煤矿采空区探测方法

煤矿采空区探测方法（共9篇）

煤矿采空区探测方法 篇1

硫磺沟矿区行政区划隶属新疆维吾尔自治区昌吉市硫磺沟镇管辖, 煤层开采历史悠久, 9号~15号煤层厚度大, 煤质好, 各煤矿及小煤窑主要开采该煤层, 开采管理混乱, 本矿井浅层小煤窑采空区众多, 各种采井、巷道错综复杂, 至清朝就有“万家窑”之称。

头屯河是乌鲁木齐市和昌吉市的界河, 东岸属乌鲁木齐市 (县) 管辖, 西岸属昌吉州管辖。河流发源于天山山脉中部的喀拉乌成山北坡, 流域东与乌鲁木齐河相邻, 西与三屯河接壤。硫磺沟煤矿位于该河道左岸, 井口位于河道岸坡边沿的二级阶地上。2010年7月由于头屯河流域内老空区大面积跨落, 致使头屯河下游流域断水1h, 河水通过老采空区向井下大量补水, 造成硫磺沟煤矿井下涌水量增大。2011年3月3日在硫磺沟煤矿防洪堤附近河道内再次发生塌陷, 塌陷坑存有大量积水, 遗留下重大安全隐患。为尽快消除隐患, 必须采用综合勘探手段, 查明采空区的规模、分布、填充和积水情况, 并对采空区做出科学的稳定性评价。

1 工程地质概况

地层上部为新生代第四系土层, 主要为河谷沉积和残坡积物。下伏古生代二叠系中-薄层煤系地层岩石, 主要岩性为砂岩、炭质页岩、泥岩、泥质砂岩, 呈互层分布, 中夹三层煤:4号~5号、7号和9号~15号。塌陷坑及其附近区域的采空区为小煤窑开采形成的采煤巷道, 分布浅, 多为废弃的矿井, 属个体开采的巷道。

2 探测方法

因此类采空区的无规律性, 采用物探技术, 快速、准确地诊断采空区的位置、规模, 为治理采空区积水提供科学依据。

采用高密度电法与浅层地震法对采空区进行综合勘察, 通过两者的结果相互验证, 基本探明了采空区位置与规模和积水情况。

2.1 测区地质地球物理条件

根据测区地层岩性分析, 页岩和泥质砂岩电阻率比较接近, 一般为n×10Ω·m~n×102Ω·m, 砂岩电阻率一般比页岩和泥质砂岩高, 在n×102Ω·m以上, 煤层和炭质页岩电阻率一般为n×10Ω·m左右。如巷道或采空区为空洞, 则空洞与非采空区完整地层的电性有较大差异, 表现为相对高阻异常。因此, 具备在区内开展高密度电法工作的前提条件。同时, 区内不同地层存在波阻抗差, 砂岩波速值较高, 页岩、煤层波速值较低, 采空区 (充填或未充填) 边界是强反射界面, 测区开展浅层地震勘探的物性前提条件较充分。

2.2 测线布置

根据勘察目的和测区地层分布情况测线平行防洪堤轴线布置。中间5条线按10m线距布置, 两侧两条线间距为20m, 点距为5m。地震施测中间3条测线, 点距2m为了与高密度电法对比, 在防洪堤两侧, 以防洪堤中轴线为中心线, 布置了间隔6.5m的2条1m点距浅剖面线和1条1m点距的联络线。

2.3 探测结果

通过物探工作, 基本查明了防洪堤下部及两侧的采空区情况。资料说明, 在+1000、+980、+950水平成果报告平面图上靠近地面塌陷坑附近有一延头屯河防洪堤两侧宽约80m的富水区, 该区极有可能通过井下采掘巷道与塌陷坑相连, 从而与头屯河水联通致使老窑采空区大量积水, 造成硫磺沟煤矿井下+943水平涌水量明显增大。

3 处理方案

为了消除安全隐患, 需要对该区域进行治理, 通过对矿井充水因素、老窑积水状态及密闭墙承压状况的分析, 重点研究了头屯河河道治理、河道截流加固工作, 确定了硫磺沟煤矿老窑水水压观测、河水截流加固具体工程, 即东、西两翼老窑区各施工1个水文观测孔, 沿防洪堤两侧各布置1排钻孔, 对地面瞬变电磁圈定的异常区进行布孔打钻, 对掉钻、漏浆的部位进行充填、注浆, 治理长度约80余米。

4 充填、注浆材料的选择

4.1 钻孔布置

该注浆工程共设计了2个水文钻孔和42个注浆钻孔, 两个水文钻孔安装水位自计仪, 建立老窑积水区长期水文地质动态观测, 42个水文钻孔为第一排钻孔, 每2m布置一个, 根据第一排钻孔的施工情况按15m线距布置第二排钻孔。

4.2 注浆材料选择

对采空区、冒落带和裂隙发育充填必须具备一定的密实度, 同时兼顾经济性原则, 充填材料采用小于20mm的石子和中砂, 注浆浆液材料设计采用水泥和水玻璃作为充填固结材料。依据试验段压水试验成果, 水固比采用1∶1.1~1∶1.5能满足要求。一般情况下, 浆液应具有良好的流动性和流动性维持能力, 以便在不太高的注浆压力下获得尽可能大的扩散距离, 但由于巷道的连通性, 为避免浆液扩散至不必要的位置, 对于外围钻孔, 水固比宜取高值。

4.3 注意事项

注浆采用自下而上分段灌注法, 注浆段长控制为4m。在成孔后注浆前必须对注浆孔进行洗孔清渣工作, 以使浆液渗透顺畅。每注浆段开始时, 宜先采用水灰比为1∶1.5的水泥浆液试灌, 当吸浆量大时, 再采用水泥、粉煤灰浆液灌注。注浆孔施工次序应按先深后浅、先外部后中心的原则进行。外围孔注浆完成后, 对中心孔注浆能起到帷幕作用。

注浆压力对注浆效果影响很大, 一般情况下, 注浆压力越大, 可使浆液流得越远, 更好地压入细小的裂隙和孔洞中, 且有利于浆液凝结密实, 提高结石强度。但压力太大, 可能会使原来的地质条件恶化, 产生新的裂隙, 特别是外围钻孔, 过大的压力将会造成浆液灌到需要灌注的范围以外, 造成浪费。因巷道地质的特殊性, 在经验公式估算的基础上, 应在试验段注浆时予以验证。根据试验资料, 当压力达到1500k Pa, 注浆段单位吸浆量小于0.05L/min·m时, 延续30min可终灌, 采空区充填可达到满意的程度。施工注浆压力应根据吸浆量的大小采用逐级升压的方法进行。

4.4 处理效果

注浆施工结束后, 在注浆范围内进行钻孔检验, 采用注水、压水试验测定强夯段的渗透系数, 各测点均未超过10-4cm/s, 表明密实充填程度满足质量要求。从所取岩芯可见, 采空区、冒落带和裂隙已被充填, 矿井涌水量明显降低, 达到了加固、积水和水害治理的目的。

5 结语

采空区、冒落带和裂隙加固、积水和水害的处理是一个新课题, 从处理的效果来看, 采空区、冒落带和裂隙已被充填, 矿井涌水量明显降低, 达到了加固、积水和水害治理的目的。

总之, 在工程建设中要尽可能避绕采空区, 当采空区、冒落带、裂隙存在积水和水害时, 宜采用物探手段探明采空区采空区、冒落带、裂隙积水和水害的位置、规模, 并对采空区的稳定性做出科学的评价, 如需处理, 工程实践表明, 采用充填、注浆法是行之有效的方法之一, 充填、注浆法具有施工简单、加固效果好、使用经济等优点。对采空区、冒落带、裂隙积水和水害处理, 都取得了良好的技术经济效果。

煤矿采空区探测方法 篇2

瞬变电磁法在探测煤矿采空积水区的应用

探测煤矿采空积水区通常较难,但可以充分利用瞬变电磁法对低阻地质体反应灵敏和分辨率高的特点,通过精细处理和分析研究,从而有效地探测采空积水区.以吉林某煤矿和山西某煤矿采空积水区探测为例,介绍了瞬变电磁法在探测煤矿采空积水区中的`应用及效果.

作 者：周韬 张开元 ZHOU Tao ZHANG Kai-yuan  作者单位：中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院,湖北,武汉,430074;河南省煤田地质局,物探测量队,河南,郑州,450009 刊 名：中州煤炭 英文刊名：ZHONGZHOU COAL 年，卷(期)：2009 “”(9) 分类号：P631 关键词：瞬变电磁法   采空区   煤矿采空积水区   电阻率  

煤矿采空区物探方法探讨 篇3

【关键词】采空区；瞬变电磁法；三维地震；活性炭测氡

1.采空区形成机理

地下矿层采空后形成的空间称为采空区。当采空区出现后，打破了原有的应力平衡，上覆岩层失去支撑，产生移动变形，直到破坏塌落。采空区塌陷后，形成采空塌陷区。以煤层采空塌陷区为例，可将它分为3个带：①垮落带：煤层采空上部岩层出现坍落；②断裂带：冒落带上方岩体因弯曲变形过大，在采空区上方产生较大的拉应力，两侧受到较大的剪应力，因而岩体出现大量裂隙，岩石的整体性受到破坏；③弯曲带：裂隙带以上直到地面，在自重应力作用下产生弯曲变形而未破裂。

2.采空区地球物理特征

2.1地震勘探的波组特征

煤层采空区塌陷垂直“三带”示意由于煤层与其顶底板岩层存在着较大的波速和密度差异，为一个非常明显的波阻抗界面，能够形成可检测的反射波。采空区的存在，致使地层原有物性条件遭到破坏，在煤层反射波组中表现为反射波同相轴的弯曲、减弱，直到消失，同时煤层顶部结构的不规则破坏，也将产生各种低频干扰，因此用地震方法可以探测地下煤层采空区的分布。

（1）采空区地震时间剖面判识。在沉积稳定煤层中掘进的工作面，人为地造成煤层局部的不连续性，使得地层局部物性条件发生突变（煤岩—空腔），表现在地震时间剖面上，势必造成在叠加剖面上的煤层反射波出现绕射波，在偏移时间剖面上则会出现“空白段”或“低能量”反射。

（2）采空区三维地震水平切片判识。三维地震水平切片是圈定采空区范围的另一种简单有效的方法。但其前提条件为：煤田三维地震资料在野外采集过程中无较大的“变观”；资料处理中严格按照“高信噪比、高分辨率、高保真度”原则进行。当煤层沉积相对稳定、煤层底板起伏形态局部变化相对平缓时，煤层反射波在水平切片中色彩稳定，无颜色突变现象出现；反之，当遇到采空区等地质异常体时，煤层反射波在水平切片中色彩将会出现颜色突变现象。

（3）采空区地震属性判识标志。地震属性是对地震数据的几何学、运动学、动力学和统计学特征的量度，地震属性分析技术是贯穿于应用研究、算法研究和综合软件系统的一种用来提取、存储、显示、分析、证实和评价地震属性的技术。地震属性的应用包括： 由时间得到的属性能提供构造的信息；振幅属性能提供地层和储层的信息；频率属性能提供薄互层的信息等。因为属性分析能够从空间上全局性地反映断层、采空区及陷落柱等构造的空间实际展布形态，被誉为地震解释的“放大镜”。在煤层沉积稳定，无采空区等地质异常分布，同时确保野外采集过程中无较大的“变观”存在，资料处理中严格按照" 高信噪比、高分辨率、高保真度"原则进行的前提下，属性分析图片中，煤层的属性特征分布连续，当遇到构造、地质异常、采空区的分布在水平切片上表现为规律性的、有一定展布规律的色彩变化。

2.2电性特征

瞬变电磁法是一种时间域的电磁勘探方法。在地表敷设不接地线框或接地电极，利用阶跃波或其它脉冲电流场源激励，在大地产生过渡过程场，断电瞬间在大地中形成涡旋交变电磁场，此涡流场随时间以等效涡流环的形式向下传播、向外扩展，利用不接地线圈、接地电极或地面中心探头测量。这种由地下介质产生的二次感应电磁场与地下介质的导电性有关，根据它的衰减特征，可以分析计算地下介质的电性，从而可以判断它们的规模、产状等信息。当地层完整，没有采空区时，电阻率断面电性特征明显。当地下的煤层被采出后，在岩层内形成一个有一定规模的空间，与围岩相比，采空区的电阻率为无穷大。但是随着时间的推移，上覆岩层就会在地球重力的作用下逐渐断裂、塌陷，地下水就会侵入，采空区的电阻率随着发生变化，会出现相对高阻或低阻异常区。对于未充水采空区将呈现相对高阻特征，通过对比区内地层的电性差异，可以寻找这种煤层采空区。对于充水采空区，由于地下水的流动性及电离作用，电阻率将呈现相对低阻的特征。分析对比电阻率参数，及区内地层的电性差异，寻找低阻异常区可以寻找含水采空区的分布和划分含水范围。

2.3放射性特征

当地下煤层被采出后其上覆岩层会破碎、断裂，形成一定规模的裂隙带，破坏了岩体中原有的天然应力状态，引起应力重新分布，在裂隙周边易形成一个应力松动圈（即应力降低了的区域） 。这种情况往往会促使岩体内部的水分、气体由高应力区向低应力区转移。岩石破碎带、断裂形成之后，改变了地下地质体的应力分布状态，促使地质体发生变形，从而改变了地下气体的运移与集聚环境，对氡气的运移与富集具有一定的控制作用。主要表现为三个方面： 储气作用、集气作用和通道作用，通过上述种种作用，氡射气元素向岩石断裂破碎带运移，在裂隙集聚，在地表形成一个与采空（破坏） 区形态相应的氡异常区。在地表将活性炭测杯埋入地下40cm深的坑中，由于活性炭的强吸附作用，经过一定采集时间（一般5～7d）的静态累积吸附后，使得采集点附近的氡气被吸附在活性碳中，通过探测氡的衰变子体释放的特定能量γ谱线的计数，获取该点的氡值信息，这样能够最大限度的消除气象因素、钍射气因素等造成的干扰。因此，通过这种静态累积的能谱测量方式可以获得氡浓度的信息（实际是测量氡衰变所释放的γ射线的强度），达到圈定采空（破坏）区位置和范围的目的。

3.结论

根据不同目的层埋深，结合三维地震、瞬变电磁、活性炭测氡勘探方法特点，选择不同方法组合进行勘探，能够较好地解决了煤层采空破坏问题。经过长时间生产实践发现目前瞬变电磁处理软件对规模较小的采空区处理出来的结果并不理想，对电磁环境较差、高压线和人文设施等电磁噪声较大的区域勘探效果不佳。由于我国现代化进程比较快、矿业开采比较发达，使得瞬变电磁勘探区往往存在强的电磁干扰，而强噪声背景下的弱信号往往蕴含着重要信息。因此很有必要对以往勘探成果进行深度研究，对后期数据进行精细处理，力争解决瞬变电磁勘探资料去噪及弱信号提取技术问题。采用相关分析、小波分析等新方法研究 TEM 弱信号的提取问题，建立实用、有效的 TEM 探测弱信号处理方法技术是瞬变电磁法的一个发展方向。利用三维地震勘探技术探测煤田采空区位置和范围已取得了很好的效果，但是对于采空区下组煤的探测还处于探索研究阶段，这也将是三维地震勘探技术发展的一个方向。活性炭测氡探采空区存在一定的局限性，氡气运移受裂隙控制，随裂隙的变化而变化，因此其异常不能准确反映采空区平面位置，属定性测量方法，仅能控制采空区范围，难以确定采空区深度。另外活性炭测氡易受降水影响。多种勘探方法组合，解决采空区平面位置及埋藏深度势必为采空区勘探的发展趋势之一。

【参考文献】

[1]吴成平，胡祥云.采空区的物探勘查方法[J].地质找矿论丛，2007（1）.

高密度电法技术探测煤矿采空区 篇4

应用高密度电法对大同侏罗纪煤田采空区进行探测, 及时准确地查明了灾害区采空区类型和影响范围, 为地质灾害治理和灾害抢险提供了可靠的地质资料。笔者对大同侏罗纪煤田应用高密度电法技术及方法进行探讨, 以便应用该项技术, 更有效地探测出各类采空区, 更好地指导地质灾害治理和灾害抢险工作。

1 煤田概况及其地球物理特征

大同煤田为双纪煤田, 即侏罗纪和石炭二叠纪煤田, 其中侏罗纪煤田位于山西北部, 属华北断块内二级构造单元吕梁—太行断块中云岗块坳北部的云岗向斜, 为内陆盆地河、湖、沼泽相沉积环境, 煤炭储量丰富, 埋藏浅, 属低变质程度弱黏至不黏结煤, 是优质动力煤。

侏罗系大同组为含煤地层, 厚约234 m, 含21层11个可采煤组, 煤层总厚26 m。大同组地层以砂岩、粉砂岩、泥岩、煤为主, 随着沉积旋回变化, 岩石粒度也由粗到细有规律变化。其中砂岩成分以长石和石英为主, 粉砂岩成分以石英、泥质为主;煤系顶底部各有1个含砾粗砂岩—砾岩标志层, 岩石成分主要以硅质为主。

煤系地层还原性沉积环境有其特有的地球物理特征, 煤系地层中的砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩、煤的电阻率变化较大, 目前大同侏罗纪煤田已施工近3 000个钻孔, 且大部分进行了地球物理测井工作。从大量的钻孔视电阻率测井曲线统计分析认为, 煤系地层低变质程度弱黏至不黏煤的电阻率值相对不高, 但与围岩电阻率值相比呈相对高阻, 其视电阻率值为150～300 Ω·m;围岩视电阻率值为40～170 Ω·m, 并且随着岩石粒度加大、硅质成分增多, 其视电阻率值也随之变高。煤层的直接顶、底板为泥岩、粉砂岩、细砂岩, 与煤电阻率差异达4～5倍;间接顶、底板为细砂岩、中粗砂岩, 与煤电阻率差异达2～3倍;煤系地层标志层硅质砾岩—粗砂岩电阻率值亦低于煤电阻率值, 煤层也呈相对高阻特征。

2 高密度电法原理及工作方法

高密度电法勘探原理:由A, B两电极向大地供高压直流电, 通过M, N电极测量目标体的视电阻率, 由于不同的地质体对电流的传导效果不同, 因此可确定地质异常体。高密度电法的核心是常规电法实现了野外测量数据的快速、自动和智能化采集, 由于其采集密度增大、排列装置增多, 为传统电法带来了新的活力, 同时也为技术处理带来了新的课题。

高密度电法进行二维地电断面测量, 兼具剖面法与测深法的功能, 具有点距小、采样密度高的特点, 敷设一次导线后可进行数千个记录点的数据观测, 其信息量大、施工效率高[1]。

3 采空区类型及地球物理特征

不同的岩石具有不同的电性特征。从岩石电性特征上可以看出, 水的视电阻率值远小于煤层、岩层, 特别是采空区, 其视电阻率值远高于煤层, 电性差异明显, 而当采空区积水时, 由于有水的存在, 其视电阻值明显降低, 与煤层、岩层有明显的电性差异, 表现为低阻异常。

4 应用实例

4.1 大秦铁路云岗支线燕子山段小窑采空区探测

燕子山矿大秦铁路专用线于2003年12月23日凌晨发现因小窑采空造成路基下沉, 下沉范围达150 m, 下沉量达0.8 m, 并且下沉范围还不断向西发展, 使铁路运输中断, 附近居民住宅安全受到严重威胁。根据铁路下沉的范围及周围的施工条件, 采用高密度电法和瞬变电磁法对小窑采空范围进行探测。

高密度电法装置选用对称四级法, 两测站之测线首尾重复95 m, 每测站布置60个电极, 极距5 m。探测区域内, 3号层小范围采空, 4, 7号层未采空, 8号层局部采空, 11—12号合并层大范围采空。

从反演剖面图1可以看出, 260～300 m是低阻范围, 为8—12号多层采空, 多层采空造成地面大范围下沉; 310～460 m底部是低阻区, 为11—12号层采空, 单层采空区未造成地面大范围下沉。

4.2 四台矿410盘区小窑采空区探测

大同煤矿集团公司四台矿计划对410盘区的11号煤层进行开采, 由于410盘区内3号、8号煤层大多被小窑采空, 且无具体采掘资料, 故采用高密度电法对3号、8号煤层小窑采空积水进行探测, 为11号煤层安全开采提交可靠的地质资料。高密度电阻率测深在6测线采用了三极和四极2种装置, 试验发现三极装置效果较好, 从6测线3#—12#点 (7#点对应150 m) 高密度三极测深反演成果图2可以看出, 深度100 m以上无明显的低阻异常, 而此处3号煤层的埋深在80 m左右, 8号煤层的埋深在130 m左右, 综合分析认为, 3号煤层采空区无积水反映, 由于探测深度不够, 对8号煤层采空积水区没有反映。

4.3 燕子山矿315盘区小窑采空区探测

大同煤矿集团公司燕子山矿计划对315盘区14号煤进行开采, 在81501工作面大巷掘进过程中, 巷道北部上方有淋水出现, 水量较大, 推断是14号煤的上部煤层采空积水所致。由于315盘区内小窑众多, 上覆的2号、4号煤大多被小窑采空, 且无具体采掘资料, 故采用高密度电法对2号、4号煤层小窑采空积水进行探测, 为14号煤层安全开采提交可靠的地质资料。

高密度电阻率测深在23测线采用了三极和四极2种装置, 三极装置效果较好, 从23测线1#—11#点高密度三极测深反演成果图 (图3) 可以看出, 深度50～80 m、距离130～210 m (即5#—8#点) 处出现低阻异常, 推断为煤层采空积水区。从23测线12#—22#点高密度三极测深反演成果图 (图4) 可见, 深度50～80 m、距离200～300 m (即18#—22#点) 处出现低阻异常, 推断为煤层采空积水区, 这2处异常与瞬变电磁、激电测深吻合较好。

通过以上应用实例说明, 采用高密度电法结合瞬变电磁、激电测深等方法, 能够有效查明小窑采空区范围和类型, 指导煤矿安全生产[2]。

5 存在问题

1) 高密度电法由于采用大线布置方式, 难以适应复杂地形条件;

2) 目前高密度电法仪器由于公用发射和接收电缆, 无法进行大功率发射, 影响探测深度;

3) 高密度电法反演存在多解性, 需结合其他物探方法[3]。

6 结语

高密度电法通过对岩石视电阻率物性的探测, 能够反映地下几百米深的地质异常体, 使一些通过常规的地质手段很难甚至不能解决的地质问题得以准确地查明, 为煤矿安全生产、隐患解除以及市政工程提供准确的地质资料。随着科学技术的不断进步和物探技术的进一步发展, 该技术将会有非常广阔的应用前景。

摘要：应用高密度电法对大同侏罗纪煤田采空区进行了探测, 及时准确地查明了灾害区类型和影响范围, 并对高密度电法的技术和方法进行了探讨, 取得了较好的应用效果。

关键词：高密度电法,探测,煤矿采空区

参考文献

[1]李志聃.煤田电法勘探[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1990.

[2]张胜, 韩许恒, 李秉强, 等.高密度电法在采空区勘测中的应用[J].灾害学, 2005, 20 (4) :64-66.

煤矿采空区探测方法 篇5

露天煤矿先期开采形成的采空区对后期的大型设备的剥离开采构成了极大的危险。而且由于采空区的出现带来的煤层自燃也对人员安全带来潜在的危险和巨大的经济利益的损失。因此及时准确的探测出不明采空区的分布范围是及其重要的任务。

当前可以进行采空区探测的物探方法有很多。但是, 在本次露天煤矿采空区勘探中, 由于其采空区深度比较浅, 在7~10 m, 而勘探精度比较大, 要求平面误差在0.5 m。在这种情况下, 高密度等电法方法由于其分辨率的限制而达不到要求。地震方法在浅层勘探中效果也不明显。而地质雷达探测技术具有分率高、成果解释可靠、应用范围广泛、操作简便和自动化程度高的优点。对浅层 (30 m以内) 地质调查, 有着非常广泛的应用前景, 如探测采空区、基岩面、覆盖层厚度、查找潜伏断层、破碎带、古溶洞, 以及地下掩埋物 (管道、电缆、金属目标等) 、管道沟、涵洞等特别有用。故此次工程选择地质雷达进行勘探。

2 地质雷达原理[1]

地质雷达 (Ground Penetrating Radar, GPR, 又称探地雷达) 由发射部分和接收部分组成。发射部分由产生高频脉冲波的发射机和向外辐射电磁波的天线 (Tx) 组成。通过发射天线电磁波以60°~90°的波束角向地下发射高频电磁波 (106~109 Hz) , 电磁波在传播途中遇到电性分界面产生反射。反射波被设置在某一固定位置的接收天线 (Rx) 接收, 与此同时接收天线还接收到沿岩层表层传播的直达波, 反射波和直达波同时被接收机记录或在终端将两种波显示出来。反射雷达探测原理示意图如图1所示。

脉冲波旅行时为:

式中, v表示波速;z表示目标体的深度, x表示收发距;t表示反射波走时。

当地下介质中的波速v为已知时, 可根据精确测得的走时t, 由上式求得目标体的深度z。式中x值在剖面测量中是固定的, v值可用宽角法直接测量, 也可以根据以下近似公式计算:

式中, c表示光速;εr表示地下介质的相对介电常数。

波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时而确定。雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。波形的正负峰分别以黑色和白色表示, 或以灰阶或彩色表示。这样, 同相轴或等灰度、等色线, 即可形象地表征出地下反射界面, 图2为波形记录示意图。图2中对照一个简单的地质模型, 画出了相应的波形记录。在波形记录上, 各测点均以测线的铅垂方向记录波形, 构成雷达剖面。

由于地质雷达发射的电磁波段常为107以上的数量级, 并且地质雷达可对发射、接收电磁波的频率进行控制, 因此资料具有信噪比高、干扰低的特点。其发射的电磁波段常为107以上数量级, 在地层介质中雷达波长一般为0.1~2 m, 所以地质雷达在探测浅部地层介质时, 具有比地震波更高的分辨率, 而且具有经济、高效、非破坏性等优点。

3 工程应用实例

山西某露天煤矿进入原煤矿采空区时出现煤体自然发火现象。自燃灾害不仅燃烧大量的煤炭资源还产生了大量有害有毒气体, 严重危害人员的身体健康, 制约了平盘的正常推进。此采空区发布范围大, 绝大部分采空区情况未探明, 采空区内火区的分布、发生、发展情况也还未知。因此, 要对火区的范围与发展程度进行有效的判定, 才能提高灭火工作的有效性与经济性。鉴于此, 应用地质雷达方法对火区进行探测, 以查明该区下方采空区范围。

3.1 数据采集

本次雷达探测采用瑞典SGAB公司生产的RAMAC/GPR地质雷达, 选择100 MHz天线进行探测。发射天线与接收天线间距为1 m。为了尽可能地分辨地下采空边界, 空间域采样间隔 (道间距) 为0.5 m, 垂叠次数为128次, 采用反射剖面法进行工作。按要求及场地情况总共测量25条测线, 线距为10 m, 如图3所示。

3.2 资料处理

为了对雷达图像进行合理的地质解释, 首先需要进行数据处理。数据处理主要是对雷达波形作处理, 包括增强有效信息、抑制随机噪声、压制非目标体的杂乱回波、提高图像的信噪比和分辨率等。其目的是压制随机的和规则的干扰, 以尽可能高的分辨率在雷达图像上显示反射波, 便于提取反射波的各种有用参数, 以利于地质解释。常用的雷达数据处理手段有数字滤波、反滤波、偏移绕射处理和增强处理等。数字滤波利用电磁波的频谱特征来压制各种干扰波, 如直达波和多次反射波等;反滤波则是将地下介质理解为一系列的反射界面, 由反射波特征求取各个界面的反射系数;偏移绕射处理, 即反射波的层析成像技术, 是将雷达记录中的每个反射点偏移到其本来位置, 从而真实反映地下介质分布的情况;增强处理, 有助于增强有效信号, 尽可能清晰地反映地下介质的分布情况。

3.3 资料解释[2,3,4]

地质雷达主要利用地下介质的电性差异来进行分层及查明地下异常地质体。通过对全区雷达时间剖面与已知的地质资料的对比分析, 采空区反射波特征来进行解释。现对本次探测中出现的雷达反射波形进行讨论。

(1) 当采空区塌陷压实, 岩层被破坏时, 在雷达剖面上出现反射波零乱, 界面不连续, 等异常反映, 如图4所示。

(2) 因为煤层开采采用防柱式开采, 若顶板基本不冒落塌陷, 采空区处于比较完整的空洞形式, 在雷达剖面上表现为较强的双曲线反射波, 如图5所示。

(3) 当探测区域为开采时预留的煤柱时, 在雷达剖面上出现反射波比较弱, 煤层顶底板界限明显, 剖面类似“空白”的区域, 如图6所示。

本次探测的采空区, 大多数都已塌陷压实, 以第一种情况为主。

在图4, 从时间剖面可以看出反射波零乱, 界面不连续, 表明此处有一个塌陷压实区域, 横坐标在第1~37道左右, 纵坐标在50~140 ns之间, 换算成水平位置距测线起点为0~18.5 m, 深度为2.5~7 m之间。在图5的时间剖面上, 有一段比较完整的双曲线反射波, 并且能量较强, 表明此处也有一处采空区, 属于空洞状态, 范围为横坐标为第145~165道之间, 纵坐标为60~104 ns之间, 水平位置距测线起点72.5~82.5 m, 深度为3~5.2 m之间。在图6, 从时间剖面可以看出反射波弱, 煤层顶底板界限明显。表明此处为一个没被破坏的煤层, 横坐标在第70~110道之间, 纵坐标在35~200ns之间, 换算成水平位置距测线起点为35~55 m, 深度为1.75~10 m之间。

4 结语

此次地质雷达工作从测线布置到资料采集处理解释, 都做了比较认真的工作。解释所得到的成果也在随后的钻探中得到了验证。此次工作查明了采空区的平面分布范围和空间展布形态, 为制定采空区灭火对策, 提供了较全面、可靠的工程物探和工程地质依据。此次工作充分展示了地质雷达探测的经济、高效、非破坏性等优点, 并且探测精度高及资料分辨率高, 因此在查找采空区、空洞、岩溶裂隙带必将有广泛的应用前景。

参考文献

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[2]程久龙, 胡克峰.探地雷达探测地下采空区的研究[J].岩土力学, 2004 (9)

[3]杨双安, 宁书年.老窑采空区的地震探测与研究[J].中国煤田地质, 2004 (2)

煤矿采空区探测方法 篇6

关键词：瞬变电磁法,煤矿,采空区,视电阻率

煤矿采空区是引起地质灾害的主要因素之一,它不仅给煤矿安全生产带来隐患,而且对人民的正常生活和生产产生危害,甚至对当地经济发展和社会稳定产生严重影响。因此,探测采空区成为地质勘探的一个重要任务。瞬变电磁法以对低阻灵敏、体积效应小、横向分辨率高、与探测地质体有最佳耦合、受旁侧地质体影响小,而且施工方便、快捷、成本低、效率高等特点,成为探测煤矿采空区位置的最佳方法之一。

1 瞬变电磁勘探原理

瞬变电磁法属于时间域电磁感应法,它利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲场,在一次脉冲场间歇期间利用回线或电偶极接收感应二次场,该二次场是由地下良导地质体受激励引起的涡流所产生的非稳电磁场。根据观测到的二次场,通过分析其衰减特征和处理后的数据,可以判断地下地质体的电性特征、赋存位置和形态等。

地层中的煤层被开采以后,在地下岩层间形成一定的空间,采空区顶板在上覆岩体重力作用下,发生变形、断裂、位移和冒落,岩层产生破碎,并出现大量的空隙和裂隙,导电性变差,岩石的电阻率明显变大,呈现出相对的高阻特征;当采空区的空隙和裂隙被水或泥质填充后,该处的电阻率会明显变小,表现出一定的低阻特征。采空区的视电阻率与其他区域的视电阻率存在明显的差异,为瞬变电磁勘查提供了前提条件,这种特有的电性异常反映也成为划分采空区的依据[1,2,3]。

2 老窑采空区探测分析

河南禹州某煤矿由多个小煤矿整合而成,由于开采时间长,小煤矿地质资料不全且可靠性较差,原有资料难以满足现行煤矿安全生产要求。为了取得进一步的资料作为后续生产的依据,矿方委托河南省煤田地质局物探测量队进行地面瞬变电磁勘探工作,以查明二1煤层采空区及采空积水区分布情况。

根据资料,勘探区内地层由老至新依次为寒武系上统凤山组(3f)、奥陶系中统马家沟组(O2m)、石炭系上统本溪组(C2b)和太原组(C2t)、二叠系下统山西组(P1sh)和下统下石盒子组(P1x)、二叠系上统上石盒子组(P2s)、新生界第四系。正常情况下,新生界地层由砂、黏土及砾石组成,地层视电阻率为中高阻;二叠系地层以砂岩、泥岩为主,地层视电阻率为中低阻;石炭系、奥陶系及寒武系地层以灰岩为主,地层视电阻率为相对高阻。在纵向上勘探区地层视电阻率呈现为中高—低—中—高的特征反映。岩层完整时其电阻率较高,受煤矿开采影响使得岩层破碎、产生大量裂隙,破碎程度及其含水的饱和度越大,岩石的导电性会显著增强,地层电阻率明显降低,在电性特征上会形成横向上的低阻异常,可以通过对相同层位的低阻异常区的圈定来划分煤层采空区。

3 探测方法

此次勘探施工仪器为PROTEM 67D瞬变电磁勘探系统,工作装置采用大定源装置,回线内接收,发射线框采用400 m×400 m矩形回线,接收线圈有效面积200 m2,测量道数30门,频率25 Hz,发射电流16.0 A,积分时间30 s,增益23～24。在勘探区内均匀布置测点,测线间距40 m,测点间距20 m。首先利用TEMIXXL v4软件对采集的原始数据进行编辑和一维层状反演,得到视电阻率与深度曲线,再绘制出各条测线的视电阻率断面图,然后分析各条测线的视电阻率断面图,标出异常区域,结合地质资料成果进行对比分析,最终确定采空区分布范围。

4 探测结果

1240线、2360线视电阻率断面分别如图1、图2所示,图中黑色直线表示二1煤层,黑色虚线范围表示二1煤层采空区。从视电阻率断面图上看,浅部的视电阻率表现为中高阻,推断为新生界地层的电性反映;中上部视电阻率表现相对较低,为煤系地层的电性反映;下部视电阻率表现为高阻,为灰岩地层的电性反映。图1中260～420测点之间有一低阻凹陷区,视电阻率相对较低,为二1煤采动以后形成采空区的反映。图2中的280～460测点之间二1煤层附近形成了低阻封闭区域,其视电阻率值较周围要低许多,可能为二1煤采空积水区的反映。

二1煤层视电阻率顺层切片如图3所示,如图中黑色椭圆所示,有6个较大范围的低阻异常区,推测其应该为采空区的反映,该情况与矿方实际调查的采空区位置基本相符。同时根据低阻异常区的视电阻率值,推测1、2、3、4和5号低阻异常区内应该有积水。通过此次勘探,基本查明了二1煤层采空区3处和采空积水区6处,并圈定了其位置和范围,达到了勘探目的。

5 结论

上述实例和其他探测采空区项目证明,瞬变电磁法在探测煤矿采空区和采空积水区方面可以取得令人满意的探测结果。同时,瞬变电磁法与其他物探方法相比,具有分辨率高,勘探深度大、受地形干扰因素小、施工方便、效率高等优点,这种方法将在煤矿探测采空区、地层富水区域等方面发挥重要作用,具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙:中南工业大学出版社,1992.

[2]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京:地质出版社,1998.

煤矿采空区探测方法 篇7

煤矿生产形成的采空区严重威胁煤矿的安全生产, 采空区冒落容易造成伤亡事故, 并且采空区引起的塌陷也造成地表环境的破坏。井下采空区还会引起上覆岩层变形、断裂形成裂隙。对周围的建筑以及环境产生巨大的威胁。因此, 选择合适的地球物理方法对煤矿采空区进行探测, 确定采空区的边界以及其影响的浅部裂隙带的范围有十分重要的意义。

EH4电磁成像系统是由美国GEOMTRICS公司和EMI (ElectroMagnetic Intruments) 公司联合生产的主要用于10～1 000 m深度范围内的大地电磁测深勘探仪器, 是目前国际上同类勘探仪器中最先进的一种勘探设备。EH4电磁成像系统采用人工场源与天然场源共同作用的方式, 对天然信号和人工信号进行采集, 所以EH4电磁成像系统既稳定又灵活。而且人工场源有天然场源所没有的优势, 能使该系统获得连续有效信号[1]。EH4电磁测量系统的观测时间短, 能很快探测一个深1 000 m的测点, 提高了探测效率。目前, EH4电磁成像系统已被应用到很多工程当中, 具有良好的应用效果。

1 EH4电磁成像系统基本原理

EH4电磁系统通过天然的和人工的电磁信号对探测区内进行探测, 在地下的地层上产生电导率连续剖面。该系统测量天然场源和人工场源电磁信号, 通过天然背景场源成像 (MT) 来探测深部的构造, 其讯息源为10～1 000 Hz, 而采用一个新型的便携式低功率发射器发射1～100 kHz人工电磁讯号来探测浅部构造。进而得到精度比较高的电磁信号, 来进行电阻率成像。

EH4电磁成像技术所涉及的物理量是物质的电阻率参数, 它与直流电法的不同之处, 在于它是通过观测记录电磁场信号, 然后经傅里叶变换将时间域的电磁信号变成频谱信号, 得到地表电磁Ex、Ey、Hx、Hy值, 以此计算卡尼亚电阻率。其计算公式:

式中, ρ为电阻率, 它反映了地下地层的电性特征;f为频率;Ex为电场x分量, Ey为电场y分量, Hx为磁场x分量, Hy为磁场y分量。

考虑到地下介质的不均匀性, 通常用视电阻率值来表示电阻率, 探测深度理论上为一个趋肤深度δ, 计算公式为:

式 (2) 表明, 趋肤深度δ将随电阻率ρ和频率f变化而变化。上式表明, 电阻率增加和频率降低时, 电磁波的透入深度会增大[2]。反之, 电磁波的透入深度降低。

对于不均匀大地, 表面阻抗是空间座标的函数, 完整的描述应当是含有4个元素的张量, 每个元素与场的正交分量有关[3]:

测量中会记录互相垂直的磁场和电场, 由此计算阻抗张量, 进而得到视电阻率, 可得出地下介质的地电信息, 据此确定一定范围内地下介质结构情况[3], 这就是EH4电磁频率测深的基本原理。

2 工作方法研究

EH4电磁成像系统由发射系统、接收系统和控制系统三大部分组成。控制系统由主机及系统软件构成, 系统软件有数据采集系统和数据处理系统两大功能[3,4]。

2.1 数据的采集

在野外进行数据采集时, 数据是时域采集, 然后通过傅里叶变化转化为频率域信号[5]。

在进行处理解释时对数据的要求比较高, 这就需要在数据采集时采集到质量比较好的原始数据。为此, 在野外应该首先进行准备试验工作, 需要调查干扰、选择采集的参数以及电极距的选择等。

2.2 数据采集技术措施

(1) 测量控制工作采用GPS定位系统, 对每条测线50 m及100 m桩号点坐标、各测线起始点坐标以及不规则测点的坐标, 逐个进行控制测量, 测量精度满足规程要求。

(2) 为最大限度地减小干扰的影响, 改进数据质量, 缩短测量时间, 测站尽可能远离干扰区。如果难以避免, 应在采集结果之前进行检验数据的可靠性。

(3) 每测站必须有一对电极沿测线布置, 另一对则垂直于测线。

(4) 为保证获得信噪比高的资料, 电极距长度不小于10 m。

2.3 数据的处理与解释

数据处理主要有三个方面[6]:

(1) 剔除干扰信号。在进行野外数据采集时, 由于各种原因可能会出现干扰信号。这些干扰信号会影响视电阻率的曲线, 最终影响反演解释结果。所以剔除干扰信号十分重要。

(2) 校正近场源。在测量现场附近可能会出现一些未知的强信号源, 或者发射天线离测量点太近而产生的信号, 这些都是近场源干扰, 有时这些干扰是无法避免的, 这就需要在后期的数据处理过程中消除[7]。

(3) 反演计算。反演主要采用Bostick反演, 深度标定视电阻率剖面频率轴。Bostick反演是以低频区视电阻率曲线尾支渐近线的特征为基础的, 使用起来非常方便, 这种方法根据大地电磁测深视电阻率曲线上任意一个频率及其对应的视电阻率计算探测深度, 并且根据其视电阻率值和视电阻率曲线的变化趋势, 计算对应深度的地层电阻率, 将表示视电阻率随周期变化曲线变换成为电阻率随深度变化曲线。

现场采集结束后, 在室内进行二维数据处理, 通过处理得出测线的二维视电阻率成像断面图, 该断面反映了该测线下方竖直方向上的电性特征。

3 工程实例

为了检验EH4电磁成像系统对采空区边界以及浅层隐伏裂隙带的探测效果, 在某矿进行了以采空区为物探目标的试验, 取得了良好的勘探效果。

3.1 矿区地质概况与地球物理特征

某矿井田测区主要含煤地层是太原组及山西组。

根据选择的方法来确定需要考虑的因素, 此次采用的是电磁法勘探, 所以要考虑该区地层的电性特征, 测区电性表现为低电阻, 局部由于存在干砂而电阻率略高。

采后电阻率的不同是识别采空区的依据。采区某些地区受到采空区的影响, 造成上覆的岩层产生裂缝和新生裂隙, 都使岩层受到了破坏。而岩体的电阻率与它的破坏程度与含水性有关。如果这些裂缝及裂隙充水时, 电阻率会升高很多, 有的高达几千几万欧姆, 然而如果这些裂缝和裂隙中没有充水, 由于水具有低电阻率的特征, 地层的电阻率会有所降低, 降低的程度与富水性有关。根据这个原理, 可以探测地下岩层的电阻率及其变化, 根据其电阻率判断岩层的结构状态和含水状况, 这是本次电磁法探测的物理前提。

3.2 数据处理与解释

本次探测采用EH4专用数据处理系统EMAGE-2D进行处理, 主要采用Bostick反演的方法, 深度标定视电阻率剖面频率轴。本次探测共设计了5条测线, 根据异常解释原则对勘探区域的某条探测剖面解释分析, 在对物探异常进行判别解释时, 还应考虑到地形、静态效应、干扰源等因素的影响, 经过反复的数据处理和反演过程。

图1为EH4测量A7测线视电阻率断面色谱图。从图1中可以看出, 整个断面视电阻率由浅至深基本上呈现出由低到高的电性特征。图1中最上部 (150 m以浅) 视电阻率值相对较低但变化范围较大, 其中, 在0～20 m桩号段、100～150 m深度范围内其视电阻率值约在300～900Ω·m之间, 波动范围较大, 推断此处是由于地面干扰引起的视电阻率值增大;但在40～120 m桩号段、80～150 m深度范围内其视电阻率值约在150～400Ω·m之间, 推断为由于地下采空区塌陷在浅部地层形成的隐伏裂缝引起视电阻率的增大。

图1中中段 (150～350 m层段) 对应的视电阻率变化范围较大, 其中, 在0～80 m桩号段其视电阻率值约在100～300Ω·m之间, 为正常地层反应;但在80～120 m桩号段其视电阻率值约在400～1 000Ω·m之间, 判断为该高阻区是由地下采空区及冒裂带影响引起的视电阻率的增大, 据此, 划定采空区边界在地面投影位于85 m点处。

图1中下段 (350～500 m层段) 对应的视电阻率值较高, 为深部地层的电性特征反映, 基本正常。

根据上述解释, 划定测线采空区边界, 并根据其电性特征划定采空区在地面上方所对应的范围。详述为:A7线根据其电性特征划定其采空EH4区范围在85～120 m桩号段, 160～320 m深度范围内, 划定采空区边界在地面投影位于85 m点处。

另外, 根据测线在最深部的采空边界及视电阻率变化情况, 推断出采空区浅部地层的冒落裂隙带的大体范围, 并在断面解释图中给圈定出来。

4 结论

通过EH4电磁成像系统在探测某矿采空区及浅层裂隙带的应用实例表明, EH4电磁成像系统在深部勘探中能很好地确定采空区及其边界的电性特征, 利用高频探测在浅部地层也能较好地探测出浅部地层隐伏裂隙带的发育情况。说明EH4电磁成像系统能够准确地探测煤矿采空区边界以及对应的浅层裂隙带的范围, 而且该系统仪器轻便, 测量速度较快, 对环境要求低, 工作效率高, 可见EH4电磁成像法在探测地下采空区的边界以及对应的浅层裂隙带的范围方面是一种行之有效的技术方法。

参考文献

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煤矿采空区探测方法 篇8

关键词：小线框,瞬变电磁,探测,采空区

不管是在煤矿生产区域还是在重大建设工程所在地, 都需要进行采空区探测工作, 但很多矿区不是位于偏远山区、地形起伏大, 就是被各种电线、金属材料、车辆等地电干扰包围。目前探测采空区用得最多的物探方法是瞬变电磁法[1,2], 且大都采用进口的V8或GDP-32Ⅱ等大线框瞬变电磁仪进行, 其共同的缺点: (1) 探测的深度要靠加大供电电流强度和加大发射线框来实现, 但这些仪器本身都有最大工作电流值的限制, 超过一定的供电电流仪器就会自动停止工作, 或者发生故障, 直至损坏; (2) 在地电干扰较大的矿区, 数据采集时只能靠增加叠加次数来抑制干扰, 同时也会使野外采集的数据大大失真; (3) 在地形起伏较大的矿区, 由于需要铺设几百米的发射线框, 往往会由于铺设线框的误差较大影响到采空区的探测精度[3,4,5,6,7,8]。因此, 迫切需要采用小线框瞬变电磁仪进行高精度探测。采用小线框瞬变电磁仪在陕西某煤矿采空区探测中的实际应用表明, 其结果与大线框瞬变电磁仪探测结果吻合程度较高, 取得了良好效果。

1 研究区地形及地质概况

为了加强和规范煤矿地质工作, 进一步查明某煤矿隐蔽致灾因素, 及时处理煤矿地质灾害, 有效预防煤矿事故, 需要对一盘区西翼采空区开展探测工作。该区域地形起伏较大, 且测区边界很陡, 下面有一条小河, 如果采用传统的大线框瞬变电磁仪来完成此次工作, 铺设发射框的难度较大, 且会造成框的误差较大, 进而影响探测的精度, 于是采用了小线框瞬变电磁仪来完成此次采空区探测的部分工作, 并进行了对比分析。

据钻孔揭露和地质填图数据, 区内地层从老到新依次为:三叠系上统永坪组、侏罗系中统延安组、直罗组、第四系中更新统离石组、第四系上更新统萨拉乌苏组、第四系全新统风积砂。区内含煤地层为侏罗系中统延安组, 自下而上划分为5个煤组, 即1号、2号、3号、4号、5号煤组。延安组共含有对比意义的煤层9层, 分别是2-2、3-1、4-2、4-3、4-4、5-2、5-2下、5-3、5-4。其中2-2为主采煤层。

2-2煤层为厚煤层, 位于延安组第四段的顶部, 是该区最厚的主要可采煤层之一, 全区可采。与下部3-1煤层间距30.39~40.04 m, 平均33.00 m;煤厚4.11~6.85 m, 平均厚5.36 m;开采深度约200m。

2 采空区地质解释依据

煤层被开采后, 随着时间的推移, 采空区上方岩层在重力作用下发生塌陷, 煤层上覆岩体失去原有的平衡状态, 破坏了岩石的完整性和连续性, 致使岩层破碎和出现大量的空隙和裂隙, 故该处电阻率会偏高于完整岩石处的电阻率;如果采空区内的空隙被水或泥质物充填, 则该处的电阻率将明显低于周围完整岩石的电阻率, 表现出一定的低电阻率特征[1,2], 这是电磁法采空区积水情况的物理依据。针对该区, 煤层被开采后, 在采空区中有积水, 积水后的采空区在电性上就表现为明显的低电阻率异常反映。也就是说, 此次的采空区探测以低电阻率异常解释为采空异常区。

3 使用仪器和工作参数

大线框瞬变电磁仪采用进口的GDP-32Ⅱ多功能电法仪, 采用中心回线装置, 160 m×160 m的发射线框, HZ垂直分量接收探头 (等效面积10 000m2) 接收。小线框瞬变电磁仪采用EMRS-3型微机电磁勘探仪, 采用重叠回线装置, 发射接收线框均为3 m×3 m。

4 研究区大线框瞬变电磁仪探测

4.1 剖面分析

图1为测区采用大线框瞬变电磁仪GDP-32Ⅱ多功能电法仪完成的820线剖面 (黑色虚线为煤层界面, 阴影部分为推断的采空异常区) 。从图1视电阻率等值线可以看出, 在剖面500~600 m、标高约1 050 m范围表现为明显的低电阻率异常反映, 推断为采空积水区异常。

4.2 平面分析

图2为根据各剖面数据, 顺煤层标高绘制顺层平面成果图 (阴影部分为推断的采空积水区异常) 。从图2中视电阻率等值线的展布特征可以看出, 测区内的低电阻率值异常区主要由620—860线的300—600号点控制, 从视电阻率绝对值分析, 其与围岩的电性差异明显, 推断为采空积水区异常。

5 研究区小线框瞬变电磁仪探测

5.1 剖面分析

图3是采用小线框瞬变电磁仪EMRS-3型微机电磁勘探仪完成的820线剖面 (黑色虚线为煤层界面, 阴影部分为推断的采空异常区) 。从图3中可以看出, 在剖面440~580 m, 标高约1 050 m范围表现为明显的低电阻率异常反映, 推断为采空积水区异常。

5.2 平面分析

图4为根据各剖面数据顺煤层标高绘制顺层平面成果图 (阴影部分为推断的采空积水区异常) 。从图4中视电阻率等值线的展布特征可以看出, 测区内的低电阻率值异常区也主要由620~860线的300—600号点控制, 从视电阻率绝对值分析知, 其与围岩的电性差异明显, 推断为采空积水区异常。

6 结果对比分析

通过2种仪器探测结果对比分析推断的采空区范围如图5所示, 采用大线框瞬变电磁仪探测的采空区范围为53 660 m2, 而采用小线框瞬变电磁仪探测的采空区范围为52 030 m2。两者探测的范围误差为3.13%。

7 结语

通过在某煤矿采空区探测中的应用研究, 说明采用小线框瞬变电磁仪进行探测可以基本达到采用大线框瞬变电磁仪进行探测的效果, 且野外施工方便, 地形起伏影响小, 抗干扰能力强, 铺设线框简单, 具有良好的应用前景。

参考文献

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煤矿采空区探测方法 篇9

关键词：瞬变电磁法,采空区,断层,V8工作站

0 引言

水患一直是煤矿安全生产的主要威胁之一, 随着对煤矿安全生产的越来越重视, 矿方在综合多种因素考虑后, 物探被越来越多地应用到煤矿的施工建设中。其中瞬变电磁法具有对水体敏感、探测深度大、野外施工简单、探测效果好和价格便宜等优势, 近几年被大量应用到煤矿的采空区探测和断层探测等方面, 都取得了较好的效果。本次使用仪器为V8工作站, 对四川威远县某煤矿进行采空区圈定和断层探测工作。

1 矿区地质特征

本区位于四川沉降褶皱带西南部, 构造体系属新华夏系第三沉降带。区域构造主要受北西、南东向力的挤压, 而形成的威远背斜。探测区域煤层位于须家河组第五段顶部。该煤层在矿区范围内, 总体稳定。煤层产状290~300°∠1~3°。探测区域的地层由新至老为:第四系、侏罗系中统下沙溪庙组、新田沟组、侏罗系中下统自流井组、侏罗系下统珍珠冲组、三叠系上统须家河组六段至一段、中统雷口坡组。

2 矿区岩石物性及地球物理特征

根据邻区地球物理测井资料统计, 区内地层以泥岩、砂岩和煤层为主, 采空区一旦含水或者含有潮湿空气会造成低阻率低, 且由于采掘工作的影响, 地层扰动裂隙发育, 出现电阻率高低不均匀变化的特征。通过这个特征, 可以利用瞬变电磁法勘探, 判别电阻率的差异来解释出采空区含水性及采空区范围。

3 野外工作方法

根据矿方要求, 本次瞬变电磁勘查以40×40的网度布置瞬变电磁测点, 局部重要区域以40×20的网度布置瞬变电磁测点, 共布置测线22条测297个点。本次主要参数如下:发射线框:360 m×360 m;接收线框:100 m2天线;发射电流:10A;工作频率:5/25 Hz;施工中采用加拿大凤凰公司生产的V8工作站采集系统进行施工采集工作。

4 数据处理

本次勘探采用吉林大学编制的Geo Electro软件进行资料处理, 所有资料全部由人机交互完成, 运算及成图过程比较复杂 (见图1) , 简单地叙述如下。

4.1 原始资料的预处理

对经过验收的原始资料进行滤波、排序、坏点剔除等基础处理, 为进一步的计算和处理工作做好准备。

4.2 几种重要参数的计算

按照瞬变电磁法数据解释原则和要求, 对每一个测点的数据文件进行计算, 计算出每一点的视电阻率、视深度参数, 为绘制定性图件做数据准备。

1) 晚期视电阻率:

2) 纵向电导:

3) 视深度:

4.3 图件显示

将每条测线上各测点的同一道响应值按测点桩号连成曲线, 并将多道曲线进行组合形成多测道曲线。

将上述计算后视电阻率和视深度参数与剖面线上对应的测点进行组合, 应用绘图软件绘制成视电阻率等值线断面图, 该断面图即为资料解释的基础图件。

5 资料解释

5.1 资料解释原则

经资料处理, 在获得视电阻率等值线断面图的基础上, 结合已知地质资料与实地调查资料的对比和分析, 对资料进行综合解释。遵循从已知到未知, 由点到线, 再由线到面的解释原则, 根据视电阻率切片图上的电性特征, 推断解释含水区的形态、分布范围、空间位置, 在平面上做出综合判释。

5.2 剖面解释

由于剖面资料在横向分辨率上较高, 特别是出现采空区时, 电阻率等值线会出现较为明显的转折和绕曲, 这对于分辨含水区边界极为有利, 一般物探解释时均采用各测线电阻率断面图进行划分含水区域的平面及深度位置, 并再连接成片。

5.3 平面解释

为了保证资料的直观性, 且更好地体现采空区含水层的平面特征, 根据本区情况, 在煤层深度进行水平切片, 切片情况能够较客观地反映含水区在矿区平面上的分布情况, 采空区及含水区在水平切片图上往往显示为相对高、低阻。

5.4 断层解释

视电阻率切片图中如果出现条带状或念珠状的低阻或高阻异常可推断成断层的平面走向, 由于断层带上往往岩石破碎、裂隙发育, 容易形成富水带, 在电阻率反应上显示为低阻。

6 探测成果

图2为0测线视电阻率剖面图, 在煤层0~50, 160~220的两个位置表现出高阻异常, 综合分析本区域的地电特性, 判定为两处采空区, 与切片图5上解释的采空区吻合, 断层范围等也吻合, 与井下揭露也基本吻合。

图3为640测线视电阻率剖面图, 在煤层0~100, 200~420, 520~720的三个位置表现出高阻异常, 综合分析本区域的地电特性, 判定为三处采空区, 与切片图4上解释的采空区吻合, 断层范围等也吻合, 与井下揭露也基本吻合。

图4为640~840测线煤层切片图, 由于测线对应区域的煤层标高实际是360, 当时切370是为了整个工程具有对比性, 所以实际是采空区上部的电性反应, 所以采空区表现为高阻体, 断层表现为串珠状的高阻体。其探测的采空区范围和已知采空区范围基本吻合, 断层范围也与部分揭露地段相吻合。

图3 640测线视电阻率剖面图

图5为0~240测线煤层切片图, 测线对应区域的煤层标高实际是370, 和实际切片标高370一致。所以采空区表现为大部分干燥无水, 成高阻体, 断层富水性好, 成低阻体, 且形成条带状。其探测的采空区范围和已知采空区范围基本吻合, 断层范围也与部分揭露地段相吻合。

7 结论和建议

1) 剖面图基本探明了采空区的分布和边界、断层的发育特征和破碎带范围。

2) 切片图基本探明了煤层的状态 (包括采空区分布和范围、断层的发育情况和破碎带范围、井巷的影响等) 。

3) 本次探明的断层在走向和倾向上与揭露的基本一致, 性质上也可以明显看出是逆断层, 富水性好。解释断层在平面位置与矿方提供的资料相距30 m左右, 具体断层位置以井下揭露位置为准, 今后矿方施工当靠近本次探测断层位置时, 一定要做提前预测预报, 并要按照相关规定留足安全隔水煤柱, 以防安全事故发生。

4) 本次探明的老采空范围与矿方提供的资料基本一致, 此外又探明了几个新的采空区域。由于本次物探测区布置范围所限, 只能对测区范围内的区域进行采空区圈定, 不能对整个矿区进行采空区范围圈定。

5) 通过本区资料反应, 采空区无水时电阻率一般在150Ω·m以上, 大于一般含水区电阻率, 可见该区采空区内含水性不强, 主要以垮塌的泥岩及裂隙渗透水为主, 但是, 在煤层采掘工作中由于对顶底板煤层扰动及岩层垮塌, 造成岩层裂隙发育, 可能导通区内的其他含水层, 对井下开采有较大影响。

参考文献

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