地面瞬变电磁技术在探测煤层顶底板富水区分布中的应用.pdf

★智慧矿山★ 移动扫码阅读 引用格式李刚􀆱地面瞬变电磁技术在探测煤层顶底板富水区分布中的应用 [J]􀆱中国煤炭,２ ０ ２ ０,４ ６８ ５ ７－ ６ ２ 􀆱 L iG a n g 􀆱A p p l i c a t i o no fg r o u n dt r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i ct e c h n o l o g yi nd e t e c t i n gt h ed i s t r i b u t i o no fw a t e r Ｇ r i c ha r e a s i nc o a l s e a mr o o f a n df l o o r[J]􀆱C h i n aC o a l,２ ０ ２ ０,４ ６８ ５ ７－６ ２ 􀆱 地面瞬变电磁技术在探测煤层顶底板富水区 分布中的应用 李 刚 山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司李村煤矿,山西省长治市,０ ４ ６ ６ ０ ０ 摘 要 为提前探明预采煤层顶底板附近富水区的分布情况、合理安排工作面的布设位 置,并提前采取相应的预处理措施,采用Z ONG E公司生产的G D P ３ ２ I I型多功能电法仪, 对李村煤矿二采区进行地面瞬变电磁法勘探,利用探测数据对顶底板影响区范围内３号煤层 开采的第四系及基岩风化带、K １ ０、K ８及K ７含水层内富水区域位置、范围和形态进行了解 释与圈定,为煤矿安全生产提供可靠的水文物探资料. 关键词 地面瞬变电磁技术 富水区分布 富水性探测 中图分类号 P ６ ３ １ 文献标识码 A A p p l i c a t i o no f g r o u n dt r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i c t e c h n o l o g y i nd e t e c t i n g t h ed i s t r i b u t i o no fw a t e r Ｇ r i c ha r e a s i nc o a l s e a mr o o fa n df l o o r L iG a n g L i c u nC o a lM i n e,S h a n x iL u ＇ a nM i n i n gG r o u pC i l i n s h a nC o a l I n d u s t r yC o 􀆱,L t d 􀆱, C h a n g z h i,S h a n x i ０ ４ ６ ６ ０ ０,C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt oa s c e r t a i nt h ed i s t r i b u t i o no fw a t e r Ｇ r i c ha r e a si nt h er o o fa n df l o o ro fp r e Ｇ m i n e dc o a ls e a mi n a d v a n c e,t h ew o r k i n gf a c e l a y o u tw a sr e a s o n a b l ya r r a n g e da n dc o r r e s p o n d i n gp r e t r e a t m e n tm e a s u r e sw e r et a k e ni na d v a n c e 􀆱T h e G D P ３ ２I Im u l t i f u n c t i o n a l e l e c t r i c a lm e t h o dp r o d u c e db yZ ON G Ew a su s e d t oc o n d u c t g r o u n dt r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i c e x p l o r a Ｇ t i o n i nt h es e c o n dm i n i n ga r e ao fL i c u nC o a lM i n e 􀆱T h ed e t e c t i o nd a t aw a su s e dt oe x p l a i na n dd e l i n e a t et h e l o c a t i o n,s c o p ea n d f o r mo f t h ew a t e r Ｇ r i c ha r e a i n t h eQ u a t e r n a r ys y s t e ma n d t h eb e d r o c kw e a t h e r i n gz o n e,K １ ０,K ８a n dK ７a q u i f e r sw i t h i n t h e i n f l u Ｇ e n c i n ga r e ai nt h er o o fa n df l o o ro fN o 􀆱３c o a ls e a m,t h er e s u l t sp r o v i d e dr e l i a b l eh y d r o l o g i c a lg e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n gd a t a f o r t h ec o a lm i n es a f e t yp r o d u c t i o n 􀆱 K e yw o r d s g r o u n dt r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i c t e c h n o l o g y,d i s t r i b u t i o no fw a t e r Ｇ r i c ha r e a,w a t e r Ｇ r i c hc o n d i t i o nd e t e c t i o n 煤层顶底板附近富水区的存在会对煤矿生产影 响较大,威胁煤矿生产安全,从而造成严重的经济 损失[ １－２].因此,提前提供区域内详细的富水区分 布情况,可为煤矿的安全高效开采和智慧矿山建设 提供有力的保障.瞬变电磁法 T E M属时间域电 磁测深法,又称 “ 纯异常场法” ,它是利用阶跃波形 电磁脉冲激发,利用不接地回线向地下发射一次场, 在一次场的间歇期间,测量由地下介质产生的感应 ７５ 地面瞬变电磁技术在探测煤层顶底板富水区分布中的应用 二次场随时间的变化来达到寻找各种地质目标体的 一种地球物理勘探方法[ ３].当前,瞬变电磁法因其 具有施工灵活、抗干扰强、施工效率高等特点,在 煤矿生产中被广泛应用[ ４－８].笔者以李村煤矿二采 区为例,分析了瞬变电磁法在煤矿水文地质勘查中 的应用. １ 研究区概况 １ 􀆱 １ 地质概况 研究区位于李村煤矿二采区,该区地层属华北 地层区山西地层分区晋东南小区,为华北型石炭 二叠系含煤构造,地层自下而上分别为奥陶系中 统、石炭系本溪组、太原组、二叠系上统、下统、 第四系.井田内大部分被第四系黄土所覆盖,中部 出露二叠系上统石千峰组下段地层.采区内３号煤 层为主采煤层,位于山西组下部,上距K ８砂岩 ２ ３ 􀆱 ３ ０６ ０ 􀆱 ８ ３ m,煤 厚４ 􀆱 ３５ 􀆱 ８ m,平均厚 度 ４ 􀆱 ９ ４m,结构简单,含０１层泥岩、炭质泥岩夹 矸,是全区主要可采煤层. １ 􀆱 ２ 主要含水层水文地质特征 ３号煤层为带压开采区,影响３号煤层开采的 含水层主要是第四系及基岩风化带、K １ ０、K ８及 K ７含水层;其中K ８和K ７含水层为３号煤层顶、 底板直接含水层. １K ８及山西组砂岩裂隙含水层组.K ８砂岩 为山西组与下石盒子组分界,该含水层为碎屑岩裂 隙含水层组,井田内无出露,包括K ８、K ７砂岩及 ３号煤层顶板砂岩裂隙含水层,构成主采３号煤层 的充水水源.岩性以中、细粒砂岩为主,平均厚度 １ ３ 􀆱 ２ ６m,井田内该含水层组属富水性弱 中等的 砂岩裂隙含水层组. ２ 上、 下 石 盒 子 组 砂 岩 裂 隙 含 水 层 组 K １ ０ .该含水层组为碎屑岩裂隙含水层组,井田 内局部出露.主要由中、粗粒砂岩组成,一般裂隙 较发育,局部充填.该含水层富水性与裂隙发育程 度及其充填情况有关. ３基岩风化带裂隙含水层.该含水层的岩性 因地而异,风化裂隙发育因岩性、构造及地形控制 而不同,一般发育深度在５ ０m左右,该含水层一 般富水性差异较大. ４松散层孔隙含水层组.该含水层组主要由 具孔隙的亚粘土、砂、砾石等组成,区内大面积出 露,水位埋藏一般较浅,主要接受大气降水补给, 该含水层组渗透性好,局部含水丰富,属中等富水 性含水层组. ２ 地面瞬变电磁法探测 ２ 􀆱 １ 仪器选择 结合本次探测任务与实际地质情况,本次探测 采用美国Z ONG E公司生产的G D P ３ ２ I I型多功 能电法仪.该仪器具有动态范围较大、调节灵活及 灵敏度较高等特点,可满足对本研究区深部地质探 测需求. ２ 􀆱 ２ 测线布置 研究区内构造走向多为南北方向,根据瞬变电 磁勘探方法测线布置原则,本研究将测线方向布置 为东西向,其编号由南至北排序为L １ ０ ０L ２ ６ ６ ０, 共计６ ５条,各测线间线距为４ ０m.同时在测线上 布设探测坐标点,其编号由西至东排序为１ ０ ０ ５ １ ０ ０,坐标点共计８ ３ ６ ４个.本次探测控制面积约 为７ 􀆱 １ ３k m ２.同时在测区中部、北部及西南部选 择了３条试验段作为测试试验地点,其中试验段１ 位于L ８ ６ ０线７ ０ ０９ ８ ０点,试验段２位于L １ ３ ０ ０ 线２ ４ ２ ０２ ７ ０ ０点,试验段３位于L ２ ０ ６ ０线４ ８ ２ ０ ５ １ ０ ０点,试验点总计２ ４个.研究区内测点、测线 布置及试验段位置如图１所示. 图１ 测线布置示意 ２ 􀆱 ３ 施工参数选择 瞬变电磁数据采集的参数设置事关数据信号的 最终质量以及野外勘探的工作效率.因此,为了保 证瞬变电磁法对富水区探测成果的有效性,应在正 式探测前进行多次施工参数选择试验,通过对比分 析不同探测数据的质量,从中挑选出针对该处研究 区地质条件的最佳参数.本研究中,选择了研究区 内３条试验段 试验段１、２、３作为测试试验地 点,经测试确定了较合理的施工参数. １发射线框.３号煤层埋深约为５ ０ ０m,同 ８５ 中国煤炭第４ ６卷第８期２ ０ ２ ０年８月 时考虑到研究区地形及野外施工效率,通过对比观 察各边框的边框衰减曲线及边框反演深度,本研究 选择规格为８ ４ ０m８ ４ ０m线框.此外在对线框进 行布设施工时,应确保其长度误差小于５％、方向 误差小于１ ,同时应将线框的余线呈 “S”形铺于 地面,且 应 确 保 供 电 导 线 对 地 绝 缘 电 阻 至 少 为 ２MΩ,导线内电阻小于６Ω/k m. ２发射频率.４ H z的衰减曲线比较圆滑, 外部道强烈干扰而尾部道干扰较小,证明有效信号 的总体衰减趋势特征已经被完整采集. ３发射电流.发射电流选取为２ ６A时,衰 减曲线尾部相对较为平滑,能够有效地压制背景干 扰噪声,提高探测分辨率. ４其他参数.增益为１,叠加次数为８,其 他参数随频率变化由仪器内部设置自动调节变化. ３ 数据处理与解释 ３ 􀆱 １ 资料处理 对于野外采集原始瞬变电磁数据,应及时进行 逐条验收,并做好室内评级工作.若验收过程中发 现原始数据存在异常或畸变,则应及时通知现场工 作人员对数据存在异常区域进行重新布线检测;若 原始数据验收合格,则应根据野外采集环境对数据 进行滤波、一维反演等相应处理,获得合适的解释 数据,并将其换算为视电阻率、视深度等含水性解 释所用的参数.其数据处理流程如图２所示. 图２ 数据处理流程图 ３ 􀆱 ２ 资料解释 瞬变电磁数据的解释工作主要建立在原始数据 经相应处理后换算得到的视电阻率断面图、视电阻 率平面等值线图和视电阻率顺层切片图的基础上. 因此,为提高探测数据解释的客观及准确性,在初 步解释之后调整处理中的相关参数进行反复处理, 直到满足解释要求. １定性解释依据.沉积岩层若沉积均匀在垂 向上一般呈层状分布,其横向上变化较小,因而电 性响应特征在视电阻率剖面图上表现为在纵向上 视电阻率等值线均匀连续变化,在横向上视电阻率 等值线平缓,无较大的褶曲跃变.但沉积的均匀完 整性若遭到破坏,如地应力作用产生的裂隙充水, 煤层开采后形成的冒落带、裂隙带充水等,其电性 响应特征在视电阻率剖面图上将表现为低阻异常, 使得视电阻率等值线出现不同程度的褶曲与跃变, 形成封闭圈.因而针对岩层富水性的解释,可依据 剖面图或平面图上视电阻率的横向变化特征.其中 在平面图上,富水区的解释主要通过判别平面上的 低电阻值封闭圈,极小值封闭圈为强富水区,次一 级的极小值封闭圈为弱富水区.同时也应注意对富 水异常区的划分,应结合电性特征与地质情况综合 分析,不能脱离具体的地电环境分析. 图３ 视电阻率剖面与测井曲线 视电阻率 深度对比图 ９５ 地面瞬变电磁技术在探测煤层顶底板富水区分布中的应用 ２定量解释依据.电法勘探作为一种间接勘 探方法,在原理上无法准确地测定探测目标体的绝 对物理电阻率,但可利用相应的仪器设备对目标体 的相关电性变化信息进行采集,尤其是均匀地层中 发育存在的裂隙、地下水等异常目标体时.通过对 采集的原始数据进行处理与分析,可获得地下视电 阻率结果,并据此分析其数据高低变化及形态分布 特征,如图３所示,结合已知钻孔资料,推断出有 关地质体的相对定量解释标准. ４ 富水异常区探测结果与分析 ４ 􀆱 １ 视电阻率断面图分析 对瞬变电磁探测数据进行相应处理解释,获得 视电阻率结果,并沿测线方向切取剖面.同时结合 已知钻孔资料及钻孔附近的地质层位与实际获得的 视电阻率剖面进行比较,求出相应的计算系数对视 电阻率结果进行深度校正,并对其进行定量解释. ４ 􀆱 １ 􀆱 １ L ２ ５ ８ ０线断面图分析 L ２ ５ ８ ０线视电阻率断面图见图４.从纵向上 看,该图在剖面线的４ ４ ２ ０４ ５ ４ ０号点均表现为低 阻异常 图中红色虚线指示区域 ,根据其标高推 测为K ８含水层富水异常区.同时F １断层在剖面 上均无电性异常反映,推断为不富水断层. 图４ L ２ ５ ８ ０线视电阻率断面图 ４ 􀆱 １ 􀆱 ２ L ３ ４ ０线断面图分析 L ３ ４ ０线视电阻率断面图见图５.从纵向上看, 该图视电阻率值从高阻急剧下降到低阻再随深度的 变化逐渐变大,符合地质的岩性变化规律;从横向 上看,该图剖面线的４ ３ ４ ０４ ５ ０ ０号点表现为低阻 异常 图中红色虚线指示区域 ,根据其标高位置 推测为K ７、K ２含水层富水异常区.同理,在该图 剖面线的４ ６ ６ ０５ １ ０ ０号点表现为低阻异常 图中 红色虚线指示区域 ,D F ９断层位于该低阻异常区 内,推测为D F ９断层为富水断层,主要为煤系地 层之间的富水. 图５ L ３ ４ ０线视电阻率断面图 ４ 􀆱 １ 􀆱 ３ 研究区视电阻率值电性特征及低阻异常区 划分原则 通过分析各视电阻率断面图可知,纵向上从浅 到深其视电阻率值基本呈现由中、低、中、高的电 性特征.从总体分析,图中上部 ＋８ ５ ０m高程以 上为中阻表现,其值为２ ０７ ０Ω􀅱m,从上到 下呈逐渐减小的趋势,反映了新生界电性变化;中 上部地层 ＋８ ５ ０＋４ ０ ０m高程为由低阻到中 阻的表现,其值为２ ０４ ０Ω􀅱m,反映了二叠系 地层电性变化;中下部 高程＋４ ０ ０＋１ ５ ０m之 间为中高阻表现,其值为４ ０６ ０Ω􀅱m,反映 了石炭灰岩地层电性变化;下部 高程＋１ ５ ０m以 下为高阻表现,电阻率值一般都高于６ ０Ω􀅱m, 呈逐渐升高趋势,反映了奥陶系地层电性变化. 结合研究区的地球物理特征及钻井资料,经过 分析对比后,最终确定了低阻异常区的划分原则 第四系及基岩风化带含水层视电阻率≤３ ０Ω􀅱m 为富水区;K １ ０含水层视电阻率≤３ ０Ω􀅱m为富 水区;K ８含水层视电阻率≤３ ４Ω􀅱m为富水区; K ７含水层视电阻率≤３ ８Ω􀅱m为富水区. ４ 􀆱 ２ 目标层富水异常区圈定 在获得各测线视电阻率剖面图,即沿每条测线 电性随深度的变化情况后,求解各目的层深度,然 后通过插值方法,求得目的层相应深度对应测点处 的参数值,最后利用同一个目的层的插值结果绘制 ０６ 中国煤炭第４ ６卷第８期２ ０ ２ ０年８月 各煤层顶板对应的电性异常分布平面图,从而获取 第四系及基岩风化带、K １ ０、K ８及K ７含水层的视 电阻率反演数据顺层切片.同时根据电阻率等值线 的梯度变化、范围、各测线的低阻异常的分布、在 平面上的连通情况,并结合该研究区内低阻异常区 划分原则,对上述含水层内的富水区的位置、范围 和形态进行解释与圈定,从而获取３号煤层顶底板 各主要含水层富水异常区圈定结果.富水区异常区 圈定成果图中,色标由蓝 白 红表示视电阻率由低 到高,其 中 图 中 蓝 色 区 域 的 视 电 阻 率 值 小 于 ３ ０Ω􀅱m,红色区域的视电阻率值大于８ ０Ω􀅱m. １第四系及基岩风化带富水异常区.第四系 及基岩风化带富水异常区圈定成果如图６所示.由 于新生界底部砂及砂砾石含水层与基岩风化带距离 小,相互之间没有明显的电性差异,因此只能将其 作为一个含水层来进行富水性的评价.已知水文资 料显示该含水层属于弱富水层,含水层的补给主要 来源于地表水,受季节性雨水的影响较大.本测区 第四系厚度变化较大,测区的西部基岩出露,风化 比较严重,东部第四系厚度达到１ ８ ０m.通过观察 图中视电阻率反演数据顺层切片可知,图中无红色 区域,即视电阻率均小于８ ０Ω􀅱m.基于研究区 视电阻率值电性特征及低阻异常区划分原则,本研 究在测区东部圈出４个异常区域,编号分别为Q １、 Q ２、Q ３和Q ４,推断解释为富水区.但第四系、 基岩风化带下部的隔水层主要由具塑性的泥岩、砂 质泥岩等组成,呈层状分布于各砂岩含水层之间, 阻隔各砂岩含水层之间的垂向水力联系,相对独 立.分析认为富水区与煤层相距较大,构造比较简 单,垂向发育不明显,富水区与煤系地层含水层无 明显导通关系,但随着矿井的开采或受到特殊因素 影响,地层结构发生变化后,有可能会与下部地层 形成导通关系. 图６ 第四系及基岩风化带富水异常区圈定成果图 ２K １ ０含水层富水异常区.K １ ０含水层富水 异常区圈定成果如图７所示.K １ ０含水层是３号煤 层顶板之上的间接含水层,平均距离为１ １ ０m,已 知水文资料显示该层属于弱富水性含水层.通过观 察图中视电阻率反演数据顺层切片可知,图中无红 色区域,即视电阻率均小于８ ０Ω􀅱m.基于研究区 视电阻率值电性特征及低阻异常区划分原则,本研 究在测区内共圈定了１ ０个富水异常区,编号自西 向东分别标注为K １ ０ １至K １ ０ １ ０.其中K １ ０ １、K １ ０ ２、K １ ０ ３和K １ ０ ５富水异常区控制程 度较可靠;其他富水异常区均受高压线干扰,数据 质量受到一定影响. 图７ K １ ０含水层富水异常区圈定成果图 ３K ８含水层富水异常区.K ８含水层富水异 常区圈定成果如图８所示.K ８含水层是３号煤层 顶板之上的直接含水层,平均距离为４ １ 􀆱 ８ ９m,已 知水文资料显示该层属于弱富水性含水层.通过观 察图中视电阻率反演数据顺层切片可知,图中无红 色区域,即视电阻率均小于８ ０Ω􀅱m.基于研究区 视电阻率值电性特征及低阻异常区划分原则,本研 究在测区内共圈定了１ ３个富水异常区,编号自西 向东分别标注为K ８ １至K ８ １ ３.其中K ８ １、 K ８ ２和K ８ ６富水异常区控制程度较可靠,其 他富水异常区均受高压线干扰,数据质量受到一定 影响. 图８ K ８含水层富水异常区圈定成果图 １６ 地面瞬变电磁技术在探测煤层顶底板富水区分布中的应用 ４K ７含水层富水异常区.K ７含水层富水异 常区圈定成果如图９所示.K ７含水层是３号煤层 底板直接含水层,平均距离为１ ５m,已知水文资 料显示该层属于弱富水性含水层.通过观察图中视 电阻率反演数据顺层切片可知,图中无红色区域, 即视电阻率均小于８ ０Ω􀅱m.基于研究区视电阻 率值电性特征及低阻异常区划分原则,本研究在测 区内共圈定了１ ０个富水区,编号自西向东分别标 注为K ７ １至K ７ １ ０.其中K ７ １和K ７ ２富水 异常区控制程度较可靠;其他富水异常区均受高压 线干扰,数据质量受到一定影响. 图９ K ７含水层富水异常区圈定成果图 ５ 结语 瞬变电磁技术对低阻目标物反应敏感,在煤矿 水文地质勘察中优势明显.在本研究中通过对所采 集瞬变电磁资料的计算、处理,基于经分析研究得 到的研究区视电阻率值电性特征及低阻异常区划分 原则,并结合已知水文地质资料进行定性、定量分 析和综合解释,基本查明了影响勘查区内３号煤层 开采的顶底板含水层第四系及基岩风化带、K １ ０、 K ８及K ７的富水性,通过本次勘查工作,建议矿 方在工作面布设过程中进行合理规划,并在煤层开 采过程中对圈定的富水异常区地段进行井下电法探 测及井下钻探工作,进行近距离的精确探测,从而 确保煤矿的安全生产. 参考文献 [ １] 梁爽􀆱瞬变电磁法在煤矿水害防治中的应用 [J]􀆱 煤田地质与勘探,２ ０ １ ２,４ ０ ３ ７ 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E Ｇ m a i ls h a o d u z i l g ＠１ ６ ３ 􀆱 c o m. 责任编辑 郭东芝 贵州 采购省内生产煤炭装备的企业给予补贴奖励 为促进省内消费,推动煤炭机械产品拓展市 场,贵州省先进装备制造业发展领导小组决定于近 日开展２ ０ ２ ０年煤炭机械产品 “ 扩产促销”专项活 动,对于采购省内生产煤炭装备的企业,将给予补 贴奖励. 对采购注册地在贵州省境内的企业生产的采 掘、钻探千米定向钻机、瓦斯发电机组等装备产品 的,给予不高于企业采购金额 销售统一发票 ３ ０％的奖励.支持金融机构通过开展融资租赁等方 式,为煤炭企业采购本省煤炭机械提供设备融资租 赁服务,给予１年融资租赁利息贴息支持,单笔合 同贴息总额不超过２ ０ ０万元支持生产性服务业.对 本省煤炭机械生产企业为提升产品质量、性能实 施的技术改造、建设项目,经审核符合相关项目支 持条件的,支持额度在原有资金支持标准基础上给 予不超过２ ０％的上浮. ２６ 中国煤炭第４ ６卷第８期２ ０ ２ ０年８月