瞬变电磁法在导水裂隙带高度探测中的研究应用.pdf

煤炭工程 2 0 1 1 年 第 3期 瞬变 电磁法在导水裂 隙带高度 探测 中的研究应 用 张 彬 ，牟 义 ，张俊英 ，李 文 ，黎 灵 1 ．煤炭科学研究总院 矿山安全技术研究分院，北京1 0 0 0 1 3 ； 2 ． 煤矿重大危 险源评价与鉴定实验室 ，北京1 0 0 0 1 3 摘要 为 了准确地测定煤层工作面覆岩破坏导水裂隙带的高度 ，文章利用瞬变电磁仪对宁 夏红柳煤矿 1 1 2 1工作 面采空区开展 了覆岩破坏导水裂隙带高度超前探测的试验研究。结果表 明， 井中瞬变电磁法具有定向性 方位性 好 、探测距 离大、探测精度 高等 突出优点 ，为煤矿 导水裂 隙带高度定量探测提供 了一种新的有效手段。 关键词 瞬变电磁法；瞬变电磁仪 ；导水裂隙带高度 ；冒落带 ；超前探测 中图分类号T D 7 4 5 文献标识码 B 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 1 0 3 - 0 0 4 4 -03 随着我 国煤矿 开采不 断延 深 ，煤层底 板突水 威胁 日趋 严重 。在煤层 回采 过程 中 ，采 场附 近煤层工 作面覆 岩 因应 力变化产生变 形 、破坏而 形成 覆岩破 坏导水 裂隙带 ，因失 去隔水能力形成导水裂隙带 ，使得顶板隔水层厚度变薄 ， 更容易与浅部含水岩层导通发生突水事故。因此，准确地 测定煤层工作面覆岩破 坏导水 裂隙 带高度对 于煤 矿 防治 水 措施 的制 定及 突水 预测 都是 至关 重 要 的。在 实 际工 作 中 ， 需要对矿井顶板覆 岩破坏 裂隙 导水带进 行现场 实测 ，其 方 法 主要有钻孔 注 放 水法 、探地 雷达 、震 波 C T成 像法 及 直流电阻率法等，这些物探方法大部分用于工作面底板破 坏带深度探测，只能定性分析 ，无法定量确定。本文通过 采用 瞬变 电磁法对 宁夏红柳煤矿 1 1 2 1 工作 面覆岩破坏 导水 裂 隙带高度进行探 测 ，对 瞬变 电磁 法超前 探测在 工作 面覆 岩破 坏导水裂隙带高度定量分析进行初步研究 。 1 工作面基本概况和地质情况 1 1 2 1为 1 1采 区 的 首 采 工 作 面 ，工 作 面 埋 深 1 5 0 3 5 0 m，工作面宽 3 0 2 m，走 向长为 1 4 8 0 m，平均倾斜长为 3 0 6 m，煤的厚度为 4 ． 3 5 ． 8 m，平均 5 ． 3 m，倾角为 5 ． 3 。 ～ 1 5 ． 5 。 ，平均 8 ． 5 。 ，可采储量 2 7 8万 t 。平均采高为 5 m，采 用走向长壁综采一 次采 全高，全部垮 落管理顶板方法 ， 1 1 2 1 工作面布置在 2煤中，2煤直接顶为粉、细砂岩，厚 度为 8～1 0 m，老顶从 底往上 依次 是直罗 组粗 砂岩 含水层 、 粉砂岩、泥 岩和粗砂 岩含水 层，其 中直罗组 粗砂 岩厚 1 4 ． 6 6 m，其上为 1 5 m 的粉 砂 岩 和 1 0 m 的泥 岩 ，再 向上 为 4 0 ． 6 m的粗砂岩含水层。工作面推采至约 5 6 m处 回风巷、 运输巷分别推进 到 4 7 ． 5 m、6 4 ． 5 m 时曾发生 突水 ，工 作 面 被迫停 止回采。 由于含煤 岩 系沉 积地 层 ，其 电 阻率 与地 层 岩性 对应 ， 具有较好的成层性规律，如果地层破碎富水，则其导电性 增强，电阻率降低。1 1 2 1工作面部分采空区在重力和地层 应力作用下 ，顶板塌落，形成冒落带、裂隙带和弯 曲带。 这些地质 因素 的变化 ，使 得采空 区及其 上部地 层 的地 球物 理特征发生了显著变化 ，主要表现为 1 煤层 采 空 区 冒落 带 与完整 地 层相 比，岩性 变得 疏 松 、密实度 降低 ，一般情 况下 ，其 内部充 填的松 散物 的视 电阻率明显高于周围介质 ，在电性上表现为高阻异常。 2 煤层采空区裂隙带与完整地层相比，岩性没有发生 明显的变化 ，但 由于裂隙带内岩石的裂隙发育，裂隙带的 高度一般在几十米，裂隙中的充人空气致使导 电性降低， 在电性上也表现 为高阻异 常。 3 煤层采 空区冒落带 和裂 隙带如果有水 注入 ，使得松 散裂隙区充盈水分达到饱和的程度，会引起该区域的电导 率迅速增加 ，表现为其视电阻率值明显低于周围介质，在 电性上表现为低阻异 常。 综上所述 ，瞬变 电磁法具备探测导水裂隙带 高度 的 条件 。 2矿井 瞬变 电磁 法 工作方 法 本次矿井瞬变电磁法探测采用专门用于井下的多匝矩 形发射线框，边长为2 m 2 m。采用偶极装置进行探测 ，发 射线框和接收线框是两个独立的线框，探测时主机与发射 机 中间间隔一定距离 ，一 般大于 2 m。井下瞬变 电磁法超前 探测是将发射线框和接收线框垂直放置于工作面开切眼后 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 2 0 作者简介张彬 1 9 7 3一 ，男，山东新泰人，工程师 ，现在煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院从事煤矿开采 技术、煤矿物探技术等方面的研究工作。 2 0 1 1年第 3期 煤炭工程 方 ，如 图 1 所示 ，发 射线 框 和接收 线框 法线 方 向位 于同 一 直线上，其中发射线框位于接收线框前面，间距大于 5 m， 探测时通过同时旋转发射线框和接收线框来改变探测角度， 转换不同角度则可探测开切眼前方或侧方一定范围的电阻 率分布 ，根据 电阻率 分 布情况 推断 巷道 开切 眼前 方采 空 区 上方导水裂隙带高度及含水性 。 发射线 图 1 工作面开切眼 T E M超前探测装置方 式 3矿井瞬变电磁法探测实施方案 为 了解 1 1 2 1 综采工作 面采 空区 冒落 带高 度 ，预测 导水 裂隙发展高度 ，在 回风巷 和运 输巷 与切 眼交 汇处各 布 置 4 个 探测点 ，每测点 分别 布置 了 7个 不 同角度 的超 前探 。切 眼超前探方 向，按 9 0 。 、7 5 。 、6 O 。 、4 5 。 、3 O 。 、1 5 。 、0 。 的探 测方向设计 ，用于探测采空区冒落裂隙带发育高度，如图2 所示 ，切眼正前方为 0 。 ，依次前上方倾斜 1 5 。 、3 O 。 、4 5 。 、 6 0 。 、7 5 。 、9 0 。 ；然后切眼向工作面内侧 4 5 。 正前方 0 。 ，依 次旋转倾斜 1 5 。 、3 0 。 、4 5 。 、6 O 。 、7 5 。 、9 0 。 。 图 2 切眼超前探 瞬变电磁观测系统 切眼超前探方 向 ，2个切 眼 运输巷 切眼 A和 回风巷切 眼 B ，每个切眼设计 2个旋 转方 向 平 行巷 道和 与巷 道成 4 5 。 角 ，每个旋转 方 向按 照 7个 不 同旋 转角 度 9 0 。 、7 5 。 、 6 0 。 、4 5 。 、3 0 。 、1 5 。 、0 。 进行 ，实际探测物理点 2 8个 。 4 数据处理与资料解释 4 ． 1 数 据 处理 T E MI N T是为瞬变电磁法的数据处理和解释开发的专用 软件 ，适用 于不接地 磁源 、半空 间和 全空 间 、矩 形发 射框 移动源的中心和偶极方式下的瞬变电磁数据处理。该软件 采用了近年来的最新技术和方法，具有精度和分辨率高， 使用简单等特点。该软件包采用模块式结构，每个模块可 以独立执行不同的功能。处理流程如下 1 数据整理转换 包括数据归一化处理 、极性校正、 测线和测点编辑、磁场计算等 即由磁场变化率 O B z ／ O T求 取 ， 是磁场 的垂直分 量 。 2 数据处理 主要是计算全 程视电阻率 。包 括噪音剔 除 、畸变校正 、发射 框校正和关断时 间校正等 。 3 数据解释视电阻率的一维正反演，电阻率成像变 换、拟二维电阻率剖面和拟三维电阻率切片等。 4 模拟实验与工程设计 该模块是 T E MI N T的一个高 级功能 ，是为专业 研究 人 员提供 的一 个理 论研 究平 台 ，同 时也是为应用者 提供 的一个 工程 设计 的工 具 。使 用者 可 以 根据需要或自己的想法建立模型、选择各种装置参数计算 理论 响应曲线 。 按 照上述处理 方法 对测 量数 据进行 了处 理 ，根 据地 层 的电性特征，设计了表示视电阻率的色谱，形成 了视 电阻 率色谱断面图。 4 ． 2数 据 解释 4 ． 2 ． 1 解释原则 参照 1 1 2 1 综采工作面瞬变电磁探测成果与工作面涌水 情况 ，根据本次 实测 的岩层 电性 特 征 ，对于 煤层 顶板 冒落 带 比较疏散 ，出现 明显 的高阻 异常 ，导 水裂 隙带 为砂 岩充 水，电阻率出现大幅度下降。根据实测 电阻率分布特点 ， 把导水裂隙带和冒落带及其含水性与电阻率的一般对应关 系分为4个级别①导水裂隙带 含水性相对强到较强 ， 对应粗 砂岩的 电阻率一般小 于 0 ． 7 5 n m；②弯 曲带 和导水 裂 隙带 分 界 含 水 性 相 对 较 强 ，对 应 砂 岩 电 阻 率 大 于 0 ． 7 5 n m，或者范围更大，但一般小于4 ． 8 Q- m；③导水 裂隙带和冒落带分界 含水性中等 ，对应粗砂岩的电阻率 大于 4 ． 8 0 m或者范 围较大 ，对 应粗 砂岩 电阻 率介 于 4 ． 8 ～ 7 f Z r f l ；④冒落带 含水性相对较弱 ，对应粗砂岩电阻 率大于 7 Q m。 4 ． 2 ． 2 资料解释 电阻率成像变换后形成 的拟二维 电阻率剖 面图 ，如 图 3 所示。图中横坐标表示切眼水平向采空区方向长度，纵坐 标表示采空区正上 方距 采空 区底 板 的距离 。为 了比较细 致 地分析地层电阻率变化，色谱划分了2 0个等级 ，其中颜色 的变化情况反 映 了测 线 沿探测 方 向的 电阻率 分布 特征 ，并 根据其分布特征 进行 水 文地 质解 释 ，其 中测线前 二 三十米 左右，属于探测盲区，不在解释范围。限于篇幅，只对其 中的两个探测方 向进行解释 。 1 切眼 A号点 与运输巷呈 4 5 。 夹角 超前探电阻率剖 面解释成果，如图3 a 所示。从该剖面图所反映的电性特 征来看，该位置超前探测向上部探测 9 0 m，向正前方探测 1 0 0 m，结合该工作面的开采资料 ，推断该位置斜前方 9 0 m 以后为正常地层 的 电性反 映 ，9 0 m 以前 为采 空 冒落 后 的电 性反映，由于冒落带比较松散，孔隙较大，充水程度较弱， 4 5 煤炭工程 2 0 1 1 年第 3期 电阻率较正常地层要偏大；而导水裂隙带由于裂隙发育 ， 充水程度较强 ，处 于饱和状 态 ，视 电阻率较 正常地 层要 偏 小。结合视电阻率等值线梯度变化特征，推断冒落带最大 发育高度约4 5 m，裂隙带最大发育高度约 8 5 m。在该剖面 前方 3 0～ 7 0 m、上 方 3 0～ 7 0 m位 置存 在低 阻 闭合 圈异常 ， 视电阻率小于0 ． 5 1 2 m，推断该位置富水性相对较强，粗 砂岩裂隙水未排完毕。 2 切眼 B号点 平行回风巷 超前探 电阻率剖面解释 成果，如图 3 b 所示。从该剖面图所反映的电性特征来 看 ，该 位置超前探测 向上 部探测 9 0 m，向正 前方探测 9 0 m， 结合该工作面的开采资料 ，推断该位置前方 4 9 m以后为正 常地层 的 电性 反 映 ，4 9 m 以前 为采 空 冒落 后 的 电性 反 映 ， 结合视电阻率等值线梯度变化特征，推断冒落带最大发育 高度约4 5 m，裂隙带最大发育高度约8 0 m。另外在垂向5 0 m 以上，存在相对低阻异常，该位置为粗砂岩含水层的电性 反映，推断该探测方向在该位置粗砂岩富水性相对较强， 导通该 含水层 的裂隙较少 。 图 3 切眼 A、B号点超前解释成果图 综上所述 ，瞬变 电磁超 前探测 向上部 探测 1 l O re，向正 前方探测 7 0 m，结合 1 1 2 1 工作面的开采资料，推断该位置前 方约5 7 m以后为正常地层的电性反映，5 7 m以前为采空冒落 后的电性反映，结合视电阻率等值线梯度变化特征，推断冒 落带最大高度在5 0 m左右，裂隙带发育最大高度约8 8 m。 5结论 通过用矿井瞬变 电磁法对 煤矿开采 过 程中煤层 顶板 覆 岩破坏导水裂隙带高度进行定量探测研究 ，得出以下结论 1 矿井瞬变电磁法方向性好、探测深度大、探测精度 高，与其他物探方法相比，瞬变电磁法为覆岩破坏提供 了 一 种新的精细物探方法。 2 岩体电阻率随压力的变化十分显著，且主要与岩石 的岩性 、含水性有 关。对于煤 层顶 板 冒落 带 比较疏 散 ，出 现明显的高阻异常，导水裂隙带为砂岩充水，电阻率出现 大幅度下降，冒落带和导水裂隙带分界 、导水裂隙带和弯 曲带分界比较明显。 3 通过采用冲洗液漏失量观测、钻孔彩色电视对工作 面覆岩破坏带高度进行观测，综合 比较得出冒落带高度约 为 4 2 ． 6 m，导水裂隙带高度约为 8 4 m，与矿井瞬变电磁法 探测结果相吻合 。实测结果 表 明，采 用瞬变 电磁法 用于 顶 板覆岩破坏破坏导水裂隙带高度的定量探测效果 比较明显 ， 能显示出顶板冒落带和导水裂隙带发育情况，有利于顶板 水情 的监测 和突水预 防措施 的制定 。 参考文献 [ 1 ] 徐永圻 ，煤矿开采学 [ M] ．徐州 中国矿业大 学出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 2 ] 岳建华 ，刘树才．矿井直流电法勘探 [ M] ．徐州 中国矿 业 大学 出版社 ，2 0 0 0 ． [ 3 ] 张金 才，刘天泉．论煤层底 板采动裂 隙带的深度及 分布特 征 [ J ] ．煤炭学报 ，1 9 9 0 ，1 5 2 4 6～ 5 5 ． [ 4 ] 高延 法，李 白英．受奥灰承压水威胁 煤层采场底板 变形破 坏规律研究 [ J ] ．煤炭学报 ，1 9 9 2，1 7 2 3 2～3 9 ． [ 5 ] 张红 日，张文泉 ，温兴林 ，等．矿井 底板采动 破坏特征连 续 观测 的工 程设计 与实践 [ J ] ．矿 业研究 与开 发，2 0 0 0， 2 0 4 1～ 4 ． [ 6 ] 施龙青 ，朱鲁 ，韩进 ，等．矿 山压力 对底板破 坏深度监测 研 究 [ J ] ．煤 田地质与勘探 ，2 0 0 4，3 2 6 2 0～2 3 ． [ 7 ] 王 连成． 矿井 地质 雷达 的 方法 及应 用 [ J ] ．煤 炭学 报 ， 2 0 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