井下综合物探方法在探测贺西煤矿4＃煤层底板灰岩含+水性的应用.pdf

硕士工程类专业学位 学位论文答辩信息表 论文题目井下综合物探方法在探测贺西煤矿 4煤层底板灰岩含 水性的应用 课题来源*其他 论文类型 在[ ]内打 “√” []产品研发[]工程设计[√]应用研究 []工程/项目管理[]调研报告[]基础研究 论文答辩日期2020.6.8答辩秘书张生 学位论文答辩委员会成员 姓名职称博导/硕导工作单位 答辩委员 会主席 刘鸿福教授博导太原理工大学 答辩委员 1余传涛副教授硕导太原理工大学 答辩委员 2陈强副教授硕导太原理工大学 *课题来源可填国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、国家社 科基金项目、教育部人文社科项目、国家其他部委项目、省科技厅项目、 省教育厅项目、企事业单位委托项目、其他 摘要 I 摘要 矿井煤层底板灰岩富水是影响煤矿安全生产的重大隐患，当灰岩存在 裂缝裂隙、溶孔溶洞、陷落柱、断层等隐伏构造时，极易发育成隐伏的导 水通道。在采动条件的影响下，底板承受水压也随之增大，容易发生淹井 事故，造成井下人员伤亡及生产设备损坏，严重威胁着煤矿的安全生产工 作。在 2017 年 9 月 6 日下午 13 时，山西焦煤汾西矿业集团贺西煤矿四采 区东翼底抽巷 2钻场疏放水钻孔太灰水施工至 14.5 m 处时，发生水与瓦斯 共喷事故。因此，需要对底板灰岩的含水性进行探测。本论文即针对此展 开研究。 论文在总结矿井瞬变电磁法、地质雷达和高密度电法原理、方法及特 点的基础上，结合研究区地层的地球物理特征，进行了矿井瞬变电磁法、 地质雷达和高密度电法三种方法的综合物探试验。通过现场试验，瞬变电 磁法由于主要目标层 L5 灰岩处于探测盲区而不可行， 确定了地质雷达和高 密度电法综合物探技术。基于地质雷达和高密度正演理论和软件、根据研 究区已有地质资料，建立了该区地层模型，在其基础上建立溶孔溶洞、裂 缝裂隙、断层破碎带的地质体模型，分别进行了正演模拟，分析和总结了 模型的地质雷达正演图像特征和高密度电法低、高阻响应。根据模拟结果 得出地质雷达可以通过图像特征来识别构造和层位，并对含水性做初步识 别；高密度电法可以通过低阻、高阻响应来判定含水性，对构造识别能力 不足。以地质雷达和高密度电法正演模拟响应特征为依据，结合地质资料， 对两种方法数据处理结果进行了综合分析，解释了不含水溶孔溶洞、含水 断层、不含水裂隙裂缝发育三处异常。结果表明了地质雷达法和高密度电 法相结合的井下综合物探方法是探测短距离煤层底板灰岩富水有效物探方 法。 关键词关键词地质雷达；高密度电法；瞬变电磁法；正演模拟；含水性 太原理工大学硕士学位论文 II ABSTRACT III ABSTRACT Rich water in limestone of coal seam floor is a major hidden danger that affects the safety of coal mine production. When there are hidden structures such as fractures, karst caves, collapse columns and faults in limestone, it is easy to develop into a hidden water channel. Under the influence of mining conditions, the water pressure on the bottom plate also increases, which is prone to flooding accidents, causing casualties and production equipment damage, seriously threatening the safety of coal mine production. At 1300 p.m. on September 6, 2017, the water and gas injection accident occurred when the drainage water from the drilling hole to the ash water of the 2 drilling field of the East Wing bottom drainage lane in the fourth mining area of Hexi coal mine of Shanxi Coking Coal Fenxi Mining Group was constructed to 14.5m. Therefore, it is necessary to detect the water content of floor limestone. This paper is to study this. On the basis of summarizing the principles, s and characteristics of mine TEM, GPR and HDE, combined with the geophysical characteristics of the strata in the study area, the paper has carried out the comprehensive geophysical exploration tests of three s Mine TEM, GPR and HDE. According to the field test, TEM is not feasible because L5 limestone in the main target layer is in the detection blind area, so the comprehensive geophysical exploration technology of GPR and high-density electrical is determined. Based on the theory and software of GPR and high-density forward modeling, and according to the existing geological data in the study area, the stratigraphic model of the area is established, on the basis of which the geological body model of karst cave, fracture fracture and fault fracture zone is established, and the forward modeling is carried out respectively. The GPR forward image characteristics of the model and the low and high resistance response of high-density electrical are analyzed and summarized. According to the simulation results, the GPR can identify the structure and horizon by image features, and preliminarily identify the water bearing property; the high-density electrical can determine the water bearing property by low resistance and high resistance response, and has insufficient ability to identify the structure. 太原理工大学硕士学位论文 IV Based on the response characteristics of GPR and high-density electrical forward simulation, combined with geological data, the data processing results of the two s are analyzed comprehensively, and three anomalies of water-free karst cave, water-bearing fault and water-free fracture development areexplained.Theresultsshowthattheundergroundcomprehensive geophysical prospecting combined with GPR and HDE is an effective geophysical prospecting for detecting water rich limestone in short distance coal seam floor. Key Words GPR; High density electrical ; Transient electromagnetic ; Forward modeling; Water content 目录 V 目录 摘要.....................................................................................................................................I ABSTRACT..........................................................................................................................III 第一章 绪论...........................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义..................................................................................................1 1.2 国内外研究现状..........................................................................................................2 1.2.1 底板突水机理国内外研究现状.......................................................................2 1.2.2 瞬变电磁法国内外研究现状...........................................................................2 1.2.3 高密度电法国内外研究现状...........................................................................3 1.2.4 地质雷达国内外研究现状...............................................................................4 1.2.5 综合物探方法在底板探测方面的进展...........................................................4 1.3 论文技术路线及主要研究内容..................................................................................5 1.3.1 论文技术路线...................................................................................................5 1.3.2 主要研究内容...................................................................................................5 第二章 综合物探基本理论和方法及方法选择...................................................................7 2.1 矿井瞬变电磁法理论和方法......................................................................................7 2.1.1 矿井瞬变电磁法原理.......................................................................................7 2.1.2 矿井瞬变电磁法工作方法...............................................................................9 2.2 矿井地质雷达理论和方法........................................................................................10 2.2.1 矿井地质雷达原理.........................................................................................10 2.2.2 矿井地质雷达工作方法.................................................................................14 2.3 高密度电法原理和方法............................................................................................15 2.3.1 高密度电法原理.............................................................................................15 2.3.2 高密度电法工作方法.....................................................................................16 2.4 本章小结....................................................................................................................18 第三章 地质雷达与高密度电法数值模拟方法及软件使用.............................................19 3.1 地质雷达数值模拟原理和方法................................................................................19 3.1.1 时间域有限差分法基础理论.........................................................................19 3.1.2 软件及使用.....................................................................................................20 3.2 高密度电法数值模拟原理和方法............................................................................23 3.2.1 基础理论.........................................................................................................23 太原理工大学硕士学位论文 VI 3.2.2 软件及使用.....................................................................................................25 3.3 本章小结....................................................................................................................27 第四章 地质雷达及高密度电法正演模拟.........................................................................29 4.1 地质雷达正演模拟....................................................................................................29 4.1.1 地层模型正演模拟..........................................................................................29 4.1.2 溶孔溶洞正演模拟.........................................................................................30 4.1.3 裂缝裂隙正演模型.........................................................................................35 4.1.4 断层破碎带正演模拟.....................................................................................36 4.1.5 地质雷达响应特征.........................................................................................39 4.2 高密度电法正演模拟................................................................................................40 4.2.1 地层模型的正演模拟.....................................................................................40 4.2.2 溶孔溶洞正演模拟.........................................................................................41 4.2.3 裂隙裂缝模型正演模拟.................................................................................46 4.2.4 断层破碎带正演模拟.....................................................................................47 4.2.5 高密度电法响应特征.....................................................................................50 4.3 本章小结....................................................................................................................50 第五章 工程实例.................................................................................................................53 5.1 研究区概况................................................................................................................53 5.1.1 四采区东翼底抽巷概况.................................................................................53 5.1.2 地球物理特征.................................................................................................54 5.2 物探方法的选择........................................................................................................54 5.3 综合物探方法试验研究............................................................................................55 5.3.1 地质雷达法试验.............................................................................................55 5.3.2 高密度电法试验.............................................................................................58 5.3.3 瞬变电磁法试验.............................................................................................59 5.4 综合物探数据采集、处理及解释............................................................................68 5.4.1 地质雷达数据采集及处理.............................................................................68 5.4.2 高密度电法数据采集及处理.........................................................................69 5.5 综合物探数据解释....................................................................................................70 5.5.1 地质资料分析.................................................................................................70 5.5.2 综合解释分析.................................................................................................71 5.6 本章小结....................................................................................................................74 目录 VII 第六章 结论与展望.............................................................................................................75 6.1 结论............................................................................................................................75 6.2 展望............................................................................................................................76 参考文献...............................................................................................................................77 攻读学位期间取得的科研成果...........................................................................................81 致谢...................................................................................................................................83 太原理工大学硕士学位论文 VIII 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 选题背景及研究意义 中国是能源大国，也是能源消耗大国。在过去的几十年里，煤炭占中国能源结构的 70以上。近年来，随着能源结构的调整，风能、太阳能、潮汐能、核能、生物质能、 天然气等新能源和清洁能源蓬勃发展，煤炭在能源结构中所占比例有所下降，但在中 国能源发展报告 2018中，煤炭在中国能源结构中仍占 50以上，煤炭在中国能源结 构中的地位短期不会改变。因此，煤炭生产关乎国民经济的发展，保证煤炭的安全生产 尤为重要。矿井水害是煤矿五大灾害（瓦斯、煤尘、水、火、顶板灾害）之一，矿井水 害主要可分为顶板裂隙水害、 底板灰岩水害、断裂构造水害、老空水害、封闭不良钻 孔水害、地面水害，其中矿井底板灰岩富水是影响煤矿安全生产的重大隐患，在过去的 十年里曾发生过多次底板灰岩突水事故，如 2010 年 3 月 1 日，神华集团乌海能源有限 责任公司骆驼山煤矿发生了一起特别重大透水事故，为奥陶系灰岩透水，事故最终造成 32 人死亡，7 人受伤；2013 年 2 月 3 日，安徽桃园煤矿南三采区 1035 切眼掘进工作面 奥陶系灰岩承压水涌出发生透水事故，事故造成全矿井被淹，1 人遇难。因此，及时采 取有效手段探查底板灰岩含水性及隐伏构造，对指导煤矿防治水工作，保障煤矿安全生 产具有重大意义。 山西焦煤汾西矿业集团贺西矿四采区东翼底抽巷四采区东翼底抽巷属于带压开采 区域，太灰水水位大约为 720 m。巷道底板标高 437492 m，所承受的水压为 2.282.83 MPa，突水系数 0.251 MPa/m≤T≤0.309 MPa/m，T＞0.1 MPa/m，如果考虑到底板岩溶 等构造发育和采动等破坏问题，极易发展成为地下水的导水通道，对严重威胁着矿井安 全。在 2017 年 9 月 6 日下午 13 时，山西焦煤汾西矿业集团贺西煤矿四采区东翼底抽巷 2钻场疏放水钻孔太灰水施工至 14.5 m 处时， 换算成垂直高度 11.1 m， 发生水与瓦斯共 喷事故。基于此，为确保贺西矿井的安全生产，采取瞬变电磁法、地质雷达和高密度电 法的综合物探方法对东翼底抽巷底板隐伏构造和含水性予以探查， 在综合分析所得物探 资料的基础上，结合已有地质资料，得出最终解释成果，对于其他煤矿解决类似底板灰 岩裂隙、岩溶富水有一定的意义。 太原理工大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 1.2.1 底板突水机理国内外研究现状 20 世纪初，欧洲学者从大量的煤矿底板突水案例中认识到在预防煤层底板突水中， 底板隔水层发挥着重要作用。到了 40 年代，匈牙利科学家 Weg Firenze [1]提出了相对隔 水层厚度的概念。50 年代，国外学者通过研究岩体自身结构、强度与阻水能力的关系， 加深了对隔水层的认识[2]。6070 年代，国外学者对隔水层其自身厚度、强度等结构性 做了大量研究，提出了等效隔水层的概念。7080 年代，国外专家针对底板突水机理研 究进行了大量实验，丰富了底板突水机理的理论研究[3]。80 年代后，国外学者的精力主 要集中在底板含水层与底板突水的关系上，并以此为突破口，提出了很多突水预测及防 治的方法。波兰学者鲍莱茨基等[4-5]针对煤层底板变形和破坏，提出了底板断裂、突起等 概念。乌克兰学者 N.A.多尔恰尼诺夫等[6-7]认为，底板岩层由于长时间受到强应力作用 而造成破坏，由此产生的裂缝裂隙给底板突水提供了条件。苏联专家 V Mironenkl 等[8] 通过对煤矿水文地质的研究，提出煤层底板突水是在矿井采动作用下，地下水与岩层发 生复杂相互作用的过程。 在煤尘底板突水机理方面的研究，我国的起步相比国外比较晚，但是由于过去我国 许多矿区受矿井水的威胁较大，突水事故频出，诸多的学者对此做了大量的研究，相关 学说和理论也相继提出，成果颇丰。20 世纪 60 年代，我国学者总结和研究了焦作矿区 的煤层底板突水案例，并在此的基础上提出了“突水系数”的概念，即含水层水压与隔 水层厚度的比值。到 80 年代，李白英等[9]提出了“下三带”理论，认为受采动条件影响 的煤层底板分为釆动底板破坏带、完整岩层带和承压水导升带。90 年代，张金才等[10] 数值模拟和实地探测相结合，对底板裂隙带提出了 3 种最大深度的计算公式。许学汉等 [11]学者认为煤层底板发生突水是因为底板存在突水通道，即“原生通道”和“次生或再 生通道” ，继而提出了“强渗通道”理论。钱鸣高、黎良杰等[12]学者把煤层底板中的主 要隔水层称为关键层，强调隔水层在煤层底板的阻水作用。王作宇、刘鸿泉等[13]学者， 提出“零位破坏与原位张裂”理论。王经明等[14]学者认为底板突水是由于承压水通过底 板裂隙与破坏带进入工作面即形成突水并基于此提出了“递进推导”学说。李抗抗等[15] 学者提出了用于煤层底板突水预测的岩体应力学和有限元模拟相结合的综合岩体应力 测试技术。21 世纪后，施龙青等[16]通过对采场底板的力学研究及模拟，提出了系统完 整的底板突水判断理论，即“下四带”理论。倪宏革[17-18]通过对突水案例的研究总结和 对断层模型的数值模拟，提出了“优势面”理论。 1.2.2 瞬变电磁法国内外研究现状 在上世纪 30 年代，苏联专家最早提到瞬变电磁法，之后美国科学家 L.W.Blau 提出 第一章 绪论 3 了通过脉冲电流激发供电偶极的时域电磁场理论，并展开了大量的相关研究，该理论后 成为现代瞬变电磁理论发展的基础理论。在 20 世纪 5080 年代，国外学者对在瞬变电 磁的研究集中在反演方面，成功进行了瞬变电磁的一维反演[19]。随着计算机技术快速， 大规模数据计算和处理成熟，二维、三维瞬变电磁技术也随之发展起来。20 世纪 70 年 代初期，我国的众多科研单位也对瞬变电磁展开研究，如中南大学、中国地质大学、中 国地质科学院等。 随着我国煤矿对安全生产日益重视和对适用于井下的物探方法的迫切需要， 矿井瞬 变电磁理论逐渐的丰富和完善起来。例如，梁庆华[20]通过对地面半空间条件下和井下全 空间条件下瞬变电磁法相关理论的对比研究， 得到了矿井瞬变电磁法的倍数现象和探测 深度计算公式。李貅[21]在瞬变电磁法的成像上提出了时间-频率和积分变换两种拟地震 成像方法， 。杨海燕等[22-23]通过建立不同的地-井地质体模型进行瞬变电磁数值模拟，总 结了各自模型的响应特征，为资料解释提供了大量的理论依据。白登海[24]通过对瞬变电 磁法早、晚期视电阻率的研究，提出了关于中心方式计算新方法。 随着瞬变电磁法理论的不断完善，相关的仪器设备也被陆续研制出来。国外公司生 产了许多知名型号的仪器，如加拿大 PHOENIX 公司生产的 V6、V8，GEONICS 公司研 制的 PROTEM-57、67 系列、美国 ZONGE 公司的 GDP-32。国内代表性的仪器有安 徽理工大学和福建华虹公司合作研发的 YCS256 产品，吉林大学研发的 ATEM 系列，中 国地质大学（武汉）和武汉地大华睿公司研制的 CUGTEM 系列。 1.2.3 高密度电法国内外研究现状 英国科学家于上世纪 70 年代的设计的电测深装置为高密度电法的前身。 到了 80 年 代中期，日本专家首次在高密度电法系统中中加入了无需要人工手动转换电极的装置， 高密度电法采集效率极大提高，高密度电阻率法实现了跨越式的发展。80 年代后期，中 国的许多科研机构展开了高密度电法应用及反演的研究。反演从开始的一维、二维反演 发展到现在的三维反演。 在反演软件方面， 最具代表性的是瑞典专家 LOKR 研发的二维 反演软件 Res2DINV 和三维反演软件 Res3DINV，后续的相关软件也是在其基础上更新 升级。由于国外的数据反演软件已经相当成熟，我国在反演软件方面只是引进、汉化使 用，没有做大多研发。高密度电法的应用从工程到考古、矿井等领域，越来越广泛。 由于煤矿井下安全生产的需要，诸多的专家学者对井下高密度电法做了大量研究， 如张卜文等[