断层探测

断层探测（共8篇）

断层探测 篇1

0 引言

中国大多数矿井地质构造条件复杂, 在煤矿采掘过程中, 经常会遇到小断层等隐伏构造, 但落差在5 m以下的断层在地面勘探阶段难于用物探和勘探手段精确查明。在掘进巷道时, 一旦遇到这类小断层就需采取破顶、卧底或水平绕道等措施才能找到对盘煤层, 每过一条小断层, 就要出现20 m~40 m的废巷。一方面造成无效进尺, 增加吨煤成本;另一方面, 降低掘进速度, 出现接续紧张。同时对那些高瓦斯及涌水量较大的矿井, 这类小型断层又是造成矿井突水和煤与瓦斯突出的重要地质因素, 直接影响煤矿安全生产[1]。因而, 在采掘生产过程中, 准确超前探测这些隐伏构造对保障煤矿安全高效生产至关重要。中国目前为止用于井下探测煤层中小断层的方法主要有钻探和物探, 本文主要对井下钻探方法探测小断层进行研究。

探测小断层准确与否取决于一些关键要素, 比如首先要对矿区的区域地质构造有大致了解, 清楚矿区内部主要构造的分布规律, 大多数情况下, 井下小断层受控于大规模的构造, 甚至是有些大构造的伴生断层, 这样一来就可以根据已知构造先对小断层的产状、位置进行预测, 使得探测更有目的性;有时钻探的结果会存在多解性, 而且因为施工和钻孔歪斜原因也会降低钻探预测的可信度, 井下物探的影响因素很多, 因此做到钻探与物探相结合才是提高小断层预测精度的正确方法。

1 井下钻探方法探测小断层的基本原理

表征钻孔轨迹的基本参数有三个:孔深、仰角和方位角[2]。利用井下坐标系统, 或建立一个相对坐标系统 (如图1所示, 设Y轴指向正北) , 在统一的坐标系下, 确定井下钻孔的开口坐标、钻孔仰角和方位角、钻至煤层顶板 (或底板) 时的钻孔长度, 然后根据式 (1) 计算煤层顶板控制点坐标[2]:

式 (1) 中, αi为钻孔i的仰角, °;βi为钻孔i的方位角, °;Li为钻孔i的钻进煤层顶板 (或底板) 孔深, m。

一般钻孔的开孔位置选在煤层的中间, 仰角用公式确定:

式 (2) 中, M为煤层厚度的一半, m;L为设计钻孔深度, m;α为仰角, °。这样如果钻孔在设计深度L之前打到煤层顶板 (或底板) , 则认为在该位置存在断层。

2 误差分析

由于受各种条件的影响, 在现实探测中往往会出现许多比较大的误差, 使得探测的结果准确性大大降低。影响小断层探测准确性的原因主要有以下方面。

2.1 断层本身的影响

由于煤层本身比较软, 而断层的形成必然伴随应力局部集中。一旦在煤层中形成了断层, 就会使得煤层的赋存条件产生局部变化, 如煤厚、煤层产状等。煤层中小断层落差较小, 这样就容易形成一些特殊形态的断层, 如断顶不断底或断底不断顶的断层。在掘进工作面或回采工作面遇到这样的断层, 就会给钻探探测的准确性造成很大影响, 如图2~图3。按钻探的结果, 前方的煤层并没有发生断裂, 实际上是存在一条小断层的, 如果这时候按正常的情况掘进巷道或进行回采一方面会有安全危险 (煤与瓦斯突出、突水) , 另一方面当工作面掘进到断层位置只能采用破底推进, 会耽误生产进度。另外顶底板起伏、层间滑动引起的顶底板刺入、嵌入煤层等特殊情况都会对探测的准确度造成影响。

2.2 钻孔歪斜因素分析

受地质条件和施钻技术等因素的影响, 在实际施工中, 钻孔会发生偏斜, 产生孔深误差影响断层的探测精度[3]。钻孔偏斜产生的原因可归纳为以下两个方面:

a) 地质条件因素。由于煤属于松散层, 在钻进过程中钻孔周围的煤容易垮落, 钻头与孔壁之间会产生间隙, 这为钻具提供了偏倒的空间, 从而使钻孔偏离原来的轨迹, 且钻孔偏斜程度与钻孔深度成正比[4];

b) 施工技术条件因素。 (a) 钻孔打的越深, 钻杆的自重力越大, 当自重力大到一定程度, 会造成钻孔轨迹向下偏移, 最终钻孔的形态是一个不规模弧形, 但施工人员依然按照规则直线去处理, 这样就会造成预测错误; (b) 工人无法保证钻头始终沿着预定方位钻进, 最终会导致“偏之毫厘谬以千里”, 钻孔越深, 误差越大; (c) 钻头、钻杆本身弯曲, 或质量不合格等因素都会造成钻孔轨迹出现歪斜。

3 提高探测精度的方法

提高探测准确度的方法主要是预防钻孔偏斜, 在钻孔施工过程中为预防偏斜而采取一定措施:

a) 应该先做物探, 在物探基础上有目的地进行探测钻孔设计, 其方位应该重点探测物探效果不太好的地方;

b) 钻杆自重力导致的钻孔偏斜较难避免, 因此井下小断层预测钻孔的深度不宜太大;

c) 钻进施工时, 注意调整钻压, 不要过量加压, 严防钻杆打弯;

d) 钻进施工中, 当岩石由软变硬或由硬变软时, 或由完整变破碎, 破碎变完整等情况, 均应减压减速钻进, 并对冲洗液的流量加以适当控制[5]。

另外在钻进过程中, 隔一段距离就对钻孔进行测斜, 一旦发现钻孔偏斜较大, 及时提钻并打分支孔继续按设计方位钻进。表征钻孔轴线空间形态的有孔深L、倾角θ和方位角α三个主要参数, 其点线面和角之间的关系见图4。

钻孔轨迹计算方法如下:

式 (3) ~式 (5) 中, θi为Mi的倾角, °;αi为Mi的方位角, °;λ为主设计方位角, °;Li为钻孔两个测点间的距离, m。

4 结语

井下小断层的准确、超前探测对于煤矿安全高效生产至关重要, 目前探测方法有物探和钻探。由于井下环境往往比较复杂, 直接影响物探准确性, 因此大多数矿井采用钻探的方法进行探测。钻探法探测小断层经常会出错误的结果, 主要原因有特殊断层 (断顶不断底和断底不断顶的断层) 和钻孔偏斜。钻孔要同时控制煤层顶板和底板, 钻进过程中每隔一段要进行测斜, 看钻孔偏离的方向和程度, 并及时采取措施使钻头沿设计轨迹钻进。

摘要：在全面分析井下小断层的探测方法的基础上, 总结钻探法探测小断层的基本原理, 分析产生误差的原因, 结合生产实际提出解决问题的关键。

关键词：井下小断层,探测,钻孔歪斜

参考文献

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[2]崔洪庆.利用瓦斯抽采钻孔探测煤层小断层[J].煤炭科学技术, 2014, 42 (2) :34-37.

[3]张敦伍, 任胜杰.瓦斯抽排钻孔防偏斜实践[J].矿业安全与环保, 2005, 32 (4) :67-68.

[4]鄢泰宁.岩土钻掘工程学[M].武汉:中国地质大学出版社, 2009.

[5]李旭东.煤矿井下施工钻孔偏斜原因分析和对策[J].煤炭技术, 2009, 28 (6) :120-121.

断层探测 篇2

高分辨遥感在杭州活断层探测中的应用

详细探查城市及其周边地区的`活断层,对于城市的防震减灾工作具有十分重要的意义.卫星遥感技术可在活断层探测中发挥重要作用.以杭州地区为例,系统介绍了提取第四纪松散沉积物覆盖区域的隐伏活断层信息流程和方法.结果证明,在弱活动构造地区,利用卫星遥感技术进行活断层探测是可行的.

作 者：张微 陈汉林 李启敏 程晓敢 姚琪 ZHANG Wei CHEN Han-lin LI Qi-min CHENG Xiao-gan YAO Qi  作者单位：张微,陈汉林,程晓敢,姚琪,ZHANG Wei,CHEN Han-lin,CHENG Xiao-gan,YAO Qi(浙江大学地球科学系,浙江,杭州,310027)

李启敏,LI Qi-min(杭州市地震局,浙江,杭州,310013)

刊 名：煤田地质与勘探  ISTIC PKU英文刊名：COAL GEOLOGY & EXPLORATION 年，卷(期)： 35(3) 分类号：P627 P315.2 关键词：活断层   遥感   第四纪   弱活动构造  

断层探测 篇3

关键词：掘进工作面,地震波,水文地质,超前探测

0 引言

Y252工作面位于唐山矿岳胥区11水平,南、西部为井田边界及F5断层。东部为7173、7050、7050西、7170等开拓巷道,北部无采掘工程。该工作面在5煤层顶板含水层下施工,此处含水层直接接受冲积层补给,动水补给量充沛,不易疏干。根据地面三震勘探成果资料,向前掘进将至DF11断层,其间还可能存在一些小断层和裂隙发育区。对Y252工作面安全掘进施工及岳胥区工程构成潜在威胁。为保证掘进施工安全,需查明前方构造位置及其富水性,为巷道设计、支护及矿井防治水提供依据。结合风巷的实际情况,采用矿井巷道地震波超前探测方法,力求提高探测的准确率。对Y252工作面的安全掘进施工以及岳胥区工程的施工具有十分重要的意义。

1 矿井震波超前探测基本原理

矿井震波超前探测是应用地震波在传播过程中遇到不均匀地质体时会发生反射的原理,结合巷道的特点,设计研制的沿巷道后方布置震源和传感器来探测巷道前方地质条件和水文地质条件的观测系统。震波是由特定位置进行小型爆破产生的,爆破点一般是沿巷道左(右)帮平行洞底成直线排列,这样由人工制造一系列有规则排列的轻微震源,形成地震断面。这些震源发出的地震波在遇到地层层面、节理面、特别是断裂破碎界面和溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等不良界面时,将产生反射波。

2 矿井震波超前探测井下施工

2.1 测线布置与数据采集

现场探测工作在Y252工作面掘进超前风巷迎头处展开。因该工作面在5煤层顶板含水层下施工,此处含水层直接接受冲积层补给,动水补给量充沛,不易疏干。为了进一步查明前方构造准确位置及裂隙发育情况,现场进行了地震超前探测与预报,为掘进施工安全提供有效的技术参数。

2.2 矿井震波超前MSP现场布置

测线布置左帮上,水平布置,炮孔26个;接收传感器点为2个即C1、C2。传感器及炮孔顺序和方位见图1,设计炮间距2m。其中C2传感器距离P26号炮点15m,C1点距C2点5m。标志点风轴距离迎头5.5m。

3 矿井震波MSP超前探测数据处理与分析

3.1 数据处理

将现场采集到的物探数据经过处理转化为可利用的物性图件,其处理流程为:数据预处理——频谱分析——直达波求取——反射波提取——速度分析——深度偏移——界面提取。根据速度谱并结合现场岩性情况,再结合以往探测的验证结果,本次MSP探测取综合速度为2.5m/ms进行偏移处理速度。频谱分析处理利用FFT工具对本巷道采集的地震波形进行频率域分析,作用在于掌握对本巷道在炸药震源条件下的地震波主频分布范围,有利于指导后续数据的处理。采用各记录源检距和初至到时可拟合成直达波初至直线,经分析直达纵波速度为2.5m/ms。利用直达波速度可基本确定本探测区域速度范围并作为深度偏移时的速度背景值。深度偏移处理为MSP处理的核心部分,在给定速度模型的条件将来自前方介质的反射能量偏移归位至空间点上。以此成果图件为基础提取巷道前方反射界面。基于直达波速度,本次均匀速度背景值取值为2.5m/ms。由于采用炸药震源,探测距离较远,以C1为相对零点,整体探测距离达到227m,其中已揭露区77.0m,未揭露区150.0m。

3.2 结果分析

用MSP方法得到的巷道前方地震纵波界面提取面,从剖面中分析可以看出,自迎头向巷道前方150m范围内存在有较为明显的反射相位,异常界面距当日迎头前方68-73m段,而距风轴点为73.5-78.5段,较强的反射界面距当日迎头前方93-98m段,而距风轴点为98.5-103.5m段,其界面反射能量较强,同时在横波剖面中可以发现在当日迎头前方5-10m段具有反射波相位,可能为存在的裂隙发育的特征表现。

4 结论和建议

通过超前地震现场进行勘探,综合上述纵横波偏移结果及现有地质资料,得出如下:(1)推断在风轴测点前方73.5-78.5段存在R1异常界面,在风轴点前方98.5-103.5m段存在R2异常界面,在风轴点前方128.5-133.5m段存在R3异常界面。(2)结合地质资料将在风轴测点前方73.5-78.5段R1异常界面推断为破碎带或者小构造,裂隙较发育。规模较小,对掘进影响不大。(3)从MSP超前探测结果得出,相对风轴点向巷道前方98.5-103.5m存在R2异常界面和128.5-133.5m处存在R3界面推断为具有一定规模的构造、存在断层或破碎带,对巷道掘进有一定影响。(4)综上,在探测控制范围内可安全掘进,在掘进通过预报的构造或破碎带时提前做好防治措施,加强顶板管理和巷道支护。

通过超前探测,基本了解了DF11断层区域内的水文地质情况。因第一次进行地震超前探测,其地震波速选取对断层界面位置的解释产生一定的影响,建议掘进过程中加强地质编录,以便后续探测的深入分析。同时做好异常界面处的安全技术措施。确保Y252工作面的安全生产。

参考文献

[1]刘树才,刘志新,姜志海.瞬变电磁法在煤矿采区水文勘探中的应用[J].中国矿业大学学报.2005(7).

[2]赵永贵,刘浩,孙宇,肖宽怀.隧道地质超前预报研究进展[J].地球物理学进展,2003,(03).

断层探测 篇4

1.1 地形地貌特征

上海地区除了在西南部零星散布有十余座海拔百米以下的基岩剥蚀残丘外, 一般地势平坦, 地面高程介于2.2-4.8m之间, 大致为东高西低的微倾斜平原。以岗身为界, 其西为湖沼平原, 地势低洼, 高程在4m以下;其东为滨海平原, 地面高程一般略大于4m。沿长江, 包括崇明、长兴等岛屿及一些沙洲, 为典型的现代河口三角洲地貌, 高程3-4m。

1.2 地层

上海大地构造隶属扬子准地台的浙西-皖南台褶带和下扬子台褶带的北东延伸部分, 新构造分区属苏北-南黄海沉降区的苏锡沪缓慢下降区。全区几乎都被巨厚的第四纪沉积物覆盖, 厚约300m左右, 自西南向东北逐渐加厚。第四系是一套以粘性土与砂性土交互的碎屑沉积物, 由下而上具明显的韵律性变化。

2 地震勘探工作方法

本次地震勘探的测线大多沿两条断裂推断位置大致垂直的方向布设。根据实地测线布设位置, 采用地形图结合地物、测绳量距的方法确定炮点、检波点, 每条测线端点、拐点及地面易辨认的标志物 (如沟渠、桥头、电线杆、里程碑等) 的坐标用GPS测定。

2.1 野外数据采集

定本次野外数据采集参数为:道距5m, 接收道数72道, 覆盖次数12次, 偏移距45m, 炮间距15m, 记录长度1024ms, 采样间隔1ms, 8次振动垂直叠加。

2.2 数据处理与资料解释

虽然本次采集到的数据信噪比高, 但数据处理对于最终成果的可靠性同样起到至关重要的作用。在数据处理中, 为了尽可能获得最佳的叠加效果, 最大限度地提高信噪比和分辨率, 通过处理试验确定合理的处理流程及参数。

本次浅层地震所获不同测线地震时间剖面图显示地下基岩面及以上深度范围内发育有数量不等的反射波组, 经对有效波组的分析对比, 并结合地质资料分析, 一般可划出4组有效反射波组, 少量可划出3组有效波组, 个别测线可划出5-6组有效反射波组相应地可分别划为5、4、6、7个物性层, 各物性层及推断的地质属性列于表1。

3 地震勘探揭示的断层构造特征

本次地震勘探共发现14处与太仓-奉贤断裂相关的断裂痕迹, 在地震时间剖面上表现为反射波同相轴有明显的错动、消失等现象, 并形成一定落差。据各测线获得的断点埋深、断距、错断层位等特征将断裂由北向南划分为三段, 各段特征总结如下:

3.1 北段 (包括f1、f2、f3断点) 。

测线2200m附近出现T3和Tg反射波组被明显错断, 呈现西高东低的异常 (f1) , 为东倾正断裂, 倾角较陡, 断层两侧落差5-6m, 断层宽度约10m, 断层上断点深度推测为175m左右, 位于下更新统 (Q1) 上部, T2波组完整, 说明没断至中更新统 (Q2) 。

3.2 中段 (包括f4-1、f4-2断点)

测线分别采用可控震源和枪式震源进行施工。测线编号分别为4-1、4-2, 在对应位置均出现异常 (f4-1、f4-2) , T3、Tg反射波组发生中断、错动。断点分别位于4-1测线的1450m和4-2测线的630m附近, 断层性质相近, 均为西高、东低的正断层, 断层两侧落差约10-15m, 倾向东, 倾角较陡, 断层宽度不大, 断层上断点深度均约190m, 错断了基岩和下更新统 (Q1) , T2波组连续、完整, 说明为中更新世 (Q2) 以前的断层。

此段断点埋深均在160-190m之间, 变化不大, 断距在10m左右, 有一定宽度, 倾向多为东倾, 有西倾断裂发育, 局部呈双断裂。

3.3 南段 (包括f32-1、f32-2、f35、f36-2、f36-1、f38断点)

测线地震时间剖面图显示, 基岩面反射波组较清晰 (如图1) , 在269 CDP和179 CDP附近出现两处基岩面反射波组 (Tg) 能量减弱、相位不连续的异常 (f32-1、f32-2) 。该两异常均表现为西低东高, 但落差很小, 均未影响到上覆第四系内部界面的反射波组。这两断点均为西倾正断层, 宽度均为15m左右, 断层两侧基岩面落差分别为4m和2m, 上断点深度分别为282m、290m, 断层仅发生在基岩及覆盖层底部。T3及以上地层反射界面反射相位未受影响, 表明其活动时代应为早更新世早期。

4 结论

本次勘探共发现关于太仓-奉贤断裂的断点共14处, 对各断点特征总结发现:太仓-奉贤断裂走向近北西向, 由多支倾向不一的分支断裂组合而成;断裂北端埋深较浅, 向南逐渐加深, 至40测线以南断裂埋深达到最大, 近500m;各断裂断距不大, 10m左右, 都具备10m左右的断裂宽度;断裂错断至第四系更新统底部, 由此推测太仓-奉贤断裂是活动断裂, 具有一定的地震危险性。

参考文献

[1]曹令敏.应用浅层地震勘探划分地下软土结构[J].工程地球物理学报, 2007, 4 (3) :251-255.

[2]江苏省工程物理勘察院.上海市活断层探测与地震危险性评价陆域目标区初查阶段物探勘查工作报告[R].2005.

断层探测 篇5

关键词：矿井瞬变电磁法,超前探测,含水构造,多匝小回线,扇面扫描

巷道掘进前方隐伏的导、含水构造极易造成矿井突水事故的发生, 对煤矿的安全生产构成了极大的威胁。采用接触式的钻探方法进行预报不仅成本高、效率低, 而且钻进过程中有可能诱发水害, 因此研究和应用非接触式的地球物理超前探测技术, 准确及时地预报掘进前方隐伏的导、含水构造, 对于煤矿的防治水工作与安全生产具有十分重要的意义[1,2]。多匝小回线装置形式的矿井瞬变电磁法是近年来为了克服矿井直流电法井下施工受限、电极接地困难而发展起来的一种新的井下物理探测技术, 具有施工方便快捷、体积效应小、探测距离大等优点, 在对巷道掘进前方断层、陷落柱、水文钻孔等构造的导、含水性的超前探测中应用效果较好[3,4,5]。

鹤煤公司十矿1504底板抽放巷位于十矿15采区回风上山的中部, 总工程量为469.9 m (其中, 施工平巷380.3 m, 下山89.6 m) , 拟与13采区1309底板抽放巷贯通, 1504底板抽放巷布置于二1煤层底板岩层中, 掘进岩层为C3L8灰岩, 煤层厚约7 m。贯通过程中, 该抽放巷需穿过F1061断层, F1061断层为平移正断层, 力学性质为张性兼压扭性, 断层产状为走向70°、倾向340°, 倾角50°, 断层落差30～90 m, 其导、含水性不明。为安全起见, 掘进面距断层约40 m时, 采用瞬变电磁超前探测技术对该断层的导、含水性进行了探测, 取得了较好的应用效果。

1基本原理

矿井瞬变电磁法基本原理实质上与地面瞬变电磁法相同, 但由于采用的是边长小于3 m的多匝小线框, 因此与地面瞬变电磁法相比具有测量设备轻、工作效率高、成本低等优点。矿井瞬变电磁法一般采用2个线圈, 1个作为发射, 1个作为接收, 发射线圈平面的法线方向即为探测方向。探测时架设线圈使其法线方向对准巷道中所要探测的目标体, 在发射线圈中通以阶跃电流, 而后瞬间关断。通电期间大地中便建立了一次磁场, 断电后在巷道围岩中激发了以发射线圈法线方向为中心的涡旋感应电流场。最初激发的感应电流场仅局限于发射线圈周围且最强, 随着时间的推移, 该感应电流场沿着发射线圈平面的法线方向向周围介质中扩散, 其强度逐渐减弱, 分布趋于均匀。

根据美国地球物理学家M.N.Nabghan的研究, 在均匀介质条件下, 感应电流呈环带分布, 涡流场极大值首先位于紧挨发射回线围岩处, 随着时间推移, 该极大值沿着与线圈平面呈30°倾角的锥形斜面向前、向外移动, 强度逐渐减弱。任一时刻发射线圈前方的涡旋电流在发射位置处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, 该环状线电流紧接发射回线, 与发射回线具有相同的形状。随着时间推移, 该电流环向前、向外扩散, 并逐渐变形为圆电流环。等效电流环很像从发射回线中吹出来的一系列“烟圈”, 因此, 将涡旋电流沿发射线圈法线方向向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应” (图1) 。从“烟圈效应”的观点看, 早期瞬变电磁场是由靠近发射线圈巷道前方介质的感应电流产生的, 反映近距离电性分布;晚期瞬变电磁场主要是由远离发射线圈巷道前方介质的感应电流产生的, 反映远距离的电性分布。因此, 根据接收到瞬变电磁场随时间的变化规律, 可以探测巷道前方岩层的电性变化, 达到超前探测的目的。

2瞬变电磁超前探测

2010年10月22日, 在鹤煤十矿1504底板抽放巷进行了超前探测。此次勘探使用专业瞬变电磁探测仪terraTEm。该仪器具有抗干扰、轻便、自动化程度高等特点。数据采集由微机控制, 自动记录和存储, 应用USB接口实现数据回放。该仪器是目前国际上最为先进的轻便型瞬变电磁仪。重叠回线装置, 发射和接收线框采用多匝2 m×2 m矩形回线。采样时窗为134;叠加次数64, 时间采用标准时间序列。

探测基点为1504底板抽放巷DC6导线点前32 m处, 巷道底板无轨道和其他金属设施, 掘进断面内有2根临时支护锚杆和1根被卡死的超前钻杆。探测共布置了11条扫描线 (图2) , 形成对掘进面左前方、正前方、右前方的探测。掘进面探测时按照图3所示进行3个方向的探测, D1为水平探测方向, D2探测方向与水平方向呈30°, 指向巷道底板, D3探测方向与水平方向呈30°, 指向巷道顶板。

3 资料解释及验证

勘探异常区的划分标准主要根据视电阻率等值线断面图上视电阻率值的相对大小与分布范围、含水体的赋存特点等进行判断，但同时要考虑到井下测量现场巷道底板上的轨道、工字钢、锚杆支护、运输胶带等各种金属设施的干扰，这些干扰在瞬变电磁中也是一种低阻响应。在进行资料解释时要进行排除和校正。

图 4、图 5、图 6 为 DC6 + 32 m 在 3 个方向上的瞬变电磁超前探测视电阻率等值线图。顶板方向探测视电阻率图上视电阻率值分布均匀，无明显较大跃变区域，视电阻率高于 10 Ωm，无相对低阻异常表现。顺层方向 DC6 + 32 m 掘进面正前方约 50 m，存在视电阻率小于 8 Ωm 的相对低阻异常，主要受探测时掘进面正前方存在的锚杆与钻杆的影响所致。除此外，顶板方向、底板方向左前方、正前方均无相对低阻异常表现，据此推测 DC6 + 32 m 掘进面左前方、正前方扫描区域内不存在较大富水体。据此说明 F1061断层导、含水性较弱，1504 底板抽放巷穿过该巷较为安全，发生较大突水事故的可能性较小。

2010年12月巷道掘进后, 验证断层不导水, 只有少量滴淋水, 与资料解释基本吻合。

4结论

利用矿井瞬变电磁超前探测技术对F1061断层的导、含水性进行探测, 取得了较好的应用效果。该法克服了以往直流电法井下施工受限、电极接地困难等缺点, 具有施工方便快捷、体积效应小、探测距离长等优点, 能够超前预报巷道掘进前方断层的导、含水性。

参考文献

[1]刘树才, 岳建华, 刘志新.煤矿水文物探技术与应用[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2005.

[2]王齐仁.地下地质灾害地球物理探测研究进展[J].地球物理学进展, 2004, 19 (3) :497-503.

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[4]傅佩河, 祝仰民, 周长根, 等.断层富水性的矿井瞬变电磁法探测[J].煤矿开采, 2006, 11 (2) :13-16.

断层探测 篇6

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

[1]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.

[2]牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙:中南工业大学出版社, 1993.

[3]于景邨, 胡兵, 刘振庆, 等.矿井瞬变电磁探测技术的应用[J].物探与化探, 2011, 35 (4) :532-535.

[4]张胤彬, 张华, 杨海燕, 等.瞬变电磁法在煤矿水文地质灾害调查中的应用[J].物探与化探, 2012, 36 (2) :283-286.

断层探测 篇7

断层是矿井设计的主要依据之一。井田内水平、采区以及工作面的划分,井田开拓方式的选择及井下开拓掘进系统的布置等,都要考虑断层的存在断层带及断层两侧的岩石如果破碎严重,岩石强度降低,容易积聚瓦斯、导通地表水和地下水,引发矿井突水、瓦斯突出和塌陷冒顶等事故;若在巷道掘进中遇到断层,可能还会引起生产设计方案的调整,导致巷道掘进量增加,甚至形成大量废巷[1]。上述表明,断层是影响煤矿安全生产的主要地质因素。目前,煤矿探测断层的常用物探手段主要有地面三维地震勘探[2]、井下无线电波坑透[3]和槽波地震勘探[4]等。其中地面三维地震勘探由于距探测目标远、受地形影响大,对小型断层探测分辨率明显降低,难以满足高效安全开采的需求[5]。而义马矿区位于豫西低山丘岭地带,加之开采深度大,所以适用性差。井下无线电波坑透受井下电磁干扰环境复杂、高频电磁波穿透能力弱等因素的限制,其探测距离偏小[6]。井下槽波地震探测技术具有槽波只在煤层中传播且波形易于识别、携带信息丰富、探测距离远、分辨精度高、受外界因素干扰小等特点[7],既能探测工作面内部的断层也能探测外部的断层,是一种较理想的断层探测手段。

1 理论分析

槽波勘探技术探测断层的方法主要有透射法和反射法[8]。

(1)槽波反射法。反射法用于探测采煤/掘进工作面内部或外部的断层。当煤层全部或者部分被断开时,断层两侧的波阻抗是不同的,因此断层面就是一个反射体[9]。反射法槽波勘探是在同一条巷道的同一侧帮布置检波点,安装检波器,接收信号。反射法地震勘接收到的信号有沿煤壁传播的P波和以埃里相为主的槽波。槽波地震反射法勘探利用的是接收到的Rayleigh型槽波(R波)来解译地质信息。槽波完成反射以后检波器只会接收一小部分激发能量。波阻抗越大,则槽波反射越强烈。此外,断层的落差与反射体对煤层波导的阻断程度、横向岩石物性差异(决定反射系数的大小)、断层破碎带的规模、煤层厚度及槽波频率的高低等也会影响槽波反射信号的强弱。

(2)槽波透射法。透射法用于探测工作面内部断层发育情况、陷落柱分布和煤层厚度及其变化等[10]。由于槽波能量束缚于煤层中[11],当槽波传播过程中受到煤层内构造断层或其他干扰阻碍,即断层落差大于煤层厚度的断层之后,是不会观测到槽波的;另外,若观测到槽波,则表明:(1)勘探区域没有断层出现;(2)根据槽波数据分析,可能存在落差小于煤厚的断层。透射法勘探[12]是利用一条巷道布置炮点,通过放炮形成震源,激发能量,产生地震波;在另一条巷道中布置检波点,安装检波器,接收信号。也可以辅以切眼布置炮点或检波点。槽波透射法地震勘探接收到的信号有:P波、S波和以埃里相为主的槽波。槽波地震透射法勘探主要利用的是接收到的Love型槽波(L波)来解译地质信息。影响透射法探测效果的因素有很多,如观测系统设计的合理性、震源能量强弱、背景噪音、煤层顶底板的岩性、煤层赋存条件等[13]。此外,在掘进工作面独头巷道勘探时,未能有切眼布置的检波点/炮点作为辅助,导致射线覆盖不紧密,存在盲区,对解译成果也会有局部影响[14]。

(3)透射/反射联合勘探施工方法。透射法与反射法联合使用,就是分别采用透射法和反射法对目标体进行探测和解译,并综合分析勘探成果,以期取得更好的槽波勘探效果。布置方法:若探测范围较大,可以采用分次施工,反射法和透射法可分开进行,分别采用不同震源;若探测范围较小,可以采用同时施工,同样一条巷道布置检波点和炮点,另一条巷道布置检波点,共同使用一个激发震源,可同时接收(图1)。

此方法是利用透射炮点S2到检波点G的射线,对断层进行透射观测,用于估计与煤层厚度相比,断层落差相对的大小;利用反射炮点S1到检点G的反射线,确定煤层内断层的位置和规模。

2 勘探实例

(1)测区概况。郁山矿33051工作面属掘进工作面,回风巷已掘进443 m,运输巷已掘进270 m,东西倾向宽度150 m。根据已掘进情况,煤层厚度变化较大,平均厚度不足1.8 m,且无煤区广布。根据地面三维地震资料,工作面内部大致存在一条走向断层,但是,随着受勘探深度的加大,地面地震的分辨率明显降低;浅部2水平的采掘活动,也使地面不具备再次勘探条件。

(2)观测系统设计。为查明33051掘进工作面内部构造位置及煤厚分布,更好地对其设计与改造,基于槽波地震勘探透射法与反射法,利用相同震源,采用SUMMIT型槽波地震仪对工作面进行勘探。在运输巷内帮设计检波器孔23个,孔距10 m,受工作面煤厚急剧变化和无煤区限制,其中G9—G10孔距50 m;在运输巷内帮设计施工炮孔24个,孔距10m,其中S10—S11孔距50 m;在回风巷内帮设计施工炮孔31个,孔距10 m,其中S9—S10孔距20 m,S29—S30孔距40 m。单炮孔炸药量为200 g,矿用1段延迟毫秒雷管引爆(图2)。

(3)数据分析。此次槽波透射法勘探采集透射数据受煤层顶底板上下起伏,煤厚变化大,大面积无煤区等因素影响,造成槽波质量很差,槽波辨识困难。经分析筛选,共完成有效检波点21个,有效炮点仅16个,经数据处理计算频散图352幅,经辨识、分析,筛选较好的频散曲线仅43条,用于拾取槽波的旅行时,从而计算槽波速度。

图3为透射法第2炮原始数据信息。可以看出,1~7道检波点艾里相呈现出高频、低速、能量较强等特点,说明存在槽波数据,判断此7道射线覆盖范围内煤层连续,或者断层落差小于煤厚,未把煤层完全断开,使得槽波可沿煤层继续传播;8~22道检波点槽波并不是很明显,推测是因为煤层被断层完全断开导致槽波无法继续传播。由此推测工作面中部可能存在一走向断层,并向掘进方向继续延伸。

在反射法勘探中,震源激发后,形成的槽波呈环状扩散,通常震源距接收点较近,故一部分槽波直接沿煤壁表面最先到达接收点,形成数据中的“直达槽波”,另一部分槽波遇到构造后,经反射到达接收点,形成数据中的“反射槽波”,由于反射射线路径通常大于直达射线路径,所以接收到的反射槽波通常位于直达槽波之后(图4)。槽波勘探数据反射槽波信号整体较强,仅个别地震道反射震相较弱,这可能是断层落差小于煤厚引起的。通过共中心点叠加技术,把同一中心点的不同炮检距射线数据经正常时差校正后进行迭加,可提高信噪比突出反射震相。

(4)成果解译。根据测区煤厚资料和实测频散曲线埃里震相频率,确定透射法拾取频率为155Hz,拾取的旅行时经CT层析成像得到槽波波速等值线图(图5)。

波速>2 000 m/s的高速区,是煤层变薄或构造区。结合实际地质资料揭露的断层分析,工作面中部的高速区是煤层被断层牵引变薄甚至完全断开,阻碍了槽波传播所致。反射叠加剖面图(图6)中靠近巷道侧帮最近的、最早到达的强震相是直达震相(P波),随后到达的出现在剖面中间的次强震相是反射震相,该反射震相不是原始数据中的埃里震相,是槽波数据经过包络叠加后的埃里震相。由于槽波的频散特性,使得反射槽波不是集中在一条同相轴上而是分布在一定宽度的时间跨度内,难以确定断层位置,所以通常沿着槽波震相中能量最强的位置绘制断层。图6中的虚线就是沿能量最强位置绘制的预测断层,距33051工作面运输巷75~100 m,走向与工作面呈近平行关系。

3 结论

(1)槽波地震勘探技术在断层探测中,反射瑞利波显示明显,表明反射法可以较准确地测定断层位置,为合理留设断层煤柱、工作面设计与安全回采提供科学依据。

(2)透射法探测可以预断出地质异常体有无和相当于煤层厚度的断层,并可以为反射数据提供波速参考,可作为反射法对断层探测的辅助手段。

断层探测 篇8

1 瞬变电磁法的原理

瞬变电磁法 (TEM) 属时间域电磁法, 是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次场, 用线圈或接地电极观测由该脉冲磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场 (纯异常场) 的空间和时间分布, 达到在时间上由先到后、深度上由浅到深的探测目的, 以了解地下介质的电性差异, 圈定异常的形态, 进而探测目标体。

2 瞬变电磁法的装置方式、参数选择及工作方法

测区概括:测区中西部小煤矿采空区大体范围、东北部及外围为已知大矿采空区, 测区南部边缘贯穿东西全区为前高村地层。

设计参数:地面瞬变电磁勘探装置形式采用大定源方式, 施工设计见图1。目标区域:360 m×700 m;发射框包围范围:600 m×900 m;目标体埋深:200~400 m;施工共设计四个发射框, 每个发射框范围400 m×600 m, 单框接收范围200 m×360 m, 重复1~2条测线, 探测范围距边框100~120 m;点线距均为20 m, 剖面方向22°。探测仪器:P R OT EM-67;放射电流20 A;关断时间:323μs;处理软件:BETEM。测量范围200~680线的200~560号点、700~900线的200~420号点。

3 瞬变电磁法应用及效果分析

3.1 剖面图分析

选取穿过测区中心的560线视电阻率断面等值线图 (图2) 作以说明:图中横坐标为测点号, 纵坐标为深度, 蓝色~红色的过渡表示视电阻率由低到高的逐渐变化。整体上看, 视电阻率等值线连续且变化不大, 在不同程度上反映了测区地层相对稳定, 沿测线方向地层产状趋于平稳;纵向上由浅至深其视电阻率基本呈现由低到高的电性特征, 至350 m左右深为最高, 再向深部逐渐降低, 该特征基本代表整个测区的电性特征。等值线图上150 m以浅的低视电阻率主要反映第四系黄土层夹砾石、粘土和二叠系上部泥岩、砂质泥岩;图中350 m左右深的视电阻率高阻异常推测为石炭系上部灰岩的反映, 再向下视电阻率逐渐降低推测为石炭系中厚层状泥岩和砂质泥岩的反映。在该剖面中部、深300 m左右280~460号点之间出现了相对高阻区, 等值线图在相应深度显示为相对高阻隆起, 推测为煤矿采空区的反映。

3.2 沿层切片图分析

由二1煤沿层切片视电阻率等值线图 (图3) 可以看出:自测区西北部至中南部的红黄色高阻区域为推测煤矿采空区的大体范围, 其形态呈带、片状展布, 东西长约450 m, 南北宽约200 m;其局部的相对低阻推测一是开采时保留的矿柱;二是采空区内弱含水部位。东部蓝色圈定的低阻区域推测为弱积水采空区120×120 m的大体范围, 且向东、向北两个方向均未封闭;东部深蓝色240/820~380/860号点条带异常推测为底板小裂隙弱突水的位置, 且越向深部反映相对越明显。

3.3 成果小结

(1) 小煤矿开采的采空区形态不规则, 其西北已延伸测区外、东北与已知矿采空区基本连成一体。该区主要以高阻异常圈定, 其赋水性不强;说明该采空区以空区为主, 即便含水其规模也不大。在测区东北角的采空区为少量积水区。

(2) 前高村断层处在测区内南边缘。在断层带上以高阻条带异常为主, 低阻条带异常不甚明显, 说明断层带宽度不大。根据瞬变电磁不同纵断面图低阻位置推测该断层西半部与原位置基本一致, 在东半部推测该断层向南逐渐位移10~20 m。推测该断层赋水性不好, 断层上部水可能已被疏干。

(3) 虽然前高村断层以北未发现具一定规模的构造痕迹, 但在测区东部的240/820~380/860号点存在小的低阻裂隙条带可能突水;且二1煤底板为L7~L9生物灰岩, 其灰岩浅部地下水循环强烈, 岩溶裂隙较发育, 在煤矿开采时应引起重视。

综合以上物探成果结合已收集到的地质资料认为:该测区西部采空区基本不积水, 米村矿采空区可能存在少量老空水;断层水上部可能已被疏干, 前高村断层以北未发现具一定规模的构造痕迹, 水文地质条件对采矿活动应无大的影响。

4 结语

实践证明, 采用地面瞬变电磁法用于煤矿老空水探测及断层赋水性评价, 技术效果突出。与其它物探方法相比, 具以下优点: (1) 不受场地限制, 探测深度大, 正常情况下一般可达500 m以上; (2) 定位准确, 尽管瞬变电磁也属于体积探测, 但实测效果表明其异常定位准确、有效; (3) 灵敏度高, 该方法测量的是纯二次瞬变场, 富水低阻地质异常体能引起较强的二次涡流场, 而贫水高阻体引起的二次场较弱, 因此, 对低阻含水地质异常体特别灵敏; (4) 探测效率高, 与传统的直流电法探测相比, 施工方便、快捷。相信随着该技术的进一步发展与完善, 其在煤矿防探水工作中将会发挥越来越大的作用, 推广应用前景十分广阔。

参考文献

[1]刘国兴.电法勘探原理与方法[M].北京:地质出版社, 2005.

[2]地面瞬变电磁法技术规程, DZ/T0187-1997[S].中华人民共和国地质矿产部, 1997.

[3]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京, 地质出版社, 1198.