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第 1 1卷 第 2期 总第 6 9期 2 0 0 6年 4月 煤 矿 开 采 Co a l Mi n i n g T e c h n o l o g y V o 1 ． 1 1 N o ． 2 S e r i e s N o ． 6 9 A p r i l 2 0 0 6 断层富水性 的矿井瞬变电磁 法探测 傅佩河，祝仰民，周长根，项顺怀，高清涛 山东省七五煤矿 ，山东 微山 2 7 7 6 0 6 [ 摘要] 七五生建煤矿采用矿井瞬变电磁法对采煤工作面邻侧的大断层富水性进行探测，根 据探测结果对断层保安煤柱进行了合理留设，对无导水裂隙段煤柱尺寸进行缩小。实践证明探测结果 是 正确和科 学的。 [ 关键词] 矿井瞬变电磁法；电阻率等值线；断层富水性防水煤柱 [ 中图分类号]T D1 7 8 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 0 6 0 2 - 0 0 1 3 - 0 4 De t e c t i o n o f Yi e l di n g Pr o p e r t y o f Fa ul t s i n M i n e s by Tr a n s i e nt El e c t r o ma g ne t i c M e t ho d 山东省七五生建煤矿 5 0 3工作面材料道西侧发 育落差 6 0～ 1 0 0 m、倾角 6 5～ 7 5 。 的纸房支二断层 正断层 ， 5 0 3面位于该断层上盘， 材料道与纸房支 二断层之间留设 5 0～8 0 m防水煤柱 。为了确保 5 0 3 面安全开采 ， 必须在 回采之前查明 5 0 3面对应纸房 支二断层富水性，为防治水工作提供技术资料。 矿井瞬变电磁法是 目前地球物理探测领域一种 应用前景广阔的新的探测方法。实践证明，矿井瞬 变电磁法在井下探测巷道周围空间不同位置含水构 造 ，可以取得较好的地质效果。七五生建煤矿与中 国矿业大学合作 ，采用矿井瞬变 电磁法对纸房支二 断层富水性进行了探测 。 1 工作面概况 5 0 3面开采 山西 组 3 煤层 ，构造较 为复杂 ， 材料道揭露断层有 3条 ，断层落差 1～ 2 ． 1 m，材料 道西侧邻纸 房支 二正断层 ，断层落 差 6 0～l oom， 走 向与 5 0 3面材料道基本一致 。由断层 的两盘接触 岩性分析 ，断层在原始状态下应该含水且导水 。工 作面中有两条落差分别为 1 ． 1 m，1 ． 2 m的正断层与 纸房支二断层相连 ，两条断层两 盘的岩性 是 “ 软 硬” 接触 ，正常情况下 ，不含水。 5 0 3面内水文地质情况较复杂，工作面顶板岩 性在受采煤影响高度范围内，以泥岩为主，富水性 弱 ，预计正常涌水量 Q1 5 m ／ h左右。 2 地球物理特征 从电性上分析地层 的电性分布规律为 煤层 电 阻率值相对较高 ，砂岩次之 ，黏土岩类最低 。由于 煤系地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态 下 ，其导电性特征在纵向上有较 固定 的变化规律 ， 在横向上相对 比较均一。当存在构造破碎带时 ，如 果构造不含水，则其导电性较差，局部电阻率增 高 ；如果构造含水 ，由于其导电性好 ，相当于存在 局部低电阻率地质体。 综上所述，当断层、裂隙和陷落柱等地质构造 发育时，无论其含水与否，都将打破地层电性在纵 向和横向上的变化规律。这种变化规律的存在，为 矿井瞬变电磁法探测提供了良好的物性条件。 3 矿井瞬变电磁法基本原理 3 ． 1基 本理 论 瞬变电磁法或称时 间域 电磁法 T i me d o m a i n e l e c t r o ma g n e t i c m e t h o d s ，简称 T E M，它是利用不 接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场 ，在 一 次脉冲磁场 间歇期间，利用线圈或接地 电极观测 二次涡流场的方法 。其基本原理如图 1 所示 ，在地 面或空 中设置通以一定 电流的发射线圈 ，从而在其 周围空间产生一次电磁场 ，并在地下导电岩矿体中 产生感应电流 ，断电后 ，感应电流由于损耗而随时 间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的 电磁场相当于频率域 中的高频成分，衰减快 ，趋肤 深度小； 而晚期成分则相当于频率域 中的低频成 分 ，衰减慢 ，趋肤深度大 。通过测量断电后各个时 间段的二次场随时间变化规律 ，可得到不同深度的 地 电特征。 矿井瞬变电磁法勘探 由于受环境的限制 ，测量 线圈大小有限，其勘探深度一般在 l oom左右。地 面瞬变电磁法为半空间瞬变响应 ，这种瞬变响应来 自地表以下半空间地层 ； 而矿井瞬变电磁法为全空 [ 收稿日期]2 0 0 5 0 9 3 0 [ 作者简介]傅佩河 1 9 7 0一 ，男，山东潍坊人 ， 工程师，从事矿井地质、水文地质工作。 l 3 维普资讯 总第6 9期 煤 矿 开 采 2 0 0 6年第2期 _ ． ． ． _ ● ●● ●_ ●●● 图1 地下感应电 流环带分希 间瞬变响应，这种 瞬变响应是 来 自回线平 面上下 或两侧 地 层 ，这 对确定 异 常体 的位 置带来 困 难。实际资料解释中，必须结合具体地质和水文地 质情况综合分析。矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁 法相比具有以下特点 1 由于井下测 量环境不 同于地表 ，不可能 采用大线圈 边 长大于 5 0 m装置 ，只能采用边 长小于 3 m 的多 匝小线框 ，因此 数据 采集工 作量 小，测量设备轻便，工作效率高，成本低； 2 由于采 用小 线圈测量 ，点 距更密 一般 为2～ l O re ，降低了体积效应的影响，提高勘探分 辨率，特别是横向分辨率； 3 井下测量 装置距 离异常体更 近 ，大大 提 高测量信号的信噪比，实际测量结果说明，井下测 量信号的强度比地面同样有效面积的相同装置测量 的信号强 1 0～ 1 0 0倍。井下的干扰信号相对有用信 号近似等 于零 大于 3 0 m s时间段 ，而地 面测量 信号在衰减到一定时间段 一般小于 1 5 m s 就被 干扰信号覆盖 ，无法识别有用信号 ； 4 地面瞬变 电磁法勘探一般 只能将 线圈平 置于地面测量 ，而井下瞬变电磁法可将线圈置于巷 道底板测量 ，探测巷道底板以下一定深度内含水异 常体垂向和横向发育规律，也可将线圈直立于巷道 内，当线圈面平行巷道掘进前方，可进行超前探 测；当线圈面平行于巷道侧面煤层，可探测工作面 内和顶、底板一定范围内含水低阻异常体发育规 律。 3 ． 2施工技术及工作量 此次矿井瞬变电磁探测采用的仪器为澳大利亚 产 S I R O T E M3型瞬变 电磁仪 ，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 ，与微机 连接可实 现数据 回 放。为 了减小探测盲区 ，本次矿井瞬变 电磁法探测 在同一测点采用两个不同探测方向进行探测 ，具体 l 4 探测方向布置如图 2 。 ／ 图 2探测方 向布置 本次矿井瞬变 电磁法探测装置为 2 m 2 m多匝 重叠回线装置 ，发射线框和接收线框分别为匝数不 等 、且完全分离的两个独立线框 ，以便与煤层底板 含水异常体产生最佳耦合响应。为探测工作面煤层 底板含水构造的发育情况 ，实际测量时将测点布置 在材料道靠近纸房支二断层一侧的煤帮，测点间距 为 1 0 m；测线长度 6 4 0 m21 2 8 0 m，完成物理点 6 5 21 3 0个。最后对整个工作 面探测结果进行 资料处理 、分析和解释 。 4 探测资料分析与解释 矿井瞬变 电磁法 T E M 资料处理 和解释工 作是在中国矿业大学开发 的 “ 矿井 T E M数据处理 与解释系统” 专用软件 中进行 的，数据处理 中对 巷道 内各种金属设施产生的影响进行 了校正。 图 3为沿材料道探测纸房支二断层富水性矿井 T E M探测视电阻率等值线拟断面图图中横坐标 为测点位置坐标 ，图3 1 中纵坐标为顺 3 煤层 方向的探测距离 单位 I n ；图 3 2 中纵坐标为 与煤层呈 4 0 。 左右夹角并指向煤层底板方向的探测 距离 单位 I n 。 分析图3 1 视电阻率等值线变化规律可以 看出，视电阻率横向变化较大，局部视 电阻率呈相 对低阻反映 小 于 5 Qm ，特别是在横坐标 8 0～ 1 2 0 m，1 8 0～2 0 0 m和 2 6 0～ 2 9 0 m之 间的视 电阻率 呈明显低阻异常 ，说 明顺煤层方 向距离材料道 5 0 ～ 1 0 0 m之间对应低 阻异 常位置有含水 裂隙发育 ， 异常范围愈大 ，富水性愈强 。根据地质资料分析 ， 该低阻异常为纸房支二断层下盘三灰地层 3煤底 板下 中的含水 裂隙发育带。其他 位置无 明显低 阻异常反映。 分析图 3 2 视 电阻率等值线变化规律可 以 看出，视电阻率横向变化较大，局部视电阻率呈相 对低阻反映 1 0 Om ，横坐标 在 0～3 0 0 m之 间低 阻异常对应位置与图 3 1 基本一致 ，横 坐标在 5 6 0～ 6 1 0 m之间位置，视电阻率呈相对低阻反映。 其他位置无 明显低阻异常反映。 维普资讯 傅佩河等断层富水性的矿井瞬变电磁法探测 2 0 0 6年第2期 I 顺煤层方向探测 【 2 向煤层底板方向探测 图3 视电阻率等值线拟断面 综上所述 ，根据 5 0 3面材料道采用两个不同探 测方向探测结果分析，顺 3 煤 层探测 的视电阻率 明显 比探测该煤层底板的低 ，说明在纸房支二断层 的 3 煤层 附近裂隙富水性 比其下部地层强 ，这是 由于 3 上煤层在纸房支二断层处 与其下部 的三灰岩 层在垂向上距离较近 ，而三灰地层中含水裂隙相对 发育 ，三灰地层距离奥灰 1 5 0 m左右 ，两者之 间无 富水岩层 ，因此 ，纸房支二断层附近相邻 3 煤层 的岩层裂隙含水性 比其下部强。 5结论 和建议 根据矿井瞬变 电磁法探测成果 见图 4 ，结 合矿井地质 、水文地质和钻孔资料综合分析 ，依据 采动影响引起断层 活化理论和矿井 T E M 在其他矿 井探测的实践 ，得出如下结论 僬 一 ～＼ 一 ’ ＼ 喜＼ ∞ 工作 面 图4 纸 房支二断层 富水性探测结果 1 沿材料道在 8 0～1 2 0 m，1 8 0～2 0 0 m 和 2 6 0～2 9 0 m 之 间，顺 煤 层 方 向距 离材 料 道 5 0～ 1 0 0 m的对应位置呈 明显低 阻异常。根据地质 资料 分析，该低 阻异 常为纸房 支二断层下 盘三灰岩层 3煤底板下 中的含水裂隙发育带。 2 根据 材料 道两个不 同方 向的矿井瞬变 电 磁法探测结果 ，综合矿井地质资料分析 ，与 3 煤 层距离较近的下部三灰岩层在纸房支二断层附近含 水裂隙可能发育。三灰 下部 6 0 m 以上 范围的岩层 含水裂隙发育相对较弱或不含水。 由于采用矿井瞬变电磁法探测含水构造在七五 煤矿是首次 ，对于矿井瞬变电磁法的探测结果 ，以 视电阻率值确定富水异常区只能根据过去在兖州矿 区的探测成果和经验来确定 。因此这次探测结果只 是将低阻异常最可靠位置确定为含水异常区，也有 可能视电阻率小于 1 0 Qm 的范围是异常区，只有通 过 5 0 3工作面回采情况对本次探测结果的验证 ，才 能为今后探测工作积累经验 ，提高探测结果的解释 精度和准确性。 6 安全开采评价 根据矿井瞬变电磁法探测结果，纸房支二断层 1 5 维普资讯 总 第 6 9期 煤 矿 开 采 2 0 0 6年 第 2期 局部含水裂隙发育 ，含水裂隙带位于纸房支二断层 下盘的三灰岩层 内。由于含水裂 隙发育范 围较小 ， 异常视电阻率值较高，说明含水裂隙涌水量不大 小于 3 0 m ／ h ，纸房 支二断层在 5 0 3工作面材料 道附近落差为 7 0 9 0 m、倾角 6 57 5 。 ，材料道距 离断层 5 0 m左右 图 5 。由于 5 0 3面位于纸房 支 二断层上盘 ，断层下盘的三灰抬升到 5 0 3面顶板上 部 ，因此 ，在工作面回采过程中，受采动影响 ，可 能引起纸房 支二断层附 近小构造或裂 隙活化 ，对 5 0 3面开采形成突水威胁 。此外 ，根据矿井 瞬变 电 磁法探测结果 ，在纸房支二断层附近 ，3．． 煤层底 板裂隙富水性较弱或不含水，因此 ，3 煤层 回采 对底板破坏一般不会引起工作面出水。 图5 纸房支二断层及材料道位 置 综上所述 ，5 0 3面回采 3 煤层过程 中，可能 引起工作面出水 ，水源主要为 3 煤层在纸房支二 断层处对盘的三灰岩层中的裂隙水 ，由于其裂隙范 围小 ，水 量不大 ，一 般不会威 胁工作面 的安全 回 采 ，同时奥灰水对工作面回采威胁不大。根据 5 0 3 面南部近邻的 1 2 9面回采过程可 以看出，在 5 0 3面 留设 5 0 m以上防水煤柱 前提下 ，只要 工作 面按正 常速度推进 避免周期来压 ，不会发生较大出水 涌水量小于 3 0 m ／ h 。 依据地 面三维地 震勘 探结 果 ，5 0 3面 材料道 3 0 0 6 4 0 m范围段 见图4 距离纸房支二断层水 平距离不小于 5 0 m，综合本次矿井瞬变电磁法探测 结果和矿井水文地质资料分析 ，与材料道在该范围 段对应的纸房支二断层无明显含水裂隙发育 ，断层 不导水，并根据底板承受的水压计算 ， 5 0 3面材料 道 自8 “ AN切眼 3 4 0 m范围内防水煤柱 由原来 5 0 m 缩／ I , N 3 0 m是安全的。 7生产验证结果 根据探测结果 ，对 5 0 3工作面材料道做 了重新 布置，将工作面所对应纸房支二断层无导水裂隙段 断层保 护煤柱 尺寸 由原来 5 0 m 左右缩 小到 3 0 m。 至 2 0 0 5年 8月 3 1日，工作 面已经推过小煤柱段 ， 开采过程中实测工作面涌水量为 8 ． 5 m ／ h ，未发生 断层带 向工作 面充水现象 ，经测算 ，多 回收原煤 1 2 8 0 0 t ，产生直接经济效益 4 0 0多万元。 [ 参考文献] [ 1 ]李实 ．工程勘探瞬变 电磁 仪关 键技术研究 [ J ]．煤 田地质 与勘探 ，2 0 0 1 ，2 9 1 5 5 ． [ 2 ]于景村 ，傅佩河 ，等 ．七五煤 矿 5 0 3面 材料道 外纸 房支二断 层富水性矿井瞬变电磁法探测成果报告 [ R]．枣庄 七 五生 建煤矿 ，2 0 0 4 ． [ 责任编辑邹正立】 上接 4 8页 速凝材料 ，向搅拌桶 内放清水，搅拌制浆。注浆时 分工协调 ，2名工人上料搅拌 ，观察吸浆情况 ，1 名司机开泵 ，观察压力表 ，监控注浆状态 ，2名工 人连接封孔管与注浆管 ，另设专人仔细观察注浆孔 周边渗透情况 ，指挥注浆工作。 3 ． 2 实施效果 5 1 0 9运巷窄煤柱通 过注浆加 固，和未注浆 前 相 比， 在超前采动剧烈影响范 围内，运输巷道顶底 板相对移近速度最大为 5 1 ． 5 m r n ／ d ，平均 1 9 ． 6 mm ／ d ，相对移近量为 2 8 3 mm，降低率为 2 8 ． 5 ％；两帮 相对移近速度 最大 为 1 4 5 ． 5 m r n ／ d ，平均 5 0 ． 6 m m ／ d ，相对移近量为 7 1 0 m m，降低率为 3 5 ． 3 ％。 回采期间窄煤柱帮每两排锚杆之间的煤体向巷 道 内移近 ，但在锚杆及金属网、钢筋梯子梁的共 同 I 6 维护下 ，两帮煤体保持完整 ，窄煤柱稳定 ；巷道顶 煤完整 、均匀下沉 ，巷道维护条件好 ，为工作面快 速推进创造了条件 。 4结论 1 通过注浆 加固，5 1 0 9运巷在 回采期 间的 巷道变形得到 了有效 控制 ，巷道 围岩整体稳 定性 好 ，支护系统安全可靠 ，满足 了工作面各系统和设 备对巷道断面的要求 ，为工作面的快速推进创造了 有利条件，取得了良好的效果 。 2 注浆加固可提高煤体整体性能，减少巷 道变形量，但不能完全代替巷道超前支护，巷道超 前支护还必须采用其他措施。 [ 责任编辑 毛德兵 ] 维普资讯