瞬变电磁法在煤矿水害探测中的应用研究.pdf

第 2 8卷第 1期 2 0 0 8年 3月 山 西 煤炭 SHANXI C0AL Vo1 ． 28 No ．1 M a r ． 2 00 8 瞬变电磁法在煤矿水害探测中的应用研究 程娟 ， 康静文。 1 ． 太原理工大学矿业工程学院， 山西 太原 0 3 0 0 2 4 ； 2 ． 太原理工大学环境与科学工程学院， 山西 太原 0 3 0 0 2 4 摘要 煤 层 附 近 的 富 水 区 和 采 空 区积 水 严 重 威 胁 着 煤 矿 的 生 产 安 全 ， 传 统 的 地 球 物 理 方 法 在 煤 矿 水 害 勘 查 工作 中得 到 应 用 的 同 时 ， 新 的 更 先 进 的 物 探 方 法 不 断 涌现 ， 本 文 通 过 实例 阐 述 了瞬 变 电磁 法 在 探 测 采 空 区 积 水 和 煤 层 顶 底 板 富 水 区 中 的 实 用性 和 有 效 性 。 关 键 词 瞬 变 电磁 法 ； 电 阻 率 ； 富 水 区 ； 采 空 区积 水 中 图 分 类 号 TD7 4 5 ． 2 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1 6 7 2 5 0 5 0 2 0 0 8 0 卜0 0 4 5 0 3 ■ 水害是影响矿井安全生产 的主要 因素之一 ， 为 保证煤层的正常开采 ， 在煤层开采之前 对煤矿 开采 区内进行水文地质勘探 查 明煤层顶、 底板围岩的富 水情况 、 采空区的积水情况和主要断层 的含水及导 水性等问题具有十分重要的意义。 l 基本原 理与数据处 理方法 瞬变电磁法 TE M 是利用不接地回线 大 回线 磁偶源 或接地线源 电偶源 向地下发送一次场 ， 在 一 次场的间歇期间， 测量地下介质的感应电磁场 二 次场 电压随 时 间 的变 化 。该 二次 场 的大 小 及 衰 减 速度与地下地质体的导电性有关 ， 导电性越好 ， 二次 场衰 减越慢 ， 反之 ， 二 次 场 衰 减 越快 ， 根 据 二 次 场 衰 减曲线 的特征 ， 就可判断地下地质体 的电性 、 规模 、 产状 等 。 瞬变 电磁所 观测 的数 据 是 各 测 点 各 个 时 窗 测 道 的瞬时感应电压 ， 可换算成视 电阻率 、 视深度 等 参数 。通常应用视电阻率来做瞬变电磁测深资料的 下 一 步 的解 释 。 视电阻率计算公式为 p 一 一 『 ] 2／3 1 、 4 u t I 5 ￡ V t I 式中 p 视电阻率 ， Qm； 。 中空 导磁 率 ； ￡ 时窗 时间 ， ms ； m为发射磁矩 ， A m。 ； g 为接 收 线圈 的有效 面积 ， m。 ； V t 感 应 电压 ， u V。 此 次 瞬 变 电 磁 勘 探 使 用 加 拿 大 产 P R OT E M 6 7 D 瞬变 电磁勘 探 系统 ， 采用 大定 源 回线 装 置 。 2 应用 实例 2 ． 1 采 空 区积 水探 测 2 ． 1 _ l采 空 区瞬 变电磁 勘 查原 理 瞬变电磁勘探是利用 目标地质体与围岩存在的 电性差异来解决地 质问题 的。当煤层采空 区充水 时， 其导电性会显著增强 ， 视电阻率值 明显降低 ， 在 视电阻率剖面图上会形成横向上的低阻异常。 2 ． 1 ． 2实例 分析 利用瞬变电磁勘探分析山西某煤矿 3号煤层采 空 积水 区范 围及 积水 量 。测 区表层 多被 第 四系黄 土 覆盖 ， 厚度 0 m． - 3 5 m， 下 覆 地层 为第 三 系 、 二叠 系 、 石炭系及奥陶系， 奥陶系灰岩为煤系地层基底 。该 矿 3号煤层已开采完毕， 底板起伏变化大， 低凹区都 有积 水存 在 。 图 l为测 区 l 0 0 0线的视电阻率剖面 图， 图中 黑色实线为 3号煤位置 ， 横坐标为测点， 纵坐标为高 程 。从 图上可 以看 出沿 测线 下方 不 同深度 的电性变 化情况 ， 横向上视 电阻率的变化反映同一岩层 富水 性 的强弱 。在 l 4 6 0号 ～l 5 8 0号点 之 间 ， 3号煤 层 等值线发生低阻圈闭 ， 见 图 l中椭圆虚线圈出部位， 推测为 3号煤层采空积水区的反映。 收稿 日期 2 0 0 8 0 1 0 2 作者简介 程娟 1 9 8 2 一 ， 女 ， 湖北天 门人 ， 在读硕士 ， 从事瞬变 电磁法 的应用研究 。 4 5 维普资讯 2 0 0 8年 3 月 山 西煤炭 第 2 8卷第 1 期 图 2为测 区 1 1 2 0线 视 电阻率剖 面图 ， 3号 煤层 等值线低阻扭曲不明显， 电阻率值相对较高， 为 3号 煤 层采空 区没有 积水 的反 映。通过 对全 区瞬变 电磁 资料及绘制的各种图件进行综合分析 ， 以瞬变电磁 各测线视 电阻率剖面图上的异常位置 以及异常形 态 ， 结合顺层视电阻率切片图异常区形态 ， 最终确定 3号煤采空积水区， 绘制了相应成果图， 共划分出 1 O 块 积水 区 ， 积水 量共 计约 1 2 ． 1 2 万 m 。 1 46 0 l 5 00 l 5 4 0 l 5 8 0 l 6 20 l 6 60 l 42 0 l 4 60 l 5 0 0 l 5 40 l 5 8 0 l 6 2 o l 6 60 图 1 1 0 0 0线 视 电 阻率 剖 面 图 1 4 2 0 l 4 6 0 1 50 0 I 5 4 0 1 5 80 l 6 20 l 6 6 0 65 0 图 2 1 1 2 0线 视 电 阻 率 剖 面 图 2 ． 2 煤层顶、 底板富水性探测 二叠统山西组及 K 8 砂岩裂隙含水层 。 2 ． 2 ． 1 煤层 顶 、 底板 富水 性瞬 变电磁勘 查原理 图 3为 1 6 4 0线视 电 阻率断 面 图 ， 该测 线在 测 区 煤层顶 、 底板 多为砂岩或灰岩 ， 完整砂岩和灰岩 的西部。图 3中横坐标为测 点号， 纵坐标为坐标高 的电阻率较高 ， 但当其因破碎 、 岩溶或裂隙发育充水程 ， 图中的黑线表示 3号煤层 ， 白色虚线表示奥陶系 时， 其导电性会显著增强， 视 电阻率明显降低 ， 在电法顶界面。图 3中浅色 的过渡表示视电阻率值 由高到 资料上 会形成 横 向上的低 阻异 常 。因此 ， 通 过寻找 测 低 的变 化 。 区目标层层位上相对低阻异常分布区， 就能问接确定 从纵 向上看， 从浅到深其视电阻率基本呈现由高 含水层的富水区分布及其关系。 ～低～中～高的电性特征。图中上部高阻区为新生 2 ． 2 ． 2 实例 分析 界 地层 的反 映 ， 中部 低 阻 区 为二 叠 系地 层 的反 映 ， 下 利用瞬变电磁勘探分析 山西某煤矿煤系地层富 部 中高阻区为石炭系地层的反映， 深部高阻区为奥陶 含水区范围。测区地层为第四系、 三叠系、 二叠系、 石 系灰岩的反映。从横向上看， 在图中部 3 0 6 0测点～ 炭系及 奥 陶系 ， 3号煤 层 位 于二 叠 系下 统 山西 组 ， 1 5 3 5 6 0测点之 问有 一 明显 的相 对低 阻 体 存在 见 图 中 号煤位于石炭系上统太原组， 直接影 响 3号煤和 1 5 横向椭圆圈出区域 ， 该异常横 向和垂向上的范围较 号煤开采的主要含水层有 中奥陶统峰峰组石灰岩岩大。在该异常 边部有一 钻孔 2 7 0 4号 ， 该 钻孔在 溶裂隙含水层、 上石炭统太原组岩溶裂隙含水层和下2 8 3 m 以深至孔底 4 1 4 ． 9 4 m 泥浆消耗量较大 ， 漏失 啪 瑚 撕 猢 ㈣ 啪 帅 帅 加 ∞ 卯 钾 弛 勰 加 m 4 撤 獬 ∞ ∞ ∞ 卯 加 n 丝 加 擂 m 0 ■ ■ ■ ■ 舞 阐 盘 簟 ● ■ ■ 圈 隧 鼹 强 匿 ■ ● ● ■ ● ■ ■ ■ ■ 维普资讯 第 2 8卷第 1 期 程娟等 瞬变 电磁法在煤矿水害探测 中的应用研究 2 0 0 8年 3月 _。_⋯⋯⋯ ⋯’ ～’ ⋯一’一。__⋯⋯～一 一一一 ⋯～。。_⋯ 一 一一 一 一’ ～ ⋯⋯～一一一一一一 一 ⋯一一一⋯一一 量达 2 ． 6 4 m。 ／ h ， 这 在 整个 测 区 中都 是 少 有 的 ， 可 见 该处为一富水区域 。据三维地震资料 ， 在 3 3 2 0测点 ～ 3 4 8 0测点之间有一陷落柱 x 。 ， 其呈现相对高阻反 应 ， 反映 了陷落柱本身的富水 性较差 ， 但其处 于低阻 异常带中， 可见陷落柱与深部奥陶系的低阻异常区有 密切 的关 系 ， 其 可 能具 有局 部导 水能力 。 通过对全区瞬变电磁资料及绘制 的各种 图件进 行综 合分 析 ， 查 明 了煤 系地 层 主要 含 水 层 的富 水 区 ； 对 3号煤 和 1 5号煤 层 顶 、 底 板 的 富水 性 进 行 了综 合 评价 ， 3号 、 1 5号煤 层 顶 、 底 板 整 体 富 水 性 较 弱 ， 部 分 区域富水性较强 ， 富水异常 区呈 串珠 状和条 带状 分 布 ， 与 区域 构造 有关 。 3 结论 瞬变电磁法观测的是纯二次场， 自动消除了频率 域法中一次场存在时测量的耦合噪声 ， 具有对低阻体 反映灵敏 ， 分辨率较高的特点 ， 而且施工方便 、 高效 、 成本低 、 受地形影响小 ， 剖面测量 与测深工作 同时完 成 ， 用于对煤矿水害 的探测具有其它物探方法不可比 拟的优点， 充分利用其勘探结果 ， 可 以有效的防治地 下 水对 煤矿 开采 所 造成 的危 害 ， 为我 国 的矿 产资 源 的 合理开采和利用提供用的勘探资料 。 参考文献 [ 1 ] 牛之琏． 时间域 电磁法原理[ M] ． 长沙 中南 工业 大学出版社， 1 9 9 2 ． E 2 ] 蒋邦远． 实用近 区磁 源瞬 变电磁法勘探E M3 ． 北 京 地质出版社 。 1 9 9 8 ． E 3 ] 周韬 ， 韩 自豪等． 瞬变 电磁法在煤矿水害防治 中的应用E J ] ． 中国煤 田地质， 2 0 0 4 ， 1 6 2 ． E 4 3 刘树才等． 瞬变 电磁法在煤矿采 区水文勘探 中的应用E J ] ． 中国矿业大学学报 。 2 0 0 5 ， 3 4 4 App l i c a t i o n o f Tr a n s i e nt El e c t r o m a g ne t i c M e t h o d i n Co a l m i ne Fl o o d Da m a g e De t e c t i ng CHENG Ju a n ， KANG Ji n g - W e n 1 ． Col l e ge o f M i ni ng Eng i n e e r i ng of TYUT，Ta i y u an Sha nxi 0 3 002 4，Chi na； 2 ．Co l l e g e o f E n v i r o n me n t S c i e n c e * En g i n e e r i n g o f TYUT，Ta i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a A b s t r a c t Wa t e r y z o n e s a d j a c e n t t o c o a l s e a ms a n d wa t e r i n g o b a r e a a r e s e r i o u s l y i mp e r i l i n g c o a l mi ne s s a f e t y． S ome ne w a dv a nc e d ge op hy s i c a l pr o s p e c t i ng m e t ho ds a r e c o m i n g f or t h t o e x p l o r e t h e c o a l mi n e f l o o d d a ma g e wh i l e t h e t r a d i t i o n a l me t h o d s s t i l l i n u s e ． Th r o u g h c a s e s ，t h e u t i l i t y a nd t he e f f e c t i v e n e s s of TEM us e d i n d e t e c t i n g wa t e r i n g ob a r e a a nd r o o ff l o o r wa t e r y z o ne s a r e e xp o und e d ． Ke y w o r d s t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d TE M ；r e s i s t i v i t y ；wa t e r y z o n e s ；wa t e r i n g o b area 本 文 责任 编辑徐树 文 瑚 瑚 瑚 啪 蛐 ∞ ∞ 如 柏 “ 如 加 维普资讯