運輸巷超前探測報告

1、澄合百良旭升煤礦505工作面運輸巷迎 頭 超 前 探 測 報 告 距運輸巷巷口185米處 陜西澄合天宇勘探建井工程有限責(zé)任公司二一四年五月八日 10報告編制：參加人員： 資料處理： 審 核： 技術(shù)負(fù)責(zé)：施工單位：陜西澄合天宇勘探建井工程有限責(zé)任公司前 言隨著百良旭升煤礦為了保證巷道安全掘進(jìn)，利用物探手段預(yù)測迎頭前方是否存在隱伏含水構(gòu)造、陷落柱、采空區(qū)、破碎帶等不安全因素，我們應(yīng)百良旭升煤礦委托，于2014年5月5日對該礦505工作面運輸巷距巷口185米處迎頭進(jìn)行了瞬變電磁超前探測，以下就本次探測過程及成果做以報告。 一、物探勘探任務(wù)及目的：為了避免巷道掘進(jìn)中直接揭露含水構(gòu)造，根據(jù)現(xiàn)場巷道施工情

2、況，需對505工作面運輸巷迎頭處采用礦井瞬變電磁探測技術(shù)進(jìn)行超前探測，探測頂板斜上方、順層方向及底板斜下方100m范圍內(nèi)含水構(gòu)造發(fā)育情況；為布置探放水鉆孔設(shè)計提供依據(jù)。結(jié)合我礦已有的水文地質(zhì)資料，對巷道外側(cè)的富水性分布進(jìn)行分析。主要任務(wù)及目的如下：1、探測505工作面運輸巷迎頭頂板、順層及底板方向的低阻體異常及分布范圍。 2、分析測區(qū)內(nèi)含水構(gòu)造形態(tài)、水力聯(lián)系。3、對測區(qū)內(nèi)煤層開采或水害治理提供物理探測技術(shù)依據(jù)。4、為布置探防水鉆孔設(shè)計提供依據(jù)。二、工作面地質(zhì)概況及施工條件（1）該工作區(qū)位于下而疊統(tǒng)山西組下段，主要由細(xì)粒砂巖、石英砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和4上、4、5、5下 號煤層組成。（2）該巷

3、道為5#全煤斷面掘進(jìn)巷，其頂板為砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖。（3）整個巷道頂板相對較為破碎均采用金屬錨網(wǎng)支護(hù)，巷道設(shè)計高度3.6米左右、寬度4米左右，巷道區(qū)部頂板有滲水。礦井瞬變電磁法是以電磁場為媒介進(jìn)行井下探測的，施工中需要布置發(fā)射和接收線圈等，本次探測現(xiàn)場條件：1、 巷道迎頭近距離斷電；2、 全斷面為金屬錨、網(wǎng)支護(hù)；3、 迎頭后方8米處停有綜掘機(jī)；4、 頂板靠近兩側(cè)均有少量滴水、滲水；5、 巷道內(nèi)架設(shè)有運輸皮帶支架；三、探查方法選擇依據(jù) 從電性上分析不同地層的電性分布規(guī)律為：煤層電阻率值相對較高，砂巖次之，粘土巖類最低。由于煤系地層的沉積序列比較清晰，在原生地層狀態(tài)下，其導(dǎo)電性特征在縱向上固定的

4、變化規(guī)律，而在橫向上相對比較均一。當(dāng)存在構(gòu)造破碎帶時，如果構(gòu)造不含水，則其導(dǎo)電性較差，局部電阻率值增高; 如果構(gòu)造含水，由于其導(dǎo)電性好，相當(dāng)于存在局部低電阻率值地質(zhì)體。綜上所述，當(dāng)斷層、裂隙和陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育時，無論其含水與否，都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規(guī)律。這種變化規(guī)律的存在，為以巖石導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ)的礦井瞬變電磁法探查提供了良好的地質(zhì)條件。四、礦井瞬變電磁法基本理論瞬變電磁法或稱時間域電磁法(Time domain electromagnetic methods)，簡稱TEM，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖電磁場，在一次脈沖電磁場間歇期間，利用不接地線圈或

5、接地電極觀測二次渦流場的方法。其基本工作方法是：于地面或井下設(shè)置通以一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時間衰減。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小; 而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。4.1基本原理在導(dǎo)電率為、導(dǎo)磁率為的均勻各向同性大地表面鋪設(shè)面積為S的矩形發(fā)射回線，在回線中供以階躍脈沖電流，其中： （1）在電流斷開之前，發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個

6、穩(wěn)定的磁場（如圖0所示）。在t=0時刻，將電流突然斷開，由該電流產(chǎn)生的磁場也立即消失。一次磁場的這一劇烈變化通過空氣和地下導(dǎo)電介質(zhì)傳至回線圖0 瞬變電磁法工作原理示意圖周圍的大地中，并在大地中激發(fā)出感應(yīng)電流以維持發(fā)射電流斷開之前存在的磁場，使空間的磁場不會即刻消失。由于介質(zhì)的熱損耗，直到將磁場能量消耗完畢為止（見圖1）。由于電磁場在空氣中傳播的速度比在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播的速度大得多，當(dāng)一次電流斷開時，一次磁場的劇烈變化首先傳播到發(fā)射回線周圍地表各點，因此，最初激發(fā)的感應(yīng)電流局限于地表。地表各處感應(yīng)電流的分布也是不均勻的，在緊靠發(fā)射回線一次磁場最強(qiáng)的地表處感應(yīng)電流最強(qiáng)。隨著時間圖1 瞬變電磁法感應(yīng)電

7、磁場轉(zhuǎn)換原理示意圖的推移，地下的感應(yīng)電流便逐漸向下、向外擴(kuò)散，其強(qiáng)度逐漸減弱，分布趨于均勻。研究結(jié)果表明，任一時刻地下渦旋電流在地表產(chǎn)生的磁場可以等效為一個水平環(huán)狀線電流的磁場。在發(fā)射電流剛關(guān)斷時，該環(huán)狀線電流緊挨發(fā)射回線，與發(fā)射回線具有相同的形狀。隨著時間推移，該電流環(huán)向下、向外擴(kuò)散，并逐漸變形為圓電流環(huán)。等效電流環(huán)象從發(fā)射回線中“吹”出來的一系列“煙圈”，因此，人們將地下渦旋電流向下、向外擴(kuò)散的過程形象地稱為“煙圈效應(yīng)”（如圖2所示）。圖2 瞬變電磁場的煙圈效應(yīng)“煙圈”的半徑r、深度d的表達(dá)式分別為： （2） （3）式中a為發(fā)射線圈半徑，。當(dāng)發(fā)射線圈半徑相對于“煙圈”半徑很小時，可得，故“

8、煙圈”將沿47度傾斜錐面擴(kuò)散（圖2），其向下傳播的速度為： （4）從“煙圈效應(yīng)”的觀點看，早期瞬變電磁場是由近地表的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反映淺部電性分布；晚期瞬變電磁場隨時間的變化規(guī)律，可以探測大地電性的垂向變化。4.2 礦井瞬變電磁法特點礦井瞬變電磁法基本原理與地面瞬變電磁法一樣，采用儀器和測量數(shù)據(jù)的各種裝置形式和時間窗口也相同。由于礦井瞬變電磁法勘探環(huán)境的限制，測量線圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般深度在80100m左右。地面瞬變電磁法為半空間瞬變響應(yīng)，這種瞬變響應(yīng)來自于地表以下半空間地層; 而礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應(yīng)，這種瞬變響應(yīng)是來自于回線平面上下（或兩側(cè)）地層，這對確定異常體

9、的位置帶來困難。實際資料解釋中，必須結(jié)合具體地質(zhì)和水文地質(zhì)情況綜合分析。但是，礦井瞬變電磁法與地面瞬變電磁法相比具有以下幾個方面的特點:1） 由于井下測量環(huán)境不同與地表，不可能采用地表測量時的大線圈（邊長大于50m）裝置，只能采用邊長小于3m的多匝小線框，因此數(shù)據(jù)采集勞動強(qiáng)度小，測量設(shè)備輕便，工作效率高，成本低；2） 由于采用小線圈測量，點距更密（一般為120m），降低體積效應(yīng)的影響，提高勘探分辨率，特別是橫向分辨率。3） 井下測量裝置距離異常體更近，大大提高測量信號的信噪比，實際測量結(jié)果說明，井下測量信號的強(qiáng)度比地面同樣有效面積的相同裝置測量的信號強(qiáng)10100倍。井下的干擾信號相對有用信號近

10、似等于零（大于30ms時間段），而地面測量信號在衰減到一定時間段（一般小于15ms）就被干擾信號覆蓋，無法識別有用異常信號；4） 地面瞬變電磁法勘探一般只能將線圈平置于地面測量，而井下瞬變電磁法可以將線圈置于巷道底板測量，探測巷道底板下一定深度內(nèi)含水異常體垂向和橫向發(fā)育規(guī)律，也可以將線圈直立于巷道內(nèi)，當(dāng)線圈面平行巷道掘進(jìn)前方，可進(jìn)行超前探測；當(dāng)線圈面平行于巷道側(cè)面煤層，可探測工作面內(nèi)和頂、底板一定范圍內(nèi)含水低阻異常體的發(fā)育規(guī)律;5） 由于瞬變電磁法關(guān)斷時間的影響，與其它物探方法相比，無法探測到更淺部的異常體（淺部10m左右）。4.3 施工技術(shù)及測點布置超前探測主要是在掘進(jìn)巷道迎頭利用直接或間接

11、的方法向巷道掘進(jìn)方向進(jìn)行探測，探測前方是否存在地質(zhì)構(gòu)造或富水體及導(dǎo)水通道，為巷道的安全掘進(jìn)提供詳細(xì)的地質(zhì)資料。目前用于煤礦超前探測的直接方法為鉆探方法，鉆探結(jié)果比較可靠，但施工周期較長，費用較高，對巷道的正常掘進(jìn)生產(chǎn)影響較大。超前探測的間接方法即采用物探方法進(jìn)行探測，其中常用的方法包括有礦井瞬變電磁法。由于受巷道迎頭空間的限制，礦井瞬變電磁法的發(fā)射和接收線圈的幾何尺寸受到的一定的制約，只能采用多匝小回線的發(fā)射和接收裝置形式，即該儀器邊長為1.5*1.5 m。測點布置在巷道迎頭空間位置如(圖1)所示，分別對迎頭順層及頂、底板進(jìn)行了不同角度探測。其探測方法如下： 1.1 將線框豎直放置，并從左到右

12、按50°、40°、30°、20°、10°、0°、-10°、-20°、-30°、-40°、-50°角度轉(zhuǎn)動線框進(jìn)行順層超前探測。 1.2 將線框在豎直方向按60°、50°、40°、30°、20°、10°、0°的角度轉(zhuǎn)動，進(jìn)行頂板超前探測。 1.3 將線框在豎直方向按0°、-10°、-20°、-30°、-40°、-50°、-60°的角度轉(zhuǎn)動，進(jìn)行底板超

13、前探測。本次迎頭瞬變超前探測共完成測點25個即在多個角度采集數(shù)據(jù)，從而獲得盡可能完整的前方空間信息，故稱之為扇形測深技術(shù)。本次礦井瞬變電磁法采用的儀器為重慶地質(zhì)研究院所生產(chǎn)的YCS-40瞬變電磁儀器，該儀器具有自動化程度高、抗干擾能力強(qiáng)、操作簡便、數(shù)據(jù)自動存儲和實時顯示等特點。五、資料處理及解釋5.1資料處理本次迎頭超前探測資料處理，在詳細(xì)分析原始數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，本著“高信噪比、高分辨率、高保真度”的原則對野外數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，精細(xì)處理。野外采集的數(shù)據(jù)處理前，首先對各測點數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和預(yù)處理，檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，剔除不合格數(shù)據(jù)，并對測線測點進(jìn)行編錄，整理為處理軟件所要求的格式，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以濾除

14、或壓制干擾信號，恢復(fù)信號的變化規(guī)律，突出地質(zhì)信息，再利用處理軟件計算得到(t)（視電阻率）和H(t)（視深度）等參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合該探測區(qū)域地質(zhì)資料及背景場干擾情況作近一步處理，最終繪制出該巷道迎頭超前探測視電阻率等值斷面圖。5.2資料解釋 物探資料綜合分析和推斷遵循由點到線、由線到面、由簡單到復(fù)雜、由已知到未知逐步類比展開的原則進(jìn)行分析解釋。首先對該探測區(qū)域相關(guān)資料進(jìn)行分析，突出具體特征，了解背景場干擾強(qiáng)度，標(biāo)定探測深度，圈定異常范圍，確認(rèn)異?？煽啃栽u級，進(jìn)行合理的異常推斷與分析。 5.3異常分析經(jīng)過對本次百良旭升煤礦505工作面運輸巷迎頭超前探測的原始數(shù)據(jù)處理分析，得出圖2迎頭順層、頂板及底板超前探測視電阻率等值斷面成果圖。通過對圖中迎頭順層、頂板及底板超前探測視電阻率等值斷面成果圖的縱、橫向及多測道曲線對比分析，可見圖中反映的電性特征雖有差異，但關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。結(jié)合迎頭附近地質(zhì)條件及人文因素干擾，本次迎頭超前探測共圈定了3處低阻異常區(qū)。