袁店二矿断层构造复杂区物探技术应用研究.pdf

第 3 1卷第 2期 安徽理工大学学报 自然科学版 2 0 1 1 年 6月 J o u r n a l o f A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y N a t u r a l S c i e n c e V0 1 ． 31 N0． 2 J u n ． 2 01 1 袁店二矿断层构造复杂区物探技术应用研究 胡光雨 ， 信 占东 ， 潘乐荀 1 ．淮北矿业集团袁店二矿， 安徽淮北2 3 6 8 0 0 ； 2 ．安徽惠洲地下灾害研究设计院， 安徽合肥2 3 0 0 8 8 摘要 为了提高煤矿复杂地质构造判断的准确性 ， 利用矿井震波超前探测和瞬变电磁法相结 合的方式可进行有效探查。通过对袁店二矿断层超前综合探查 ， 结果表明， 综合物探技术对矿 井复杂地质构造体分辨能力较 强， 对构造体的空间特征及其含水状况判断准确 ， 超前探测效果 较好 ， 可为矿井安全稳定生产提供技 术依据和保障。 关键词 综合物探技术； 瞬变电磁法； 矿井震波超前探测； 断层构造复杂区 中图分类号 P 6 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 1 0 9 8 2 0 1 1 0 2 0 0 5 2 0 4 Ap p l i c a t i o n o f Ge o p h y s i c a l P r o s p e c t i n g Te c h n i q u e i n F a u l t C o mp l e x Ge o l o g i c a 1 S t r u c t u r e i n Yu a n d i a n No ． 2 Co a l Mi n e HU Gu a n gy u ，XI N Z h a nd o n g ， P AN L eX U l l 1 ． Y u a n d i a n N o ． 2 C o a l Mi n e ，H u a i b e i Mi n i n g G r o u p C o ． ，L t d ． ，H u a i b e i A n h u i 2 3 6 8 0 0 ，C h i n a ； 2 ． A n h u i H u i z h o u I n s t i t u t e o f S u b t e r r a n e a n C al a mi t y ，H e f e i A n h u i 2 3 0 0 8 8 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o i mp r o v e t h e a c c u r a c y o f mi n e c o m p l e x g e o l o g i c a l s t r u c t u r e j u d g m e n t ，u s e d Mi n e S e i s mi c Pr e d i c t i o n a nd Tr a n s i e nt e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d s we r e u s e d t o d e t e c t c o mp l e x g e o l o g i c a l b o d i e s ． T h e r e s u l t o f t h e a p p l i c a t i o n o f o n e c o mp l e x s t ruc t u r e a b o u t t h e f a u l t i n Yu a n d i a n N o ． 2 C o a l Mi n e s h o we d t h a t t h e c o mp r e h e n s i v e g e o p h y s i c a l p r o s p e c t i n g t e c h n i q u e ha d a s t r o ng e r a b i l i t y t o di s t i n g ui s h t h e c o mpl e x g e o l o g i c a l b o d i e s ，a n d t o de t e r mi n e a c c ur a t e l y t I l e s p a t i a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d a qu o s i t y o f t h e b o d i e s．a n d h a d b e t t e r a d v a n c e d d e t e c t i o n．I t c a n p r o v i d e t e c h n i c al b a s i s f o r s e c u ri t y a n d s t a b i l i t y o f mi n e p r o d u c t i o n ． Ke y wo r ds i n t e g r a t e d g e o p h y s i c al p r o s p e c t i n g t e c h n i q u e ；t r ans i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d；mi n e s e i s mi c p r e d i c t i o n ；f a u l t c o n． p l e x g e o l o g i c al s t r u c t u r e 在矿井建设和生产过程 中， 存在着各种影响安 全生产的地质因素 ， 如煤岩体 中的断层构造、 陷落 柱 、 采空区及含水异常等 ， 这些 因素严 重影响并制 约着矿井安全生产进度 ， 甚至造成重大的安全生产 事故。近年来地球物理探测技术的快 速发展 以及 探测手段的 日益成熟 ， 为精确探测矿井 内复杂地质 构造体提供了有效手段。煤矿井下探测空间有限， 且物探方法具有多解性， 单一方法很难对构造体进 行准确判断， 其分辨能力低。因此对于复杂构造的 探测与解释更需要多种物探方法的综合运用 ， 并且 对各种探i 贝 0 结果进行综合对 比分析 ， 进而提高对地 质体判断的准确性。通过在构造复杂 区域进行探 i 贝 4 布置 ， 综合对 比不 同探_2 贝 0 方法 的探测结果 ， 可有 效地查明 目的区域内地质构造的展布状况 ， 为煤矿 安全高效生产提供可靠的技术保障 j 。 袁店二矿属于袁店井 田西半部， 井 田内断层较 多。其 中高长营子断层是位于井 田东部 的一条正 断层 ， 有 1 2条 分支 断层 ， 走 向北东～北 ， 倾 向北 西一西， 倾角5 5 。 一 6 5 。 ， 落差4 4 0 ～ 5 6 0 m， 向两端展 布出边界。F 高 一 正断层是高长营子断层 的一条分 支断层 ， 走向东一北东， 倾 向北一北西 ， 倾 角 6 0 。 ～ 7 0 。 ， 落差 1 1 0 m。两端分别被 wF 、 高长营子断层 收稿 日期 2 0 1 1 0 32 4 作者简介 胡光雨 1 9 6 3 一 ， 男， 安徽无为人， 工程师， 大专 ， 主要从事煤矿开采技术与管理工作。 第 2期 胡光雨 ， 等 袁店二矿断层构造复杂区物探技术应用研究 5 3 切割。在袁店二矿巷道掘进 过程 中， F 高一 断层在 大巷穿过地点落差达到 l O O m， 其中南翼回风大巷 、 运输大巷 、 轨道大巷均过该断层 ， 且在 8 l采区回风 上 山 现 为 7 2 1 1工作 面风 巷 3 5勘 探线 附 近受 D F 4 断层影响 ， 7 煤与 l 0煤间距变小 ， 存在灰岩水 突出威胁 见图 1 ， 图中阴影部分为进行物探探测 巷道分布 区域 ， 这些巷道受 F ii - 7 断层影响较大。 l 综合物探技术 1 ． 1 瞬变电磁超前探测 图 1 探测区域平面图 瞬变 电磁法是利用不接地回线 线圈 或接地 导线发射脉冲电流作为场源 ， 以激励探测 目的物感 生的二次电流 ， 在发射脉冲的间隙利用 回线或接地 电极测量二次场 随时间变化的响应 。根据二次场 衰减 曲线的特征 ， 就可 以判断地下地质体的电性特 征、 规模和产状等 ， 达到解决地质 问题 的目的。因 此 ， 瞬变电磁作为一种时间域 的人工源地球物理电 磁感应探测方法 ， 是根据地质构造本身存在的物性 差异来间接判断相关地质现象 的一种有效地质勘 探手段。 发射 电流关断后不 同时刻地下等效 电流环的 分布 如 图 2所 示 ， 等效 电流环 像 从 发射 回线 中 “ 吹” 出的一系列“ 烟圈” ， 因此 ， 人们将地下涡旋电 流向下、 向外扩散的过程形象的称为“ 烟圈效应” 。 “ 烟圈” 的半径 r 、 深度 d的表达式分别为 r 1 d4 2 式 中 口为发射线圈半径 ； c 8 ／ r r 一 2 0． 5 46 47 9。 图 2 全空间瞬变电磁场电流扩散示意 图 当发射线圈半 径对 于“ 烟 圈” 半径 很小时 ， 可 得 t a n 0d ／ r 1 ． 0 7 ， 0 4 7 。， 故 “ 烟圈” 将沿 4 7 。 倾斜锥面扩散， 其向下传播的速度为 a t 3 从式 1 ～式 3 可 以看 出 地下感应 涡流 向 下、 向外扩散的速度与大地导电率有关。从烟圈效 应的观点看， 早期瞬变电磁场是由近地表的感应电 流产生的， 反应浅部电性分布， 晚期瞬变电磁场是 安徽理 【大学学报 自然科学版 第 3 1卷 由深部的感应 电磁场产生 的， 反 映深部 的 电性分 布。因此 ， 观测和研究大地瞬变 电磁场随时间的变 化规律 ， 可 以探测大地 电位 的垂 向变化 。 1 ． 2 矿井震波超前探测 矿井震波超前探测是应用地震波在传播过程 中， 遇到不均匀地质体 存在波阻抗差异 时会发 生反射 的原理 ， 结合巷道特点设计的沿巷道后方布 置震源和传感器 ， 来探测巷道前方地质和水文地质 条件的观测系统 7 J 。震波是 由特定位置进行小型 爆破产生的 ， 爆破点一般是沿巷 道左 右 帮平行 洞底成直线排列 ， 这样 由人工制造一系歹 有规则排 列 的轻微震源 ， 形成地震剖面。这些震源发出的地 震波在遇到地层层 面、 节理面、 特别是断裂破碎界 面和溶洞 、 暗河、 岩溶 陷落柱 、 淤泥带等不 良界面 时， 将产生反射波。通过对地震剖面的偏移处理获 得前方地质体的反射能量反应 ， 并进行地质解释。 2 探测 技术 的应用 2 0 0 9年 7月至 2 0 1 0年 8月期间 ， 分别 在袁店 二矿 一 5 3 5南翼 回风大巷 、 一 5 6 0南翼轨道大巷 、 8 1 采 区回风石 门、 8 1采 区 7 2 1 1工作面风巷进行 了 9 次井下综合超前探测 ； 另在 8 1采区回风上山 7 2 1 1 工作 面风、 机巷进行了 7次单一方法超前探测。通 和 D F 断层的构造位置 、 赋水状况进行评价分析 ， 取得 了良好的效果。为此选取其中一次探测工程 ， 对断层复杂构造区物探技术的应用进行分析研究 。 据 已知 地 质资 料 分 析， 现 场 在 探 测 巷 道 一 5 6 0m南翼轨道大巷 内布置测线 ， 其 中在左 、 右帮各布置 3个i 贝 0 点 ， i 贝 0 点间距为 5 m； 巷道正迎头 方向布置 6个测点 ， 测点问距为0 ． 5 i n ， 两拐角处各 布置 1个测点 ； 单次探测总共布置 l 4个 测点。每 个测点处做顶板 、 顺层 、 底板方向探测 见图 3 。 图3 瞬变电磁观测系统布置图 将瞬变 电磁探测电阻率进行反演 ， 从反演结果 中 见图 4 可以看出， 剖面 中电阻率横 向上 l O一 1 0 0 m范围内整体电阻率值较高 ， 表明探测巷道迎 头前方 1 0 0 m范 围掘进段岩层整体赋水性差 。而 巷道两帮均采用锚 网支护， 其 对探测有较 大影 响， 故在 电阻率反演剖面中， 两帮表现为相对低阻。 L／m o l 0 2 0 3 0 4 o _ 5 o 6 o ，7 0 8 0 9 0 1 o o 0 1 2 3 4 5 1 0 1 5 2 O 2 5 3 O 3 5 4 0 4 5 5 0 图4 瞬变电磁法超前探测结果图 根据巷道地质条件 ， 现场 同时采用 了矿井震波 超前探测技术 Mi n e S e i s m i c P r e d i c t i o n ， MS P 进行 了探测。矿井 MS P探测在迎头有 限空 问内展开 ， 油 ．采用炸药震源。i 贝 4 线布置右帮上， 共设置右帮炮孔 2 O个 ； 接收传感器点为 2个 即 C 1和 C 2 见 图 5 。 设计炮间距2 m 。其中 c 1 传感器距离 P 2 0号炮点 1 5 m， C 2点距 C 1传感器 5 m。 左帮 I ．．I ． ． ． ． I ． 一 右帮 5 m 1 5m 2m 图 5 MS P观测 系统 布置图 迎头探测 轴心线 第 2期 胡光雨， 等 袁店二矿断层构造复杂区物探技术应用研究 5 5 MS P探测偏移能量剖面如图6所示 ， 其 中各个 相位波组特征 明显。 一5 6 0 m南翼 轨道大巷 D 7 9 5 m当 日迎头点起至前方 1 4 2 m范 围内， 共存在 2 组主反射异常段 ， 即 G R1 、 G R 2界 面。其 中在迎头 前方3 5 4 7 m段存在 G R 1 异常界面， 在迎头前方 D7 i 0 i |。 E 9 Ol 1 0m段存在 G R 2异常界面． ， 且每一组界面影 响范 围达 1 0 m左右 。结合地质资料分析 G R1 界面 可能存在岩性相变、 岩层 较为破碎 ； G R 2界面可能 为断层构造异常位置。 L ／m 图6 地震探测结果对照图 3 掘进验证分析 通过对 一5 6 0 n l 南翼轨道 大巷迎 头进行 的瞬 变电磁探测并分析认为 ， 当日迎头前方 1 0 0m掘进 段岩层整体电阻率值较高， 其含水性相对较弱。后 经掘进实际验证 本段探测区域内迎头前方基本无 水 ， 巷道安全掘进通过。MS P探测结果是 当 日迎 头前方 1 5～ 2 0 Y I 1 范 围内有异常界面 ； 在 3 5～ 4 7 I T I 段存在 G R 1异 常界 面； 在 9 Ol 1 0 m 段存在 G R 2 异常界面 ， 且每一组界面影响范围达 1 0 m左右； 后 经掘进验证 ， 迎头前方 1 52 0m范 围内的异 常区 为破碎带 ； G R 1异常界面是 由一正断层 造成 的异 常反应 ； G R 2异常界面是 由煤线 引起的异常反应。 袁店二矿地质异常区综合超前探测结果表明 MS P探测技术可直接对巷道前方地质构造界面进 行探测与预报 ， 确定其 位置及极性特征 ， 有 效控制 距离在 1 2 0 m左右 ； 而在复杂地质 区域 ， 采用与 瞬 变电磁等方法相结合 ， 可进行综合超前探测 ， 其较 大的提高了对构造复杂 区域前方 不 良地质构造 的 预报精度 ， 综合预报准确率达 8 2 ％以上。 4 结束语 随着矿井开采深度增加， 各种地质问题变得相 对复杂， 综合使用物探技术将对复杂构造探查起到 重要的作用， 是未来矿井探测技术研究与应用的方 向。袁店二矿地质异常区综合超前探测结果表明， 碎带 矿井震波超前探测技术可直接对巷道前方地质构 造界面进行探测与预报 ， 确定其相对准确位置及特 征 ； 而结合瞬变电磁等方法综合超前探测 ， 可进一 步提高对前方不 良地质构造的预报精度 。根据现 场地质条件， 选择合适的综合物探技术， 结合地球 物理中地震波属性、 电性参数， 做好对地质异常体 的分辨的标准试验研究， 为矿井安全生产提供更为 有性的技术参数和保障。 参考文献 [ 1 ] 张平松， 刘盛东， 吴健生． 坑道掘进空间反射波超前 探测技术[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 0 ， 3 5 8 1 3 3 1 1 3 3 5 ． [ 2 ] 于景郦． 矿井瞬变电磁法勘探[ M] ． 徐州 中国矿业 大学出版社， 2 0 0 7 1 02 5 ． [ 3 ] 侯云廷． 隧道地质调查中综合物探方法的应用研究 [ D ] ． 北京 中国地质大学， 2 0 0 6 5 1 O ． [ 4 ] 毛志国． 利用综合物探方法解决矿井地质问题 [ J ] ． 河北煤炭， 1 9 9 9 1 1 3一l 5 ． [ 5 ] 李志华 ， 朱旭东． 复杂地质隧道的综合物探技术[ J ] ． 铁道工程学报 ， 2 0 0 8 8 5 8 6 1 ． [ 6 ] 张平松， 刘盛东． 井巷煤岩体内构造特征反射波探测 技术与应用[ J ] ． 矿业安全与环保 ， 2 0 0 6 6 4 3 4 6 ． [ 7 ] 李希宝， 朱文 ， 付茂如． 矿井复杂地质构造综合探测 技术应用研究[ J ] ． 安徽理工大学学报 自 然科学版 ， 2 0 1 0 ， 3 0 3 1 31 6 ． 责任编辑 何学华， 范君