综合物探技术在山西某煤矿采空区探测中的应用研究.pdf

密级 河北地质大学硕士学位论文 综合物探技术在山西某煤矿采空区探测中的应综合物探技术在山西某煤矿采空区探测中的应 用研究用研究 论 文 作 者 尹红杰 学 生 类 别 全日制 学 科 门 类 地质学 学 科 专 业 构造地质学 指 导 教 师 硕良勋 职 称 教授 万方数据 万方数据 A Dissertation ted to Hebei GEO University For The Master Degree of Structural geology Application Research of Comprehensive Geophysical Prospecting Technology in the Detection of Coal Mine-out in Shanxi By Yin Hongjie Supervisor Prof. Shuo Liangxun December, 2016 万方数据 万方数据 原创性声明原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表 的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究 工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声 明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名 日期 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解石家庄经济学院关于收集、保存、使用学位论文的以下规定学校 有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文 全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名 日期 导师签名 日期 万方数据 万方数据 I 摘 要 本文以山西某煤矿采空区为研究对象，结合可控源音频大地电磁法、测氡法对采 空区进行了综合地球物理勘查，利用两者相互验证、互相补充探明采空区的埋藏深度 及分布范围。在综合物探推断成果的基础上，研究区内地表变形的原因，探讨由于采 空区存在进而引起地表变形的影响因素，进一步建立起研究区内采空区地表变形模 型。本论文所做的主要研究工作如下 1、在查阅文献的基础上，将煤炭采空区进一步分成充空气型、充水型，地表已 变形、地表未变形四个类别。其后，对采空区的各类标志进行说明。以上两点为研究 采空区的特征奠定基础； 2、本文通过建立地质物理模型、采用数值模拟等方法系统研究充水采空区、 未充水采空区的电性特征和采空区的放射性特征； 3、对研究区内的基础地质、水文地质及煤层情况进行了收集并进行详细实地调 查，为综合地球物理勘查方法的组合选取提供了依据，并为野外工作安案的制定及数 据处理解释提供支持； 4、提出结合采空区的岩性特征、采空的电阻率特征、地下水赋存情况作为可控 源音频大地电磁法（CSAMT）成果解析的重要依据与标准。测氡方面，提出将采空 区及破碎带所具有的储气作用、集气作用、通道作用作为测氡法数据分析的原则； 5、利用专业软件对数据进行了处理解释，选取 CSAMT 法电阻率异常突变区推 断为采空区可能的分布位置，氡浓度值曲线中的异常高区和异常波动区推断为采空区 可能的分布位置，通过对比两种物探数据并结合实际地质资料后确定采空区的位置， 依据上述原则共发现研究区内四个采空区； 6、在采空区地表变形研究过程中，首先利用统计方法找到研究区内地表变形的 主要类型， 其次根据实地情况探究地表变形的分布规律， 再次充分研究采空区的埋深、 黄土特性、外来溶液情况，结合以上数据推测出地表变形的原因，建立采空区地表变 形模型，最后提出应对地表变形的措施。 研究结果表明，利用综合物探方法对采空区进行探测，可以利用两种物探方法相 互补充及验证，抑制数据的多解性，提高解译的准确性，做到比单一的物探方法更加 精确地测定采空区的分布范围与埋深，为分析采空区地表变形问题提供更好的数据支 撑。文中建立的采空区地表变形模型为研究黄土覆盖地区地表变形提供了一种新型的 思路模型，为后续研究及同类地质问题的推广提供了参考。 关键词关键词采空区 综合物探方法 地表变形 电性特征 放射性特征 万方数据 II 万方数据 III Abstract This paper takes a goaf of Shanxi coal mine as the research object, combined with the CSAMT and the Radon gas measurement to survey the mined-out area, through verification and supplement of the two s to explore the depth and distribution of the mined-out area. On the basis of geophysical results to look for the reason of ground deation, and to explore the factors of ground deation, the next work is to build a modle of ground deation which is in the study area.The main research work of this paper is as follows 1.By consulting literature, the coal mined-out area is divided into four categories air-filled type, water-filled type, the surface has been deed, the surface is not deed. Thereafter, various types of marks of the gob are described.The two points lay the foundation for the study of the characteristics of goaf 2.In this paper, the electrical characteristics of mined-out area and the radioactive characteristics of mined-out area are systematically studied by means of geological-physical model and numerical simulation. 3.This paper provides basic geology, hydrology geology and coal characteristics for the choosing of geophysical prospecting s, the supporting of processing data and making work plan. 4.The lithologic characters, the resistivity characters of underground mining and the groundwater storage condition are put forward as the important basis and standard for CSAMT analysising. The gas-storage action, gas-gather action and the translocation of a goaf and its fracture zone are proposed as the principle of radon data analysis. 5.The data are processed and interpreted by professional software software. The abnormal distribution zones of the resistivity in the CSAMT s is inferred as the possible distribution position of the goaf. The abnormal high and abnormal fluctuation zones of the radon concentration curve are inferred to be the goaf area. The location of goaf is determined by comparing two kinds of geophysical data with actual geological data. Four mined-out areas in the study area are found according to the above principle. 6.In the study of surface deation of goaf, the main types of surface deation in the study area are found by statistical . The deation regularity of surface deation in the study area was found from investigating. And then we studied the depth 万方数据 IV of goaf, the characteristics of Loess and the extraneous solution. Based on the above data, the reason of surface deation was deduced. Surface deation model of mined out area is established.Finally, we put forward measures to deal with surface deation. The results show that in order to detect the goaf of coal mine by using the integrated geophysical s, we can use the two geophysical s to verify each other to restrain the multiple solutions of the data, and improve the accuracy of interpretation. We can detect the goaf more accurately than the single geophysical , and we can provide better data support for analysis of surface deation of mined-out area. The surface deation model established in this paper provides a new model for studying surface deation of loess-covered areas, which provides a reference for the follow-up study and the extension of similar geological problems. Keywords Mined-out Areas; Comprehensive Geophysical prospecting ; Surface deation; Electrical Characteristics; Radioactive Characteristics 万方数据 V 目 录 摘 要 ..................................................................................................................................... I ABSTRACT .............................................................................................................................. III 第一章 绪 论 .................................................................................................................... 1 1.1 研究意义 ......................................................................................................................... 1 1.2 研究现状 ......................................................................................................................... 3 1.2.1 地震勘探法 .......................................................................................................... 3 1.2.2 探地雷达法 .......................................................................................................... 4 1.2.3 可控源音频大地电磁法 ...................................................................................... 5 1.2.4 测氡法 .................................................................................................................. 6 1.2.5 采空区地表变形研究现状 ................................................................................... 7 1.3 存在的问题 ..................................................................................................................... 8 1.4 研究内容 ......................................................................................................................... 8 1.5 技术路线 ......................................................................................................................... 9 第二章 采空区的分类和标志 ............................................................................................ 11 2.1 采空区的概念 ............................................................................................................... 11 2.2 采空区的分类 ............................................................................................................... 12 2.3 采空区的标志 ............................................................................................................... 14 2.3.1 采空区的地表标志 ............................................................................................ 14 2.3.2 采空区的活动标志微小地震 ........................................................................ 16 2.3.3 采空区的地球化学与地球物理标志 ................................................................ 16 2.4 本章小结 ....................................................................................................................... 16 第三章 煤矿采空区的地球物理特征研究 ........................................................................ 17 3.1 采空区的电性特征研究 ............................................................................................... 17 3.1.1 地质物理模型 ................................................................................................. 17 3.1.2 采空区电性特征的数值模拟 ............................................................................. 19 3.1.3 利用可控源音频大地电磁法探测采空区 ........................................................ 22 3.2 采空区的放射性特征研究 ........................................................................................... 23 3.2.1 地质物理模型 ................................................................................................ 24 3.2.2 采空区放射性特征数值模拟 ............................................................................ 25 3.2.3 利用测氡法确定采空区分布范围 .................................................................... 28 3.3 物探方法的综合利用 ................................................................................................... 28 万方数据 VI 3.4 本章小结 ....................................................................................................................... 29 第四章 研究区内采空区综合地球物理特征研究 ............................................................ 31 4.1 研究区地质情况 ........................................................................................................... 31 4.1.1 研究区地层 ........................................................................................................ 31 4.1.2 研究区煤层 ........................................................................................................ 34 4.2 综合地球物理方法概述 ............................................................................................... 34 4.2.1 可控源音频大地电磁法基本原理 .................................................................... 34 4.2.2 测氡法基本原理 ................................................................................................ 37 4.3 综合地球物理方法的工作布置及数据处理 ............................................................... 39 4.3.1 可控源音频大地电磁法的工作布置 ................................................................ 39 4.3.2 可控源音频大地电磁法的数据处理方法 ........................................................ 40 4.3.3 测氡法工作布置 ................................................................................................ 41 4.3.4 测氡数据处理方法 ............................................................................................ 41 4.4 综合地球物理方法的数据分析原则 ........................................................................... 44 4.4.1 可控源音频大地电磁法数据分析原则 ............................................................ 44 4.4.2 测氡法数据分析原则 ........................................................................................ 45 4.5 勘测资料分析 ............................................................................................................... 46 4.5.1 第一研究区 ........................................................................................................ 46 4.5.2 第二研究区 ........................................................................................................ 52 4.6 绘制采空区平面分布图 ............................................................................................... 55 第五章 采空区地表变形分析 ............................................................................................ 57 5.1 研究区内地表变形特征 ............................................................................................... 57 5.1.1 研究区内采空区地表变形类型 ........................................................................ 57 5.1.2 研究区内地表变形分布规律 ............................................................................ 58 5.2 煤矿采空区地表变形的影响因素 ............................................................................... 59 5.3 研究区内采空区地表变形机理 ................................................................................... 61 5.4 建立采空区地表变形模型 ........................................................................................... 64 5.5 提出对策 ....................................................................................................................... 66 第六章 结论 ........................................................................................................................ 69 参考文献 .............................................................................................................................. 71 作者简介 .............................................................................................................................. 75 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果 ...................................................................... 75 致 谢 .................................................................................................................................... 77 万方数据 河北地质大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 研究意义 2015我国煤炭年产量约为37.5亿吨，居世界第一位。煤炭资源也在我国消费和生 产能源中占据重要位置，约为50。我国煤炭总量中的绝大部分属于井下开采，由此 在我国产生了大量的煤炭采空区，给当地人民群众的生命财产安全带来巨大威胁。煤 炭一方面煤炭给我国各行各业提供了巨大的能源，保证了国民经济的正常运转；另一 方面煤炭的不合理燃烧和开采也带来了一系列环境问题和地质灾害。我国每年从地下 开采出数亿吨煤炭，打破了地球内部原有的平衡状态，特别是改变了采空区范围内原 有的应力状态，引发了各种各样的地质灾害（图1.1） 。 图1.1 采空区地表塌陷 由采矿引起的地质灾害给各国带来巨大损失，我国也不例外。中国每年从地下深 处开采数以亿计的煤炭资源，由此产生了数量众多的采空区。与其他国家相比我国富 煤地层的地质条件更为复杂，集中表现为地层容易失稳，因此，我国煤炭采空区的地 质灾害主要表现为采空区坍塌和由此带来的地表下陷、位移和变形（图1.2） 。采空区 地表变形是由于煤炭的开采打破了含煤地层原有的应力稳定态，岩层处于不稳定状 态，为了达到新的应力平衡，地质体不得不做出位置、结构等方面的姿态调整，这一 过程中采空区可能会发生塌陷、冒落等，并由此引发地表变形等一系列地质灾害。 万方数据 综合物探技术在山西某煤矿采空区探测中的应用研究 2 图1.2 煤炭采空区塌陷引起的地表开裂和下陷 我国产煤面积广阔，北方的山西、内蒙古、辽宁、吉林、河北、黑龙江等地都是 产煤大省[1]，经过调研发现，这些省份的产煤地主要位于平原或盆地农业区，煤炭采 空区地表变形造成危害的后果极为严重。2015年大陆范围内共发生采空区地表变形约 1200起，变形地表总面积约为1200km2，因煤炭采空区坍塌、地表变形造成的宜农土 地损失每年可达70km2，直接经济损失约为20亿元。自2016年以来采空区地表变形面 积进一步增长，截止2016年6月初，大陆煤炭采空区地表变形总面积约为1550km2，经 济损失约为550亿元。 大型煤矿约占煤矿采空区地表变形总面积的10， 矿区人均地表 变形面积约为0.04 km2。煤炭采空区地表变形不仅造成了巨大的经济损失，也给环境 带来了不可逆转的影响，一方面采空区地表变形改变了地表原有的状态，减少了耕地 面积，也使原有的自然景观发生改变；另一方面煤炭采空区地表变形改变了地层浅部 原有的地质稳定状态，地下水的循环方式与途径也被迫改变，进一步加剧了矿区自然 灾害发生的概率。随着经济迅速发展的需要和石油等资源的枯竭，我国对煤炭资源的 需求将进一步上升[2]，煤炭采空区将不可避免的进一步扩大，采空区地表变形灾害的 灾害发生的概率将进一步上升。 煤炭采空区勘查的技术手段主要有电法勘探、电磁勘探法、地震勘探法、以及重 力勘探方法等。 我国关于采空区勘查研究起步较早， 从建国开始就一直开展相关研究， 例如2013年，宋玉龙、邱浩利用可控源音频大地电磁法在山西某煤矿采空区探测中 的研究；2013年，牟义、董健利用可控源音频大地电磁法在内蒙古某煤矿采空区探测 中的研究；2015年，张永超、程辉等人利用可控源音频大地电磁法对大采深急倾斜煤 层采空区进行研究；2008年，杨建军、申燕等人利用测氡法和瞬变电磁法在西山煤电 集团有限公司东曲矿三采区东部进行勘测研究；1998年，段鸿杰、唐岱茂研究利用测 万方数据 河北地质大学硕士学位论文 3 氡法圈定采空区的分布范围；张旭、杜晓娟等利用相关仪器研究采空区的重力异常情 况；贺建鹏等利用三维地震对深埋采空区进行勘测研究；霍军鹏、周竹峰等人同样利 用地震法对采空区进行勘测研究。但是，与其他地质体相比采空区具有复杂性、隐蔽 性和多变性的特点，研究难度大、物探数据多解性强，研究成果往往只具有区域性， 很难推广，同时研究深度较浅，往往利用单一物探方法进行勘测研究。因此，有必要 对煤炭采空区进行深入、综合性的勘查。 本文研究区是采空地表变形发生的高风险区，该地区煤炭开采时间长，长期的地 下开采导致该地区生态环境的破坏，地质灾害频发，特别是地下大量采空区的存在， 时刻威胁当地煤炭开采和人民生活的安全[3]。因此，开展该地区采空地表变形危险性 区划研究工作对于研究区工程施工、地质灾害防治、防灾减灾工作方面具有重要的指 导作用，对于保护国家和人们的生命财产安全，实现人与环境的协调发展具有重要的 现实意义[4]。 1.2 研究现状 当前，物探方法已经成为采空区探测最为重要的技术手段，主要方法有可控源 音频大地电磁法（CSAMT） 、测氡法、浅层地震反射法、地震映像法、天然源大地电 磁法、