顧北1312探水物探成果報(bào)告

1、 淮浙煤電有限責(zé)任公司顧北煤礦分公司 1312(1)面頂板賦水性綜合物探 成果報(bào)告(1) 淮浙煤電有限責(zé)任公司顧北煤礦分公司 安徽惠洲地下災(zāi)害研究設(shè)計(jì)院 2011年5月 工作面頂板水綜合物探探測(cè)成果報(bào)告 項(xiàng)目名稱 顧北煤礦1312(1)工作面頂板賦綜合物探工程 實(shí)施地點(diǎn) 淮浙煤電有限責(zé)任公司顧北煤礦 完成單位 安徽惠洲地下災(zāi)害研究設(shè)計(jì)院 主要完成人 吳榮新 胡雄武 報(bào)告提交單位 安徽惠洲地下災(zāi)害研究設(shè)計(jì)院（簽章） 編 制 胡雄武 審 核 張平松 技術(shù)負(fù)責(zé) 吳榮新 項(xiàng)目負(fù)責(zé) 吳榮新 工作面頂板水綜合物探探測(cè)成果報(bào)告 2 目 錄 1 工程概況 . 3 2 探測(cè)方法原理 . 3 2.1 三維直流電法

2、基本原理 . 3 2.2 礦井瞬變電磁探測(cè)原理 . 4 3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集 . 6 3.1 并行電法現(xiàn)場布置 . 6 3.2 瞬變電磁法探測(cè)布置 . 6 4 探測(cè)結(jié)果分析 . 7 4.1 井下瞬變電磁探測(cè)結(jié)果分析 . 7 4.2 三維并行電法探測(cè)結(jié)果分析 . 8 5 綜合分析 . 10 6 探測(cè)結(jié)論與建議 . 11 6.1 結(jié)論 . 11 6.2 建議 . 11 顧北煤礦1312（1）工作面頂水綜合物探探測(cè)成果報(bào)告 3 1 工程概況 顧北礦1312（1）工作面在掘進(jìn)過程中，頂板常出現(xiàn)較大涌水現(xiàn)象，嚴(yán)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

3、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(cè)頂板富水區(qū)情況。 探測(cè)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(cè)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(duì)富水區(qū)； （3）對(duì)探測(cè)范圍內(nèi)工作面頂板內(nèi)富水區(qū)、導(dǎo)水范圍做出分析評(píng)價(jià)，指導(dǎo)防治頂板水工作。 2 探測(cè)方法原理 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)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(duì)變低；而厚層煤區(qū)則表現(xiàn)為相對(duì)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(jìn)

4、行電法探測(cè)來查明相關(guān)問題。 2.1 三維直流電法基本原理 電法探測(cè)采用網(wǎng)絡(luò)并行電法進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)使用的儀器為并行網(wǎng)絡(luò)電法儀，該儀器的最大優(yōu)勢(shì)在于任一電極供電，可在其余所有電極同時(shí)進(jìn)行電位測(cè)量，可清楚地反映探測(cè)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(cè)在線布置64個(gè)電極，對(duì)于AM法采集時(shí)，任一電極供電時(shí)，其余63個(gè)電極同時(shí)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(dòng)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(luò)并行電法采

5、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(cè)成果報(bào)告 4 mGd? 式中：G為Jacobi矩陣；?d為觀測(cè)數(shù)據(jù)d和正演理論值0d的殘差向量；m?為初始模型m的修改向量。對(duì)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(dǎo)率值，三維反演的觀測(cè)數(shù)據(jù)則是測(cè)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，一般用對(duì)數(shù)來標(biāo)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(dǎo)致過于復(fù)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

6、來困難。Sasaki在最小二乘準(zhǔn)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m?的算法為： dGmCCGGTTT?)(? 其中C是模型光滑矩陣。通過求解Jacobi矩陣G及大型矩陣逆的計(jì)算，來求取各三維網(wǎng)格電性數(shù)據(jù)。 網(wǎng)絡(luò)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(cè)量的同步性，避免了不同時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)的干擾問題。通過在已掘巷道中布置電法測(cè)線，觀測(cè)不同位置不同標(biāo)高的電位變化情況，通過三維電法反演，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。 2.2 礦井瞬變電磁探測(cè)原理 圖2-1 網(wǎng)絡(luò)并行電法采集電位圖 （a）AM法；（b）ABM法 顧北煤礦13

7、12（1）工作面頂水綜合物探探測(cè)成果報(bào)告 5 圖2-2 理論探測(cè)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) 瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Methods)，又稱時(shí)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支方法。它與其它測(cè)深方法相比，具有探測(cè)深度大、信息豐富、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。自上世紀(jì)五十年代以來，該方法得到迅速發(fā)展，特別是對(duì)探測(cè)高阻覆蓋層下的良導(dǎo)電地質(zhì)體取得了顯著的地質(zhì)效果。它主要應(yīng)用于金屬礦勘查、

8、構(gòu)造填圖、油氣田、煤田、地下水、地?zé)嵋约皟鐾翈Ш秃Ｑ蟮刭|(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(shí)間域電磁感應(yīng)方法。其探測(cè)原理是：在發(fā)送回線上供一個(gè)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(gè)向回線法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵(lì)下，地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度，在一次場消失后，該渦流不會(huì)立即消失，它將有一個(gè)過渡(衰減)過程（見圖2-3、2-4）。該過渡過程又產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次磁場向掌子面?zhèn)鞑ィ山邮栈鼐€接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地質(zhì)體的電性分布情況。如按不同的延遲時(shí)間測(cè)量二次感生電動(dòng)勢(shì)V(t)，就得到了二次磁場隨時(shí)間衰減的

9、特性曲線。如果沒有良導(dǎo)體存在時(shí)，將觀測(cè)到快速衰減的過渡過程；當(dāng)存在良導(dǎo)體時(shí)，顧北煤礦1312（1）工作面頂水綜合物探探測(cè)成果報(bào)告 6 由于電源切斷的一瞬間，在導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流以維持一次場的切斷，所觀測(cè)到的過渡過程衰變速度將變慢，從而發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體的存在。 瞬變電磁場在大地中主要以擴(kuò)散形式傳播，在這一過程中，電磁能量直接在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播而消耗，由于趨膚效應(yīng)，高頻部分主要集中在地表附近，且其分布范圍是源下面的局部，較低頻部分傳播到深處，且分布范圍逐漸擴(kuò)大。 3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集 現(xiàn)場探測(cè)工作于2011年5月9日進(jìn)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 本次工作面三維并行

10、電法的測(cè)線沿1312（1）膠帶機(jī)順槽和回風(fēng)順槽點(diǎn)與南翼11-2回風(fēng)大巷交叉點(diǎn)往工作面切眼方向布置，均完成250m測(cè)線長度數(shù)據(jù)采集，共完成2個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù)采集，每個(gè)順槽各布置1站，單位電極距為5m。兩順槽共計(jì)完成500m段電法數(shù)據(jù)采集任務(wù)。 3.2 瞬變電磁法探測(cè)布置 圖3-1 三維電法現(xiàn)場電極（紅色圓點(diǎn)）布置 顧北煤礦1312（1）工作面頂水綜合物探探測(cè)成果報(bào)告 7 瞬變電磁測(cè)線布置于1312（1）膠帶機(jī)順槽和回風(fēng)順槽點(diǎn)及南翼11-2回風(fēng)大巷，測(cè)點(diǎn)距為10m，共計(jì)測(cè)線長度為810m（回風(fēng)順槽：150m，膠帶機(jī)順槽：250m，11-2回風(fēng)大巷：350m），見圖3-2。同時(shí)，在回風(fēng)順槽和膠帶機(jī)順槽中

11、每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置兩個(gè)探測(cè)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(fēng)大巷內(nèi)布置3個(gè)探測(cè)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(cè)結(jié)果分析 4.1 井下瞬變電磁探測(cè)結(jié)果分析 附圖1、附圖2和附圖3分別為1312（1）工作面本次瞬變電磁測(cè)試范圍內(nèi)視電阻率成像圖。總體上，膠帶機(jī)順槽、回風(fēng)順槽和回風(fēng)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(biāo)，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(hù)，且在回風(fēng)大巷觀測(cè)時(shí)，局部堆積大量金屬器件，

12、給本次瞬變電磁探測(cè)解釋處理造成一定的困難，經(jīng)分析校正，針對(duì)探測(cè)段該工作面頂板富水性情況，獲取4個(gè)相對(duì)低阻異常區(qū)。 由于探測(cè)區(qū)域環(huán)境存在大量金屬干擾，使得電磁感應(yīng)信號(hào)非正常抬高，導(dǎo)致本次瞬變電磁探測(cè)電性參數(shù)（視電阻率值）偏低，進(jìn)一步影響電磁場“時(shí)距” 轉(zhuǎn) 圖3-2 顧北礦1312（1）工作面瞬變電磁測(cè)點(diǎn)（藍(lán)色圓點(diǎn)）布置 顧北煤礦1312（1）工作面頂水綜合物探探測(cè)成果報(bào)告 8 換，給探測(cè)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(cè)經(jīng)驗(yàn)，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8m?為高電磁感應(yīng)區(qū)域，即為低阻異常區(qū)。 （1）TY1異常區(qū) 位于膠帶

13、機(jī)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8m?； 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) 沿膠帶機(jī)順槽，N15+3060m，主要位于垂直頂板上方，深度<50m，該段巖層視電阻率值總體低于8m?； 分析該區(qū)域受回風(fēng)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) 位于回風(fēng)順槽與南翼回風(fēng)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8m?； 分析該段工作面頂板巖層裂隙發(fā)育，少量含水。 （4）TY4異

14、常區(qū) 位于南翼回風(fēng)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8m?； 該區(qū)域與TY2異常區(qū)位置較為接近，認(rèn)為兩異常區(qū)為同一含水區(qū)，分析受回風(fēng)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(cè)結(jié)果分析 圖4-1為頂板三維電法電阻率成像立體效果圖，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(cè)成果報(bào)告 9附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(dòng)較大；頂板1

15、0m切面低阻區(qū)范圍反應(yīng)頂10m20m35m50m65m041018263442505866748290984-1 1312(1工作面頂板三維10以上）電法探測(cè)電阻率成像立體切 EY1 EY2 顧北煤礦1312（1）工作面頂水綜合物探探測(cè)成果報(bào)告 10 板富水區(qū)分布情況；頂板35m以上，相對(duì)低阻范圍顯著減小，到65m以上，異常區(qū)基本難以準(zhǔn)確分辨。因此，本次探測(cè)選擇頂板上部10m斷面內(nèi)低阻區(qū)作為相對(duì)富水區(qū)。 由附圖中可見2個(gè)相對(duì)低阻區(qū)，分別定義為EY1區(qū)和EY2區(qū)。其中： （1）EY1異常區(qū) 區(qū)域電阻率值<9m?，位于膠帶機(jī)順槽一側(cè)，分布范圍較大（沿膠帶順槽，N15+20200m），在影響區(qū)

16、內(nèi)，又可細(xì)分為幾個(gè)相對(duì)集中低阻區(qū)，分別定為EY1-A、EY1-B和EY1-C，其電阻率值<7m?，中心<4m?。 分析該區(qū)巖層裂隙發(fā)育，含水性強(qiáng)。 具體可見附圖4； （2）EY2異常區(qū) 相對(duì)EY1區(qū)較小，主要回風(fēng)順槽一側(cè)，沿回風(fēng)順槽走向范圍為2070m，沿面內(nèi)展布<70m，參考原點(diǎn)為南翼11-2回風(fēng)大巷與回風(fēng)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 由于瞬變電磁和并行電法探測(cè)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(cè)結(jié)果空間可靠性受到影響；而三維電法探測(cè)結(jié)果主要受電極接地點(diǎn)附近電阻率影響，總體上其平面分辨能力較好；因

17、此，瞬變電磁和三維電法探測(cè)結(jié)果具有一定互補(bǔ)性?？紤]到主要的頂板砂巖水威脅區(qū)平面及深度范圍都應(yīng)較大，因此，取三維電法切面低阻范圍（品紅色虛線區(qū)）與瞬變電磁所圈異常范圍（藍(lán)色虛線區(qū)）相交區(qū)為重點(diǎn)富水區(qū)（紅線區(qū)），代表放水驗(yàn)證鉆終孔位置范圍，以兩者并集范圍作為富水區(qū)范圍（黑色虛線區(qū)），共圈定2個(gè)低阻區(qū)，具體見附圖9。 （1）YC1低阻區(qū) 異常范圍為N15N15+300m，主要沿膠帶機(jī)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

18、均為1.5m，推測(cè)受斷層影響，該異常顧北煤礦1312（1）工作面頂水綜合物探探測(cè)成果報(bào)告 11 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(cè)結(jié)果，圈定3個(gè)低阻區(qū)核心，分別為Z-1、Z-2和Z-3為重點(diǎn)防治水區(qū)域，作為設(shè)計(jì)鉆孔終孔所在位置； （2）YC2低阻區(qū) 位于南翼11-2回風(fēng)大巷與1312（1）工作面回風(fēng)順槽交叉口附件，沿回風(fēng)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(cè)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(diǎn)防治水區(qū)域，作為設(shè)計(jì)鉆孔終孔所在范圍； 6 探測(cè)結(jié)論與建議 6.1 結(jié)論

19、根據(jù)瞬變電磁和三維并行電法探測(cè)結(jié)果，探測(cè)區(qū)共有2個(gè)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(shè)計(jì)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 異常區(qū)分布特征及含水評(píng)價(jià) 異常區(qū) 重點(diǎn)防治區(qū) 平面展布 頂板深度分布 YC1 Z-1 見附圖10 <50m，主要分布于1020m Z-2 見附圖10 <50m，主要分布于1020m Z-3 見附圖10 <50m，主要分布于1020m YC2 Z-4 見附圖10 <35m，主要分布于1020m 含水強(qiáng)度評(píng)價(jià) 推測(cè)各異常區(qū)富水，其中Z-1 > Z-2 > Z-3 > Z-

20、4 6.2 建議 （1）建議依據(jù)煤礦防治水規(guī)定，設(shè)計(jì)相應(yīng)鉆孔進(jìn)行探放水工作； （2）若YC1低阻區(qū)Z-1范圍內(nèi)富水性經(jīng)驗(yàn)證含水量較大，對(duì)安全回采構(gòu)成威脅，則對(duì)Z-2和 Z-3 繼續(xù)進(jìn)行探放水工作； 顧北煤礦1312（1）工作面頂水綜合物探探測(cè)成果報(bào)告 12 （3）若對(duì)Z-2和Z-3區(qū)域富水性驗(yàn)證對(duì)安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅，則應(yīng)繼續(xù)對(duì)Z-4區(qū)施工鉆孔，進(jìn)行探放水工作； （4）若Z-1、Z-2和Z-3范圍富水性驗(yàn)證對(duì)工作面安全生產(chǎn)不構(gòu)成威脅，則其余范圍可不再進(jìn)行探放水工作，而進(jìn)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(cè)成果報(bào)告 13 附圖1 顧北煤礦1312（1）工作面膠帶機(jī)順槽（45

21、°面內(nèi)頂板及垂直頂板方向）瞬變電磁探測(cè)結(jié)果圖 46781012141618202224262830 （a）45°面內(nèi)頂板斷面結(jié)果 （b）垂直頂板斷面結(jié)果 TY1 TY2 顧北煤礦1312（1）工作面頂水綜合物探探測(cè)成果報(bào)告 14 附圖2 顧北煤礦1312（1）工作面回風(fēng)順槽（45°面內(nèi)頂板及垂直頂板方向）瞬變電磁探測(cè)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(cè)成果報(bào)告 15 附圖3 顧北煤礦1312（1）工作面南翼回風(fēng)大巷（45°面內(nèi)頂板、垂直頂板及45°面外頂板方向）瞬變電磁探測(cè)結(jié)果圖 （a）45°面內(nèi)頂板斷面結(jié)果 （