岩体应力结构破坏，裂隙通道发育，进而发生导通，本次电透勘探成果表明4502工作面顶部含水层具有一定富水性，后期采动过程可能会造成底板整体裂隙发育丰富，进而大量导水。
5.2 建议
(1)相对低阻区域划分的主要依据是视电阻率值的高低，但引起视电阻率变化的因素是多样的，因此，所划分的富水异常区仅是视电阻率变化的反映，异常区的实际富水情况还需结合钻探验证。
(2)工作面开采过程中需加强现场观测，矿方对探测的低阻区域结合水文地质情况与物探结果综合分析，跟踪探查、加强预判、进一步验证为工作面的安全回采提供有效技术参数。
(3)回采过程中加强地质编录及水文观测，并及时反馈给我方，以便后续对勘探资料进行二次解释，合理选取技术参数，通过不断的探采对比，提高探测精度。
(4)本报告中未尽事宜请遵照《煤矿安全规程》和《煤矿防治水细则》执行。
6 验证情况
4502工作面顶板截止到目前共设计钻孔11个，其中完工3个，剩余8个正在施工中，完工的3个钻孔中1#钻孔位于切眼SBYC1#异常区，打钻至93米时出水，出水量稳定在60m³每小时，2#钻孔位于下巷靠近切眼的SBYC1#异常区附近，打钻至110米时出水，出水量稳定在5m³每小时，3#钻孔位于上巷靠近切眼的SBYC1#异常区附近，打钻至110米时出水，出水量由3.5m³每小时逐渐减小，3天后水量为0，现已封孔。打钻验证情况与物探结果吻合度高。
7 结语
通过在甘肃某矿4502工作面的探测应用，证明将音频电透和瞬变电磁两种物探相结合可有效提高物探成果的精度，在工作面顶底板水害探测中具有广泛前景，同时，由于各矿地质条件的差异，应用过程中必须设置合理的探测方向，尽可能排查干扰，提高探测结果的准确性，为煤矿工作面的安全高效回采提供有力保障并带来更大的经济效益。
附图1 音频电法透视8hz相对复视电导率拟断面图