综合物探技术在新元煤矿9108工作面中的应用.pdf

煤炭与化工 Co al and Chemical Industry 第43卷第5期 2020年5月 Vo l.43 No .5 May 2020 地测与水害防治 综合物探技术在新元煤矿9108工作面中的应用 高小青 （河匕煤炭科学研究院有限公司，河北邢台0540004） 摘 要为确定山西新元矿9108 X作面底板下100m范围内的含富水异常区的位置、范围， 分析异常富水区与工作面两巷揭露构造的关系，以及探测区内的含富水地质构造分布情况。 通过采用井下综合物探技术音频电透视法和直流电法对该工作面进行了采前立体探测， 探测范围覆盖了整个工作面底板下100m范围，采集的物探原始数据合格有效，经资料处理 分析，在该工作面内共圈定了 3处电法异常区，4处音频异常区，较好的解决了该工作面后期 回采过程中所面临的水文地质问题，取得了良好的经济技术效果。 关键词音频电透视；直流电法；采前立体探测 中图分类号TD745 文献标识码B 文章编号2095-5979 2020 05-0055-05 Application of integrated physical detection technology in the 9108 working face of Xinyuan Mine Gao Xiao q ing Hebei Coal Science Research Inst it ut e Corporat ion Lt d., Xingt cd 054000, Ch ina Abstract In o rder to determine the lo catio n and ex tent o f the w aterrich ano malo us zo ne w ithin 100 m o f 108 w o rking surf ace f lo o r o f Xinyuan Mine, the relatio nship betw een the ano malo us w ater-rich zo ne and the tw o ro adw ay o f the w o rking surf ace revealed tecto nics w as analyzed, as w ell as the distributio n o f the w ater-rich g eo lo g ical tecto nics w ithin the detectio n area. By using the integ rated underg ro und physical detectio n techno lo g y audioelectrotransparency metho d and direct current metho d, the pre-mining three-dimensio nal detectio n w as carried o ut o n the w o rking f ace, and the detectio n area co vered the entire 100 m area under the bo tto m plate o f the w o rking surf ace. The o rig inal g eo physical data w ere q ualif ied and pro ved ef lective. Af ter data pro cessing and analysis, 3 electric abno rmal areas and 4 audio abno rmal areas w ere demarcated in the w o rking f ace, w hich so lved the hydro g eo lo g ical pro blems in the later mining pro cess o f the w o rking f ace, and achieves g o o d eco no mic and technical results. Key w o rds audio -f req uency electrical penetratio n; direct current metho d; pre - mining stereo detectio n 此次综合物探技术针对的9108工作面为山西 新元矿9号煤综采工作面，该工作面下部有2个含 水层，石炭系上统太原组石灰岩溶及砂岩裂隙含水 层中奥陶系峰峰组与上马家沟组石灰岩岩溶水含水 层组，峰峰组灰岩含水层较厚为主要含水层，为进 一步査明该工作面水文地质情况，2019年7月， 对该工作面进行了井下数据采集工作。 1工作面概况 9108工作面井下南邻9号南回风大巷（北）、 9号胶带巷（正在掘进巷道），东邻9107进风巷。 上部为3号煤3415 （已采完）、3416工作面（正 在回采），其他方向均未布置巷道。9108工作面所 掘9号煤层为中灰分一中高灰、特低硫、低磷分、 极难选的贫煤、贫瘦煤、无烟煤，煤层以亮煤为 主，内生裂隙发育，煤层中含23层泥质夹秆，厚 度一般为0.20 1.00 m。顶板以泥岩、砂质泥岩为 主，局部相变为中粒砂岩。底板为砂质泥岩，局部 为细一粉砂岩。 工作面所在地区地表被第四系的黄土覆盖，基 责任编辑张彤 D0I ki.cci.2020.05.015 作者简介高小青（1984）,女，河北邯郸人，助理工程师。 引用格式高小青.综合物探技术在新元煤矿9108工作面中的应用[J].煤炭与化工，2020, 43 （5） 55-59. 55 2020年第5期 煤炭与化工 第43卷 岩只有零星出露。出露地层自北向南有二叠系上统 上石盒子组、石千峰组，三叠系下统刘家沟组。奥 陶系中统下马家沟组、上马家沟组、峰峰组，石炭 系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组， 下石盒子组仅有钻孔揭露。 新元矿含水层与主采煤层关系，如图1所示。 井田范围内自上而下有6个含水层组，即第四系砂 砾石层孔隙含水层组，二叠系石盒子组、石千峰 组、三叠系刘家沟组砂岩裂隙含水层组，二叠系下 统山西组砂岩裂隙含水层组，石炭系上统太原组石 灰岩溶及砂岩裂隙含水层和中奥陶系峰峰组与上马 家沟组石灰岩岩溶水含水层组。 图1新元井田含水层与主采煤层关系示意 Fig . 1 Relatio nship betw een the aq uif er in Xinyuan Mine and the main co al seam 2探测方法介绍 2.1直流电测深法 将直流电源的两端通过埋设地下的2个电极（ A、B）,向大地供电，在地面以下的导电半空间建 立起稳定电场（图2 ）。该稳定电场的分布状态决 定于地下不同电阻率的岩层（或矿体）的赋存 状态。所以，从地面观察稳定电场的变化和分 布，可以了解地下的地质情况，这就是直流电阻 率法勘探的基本原理。直流电阻率法常简称为直 流电法。 A B 图2地下稳定电流场装置 Fig . 2 Underg ro und stable current f ield device 为测定均匀大地的电阻率，通常在大地表面布 置对称四极装置，即2个供电电极A、B, 2个测 量电极M、N （图3）。 AM N B 图3对称四极装置 Fig . 3 Symmetrical q uadrupo le device 当通过供电电极A、B向地下发送电流I时， 就在地下电阻率为p p的均匀半空间建立起稳定的 电场。在MN处观测电位差AUMN大小。均匀大 地电阻率计算表达式为 -_ 2tt △ Umn _ 斤△ P - 丄_丄亠丄（1） AM BM AN BN 其中K ---------严「------ 为装置系数, AM BM AN BNAM BM AN BN mo装置系数K的大小仅与供电电极A、B及测量 电极M、N的相互位置有关。当电极位置固定时， K值即可确定。 在均匀各向同性的介质中，不论布极形式如 何，根据测量结果，计算出的电阻率始终等于介质 的真电阻率pp这是由于布极形式的改变，可使 K值和［及AUMN也作相应的改变，从而p使保 持不变。在实际工作中，常遇到的地电断面一般 是不均匀和比较复杂的。当仍用四极装置进行电法 勘探时，将不均匀的地电断面以等效均匀断面来替 代，故用式（1）计算地下介质的电阻率。这样得 到的电阻率不等于某一岩层的真电阻率，而是该电 场分布范围内，各种岩石电阻率综合影响的结果, 称之为视电阻率，并用久表示。因此视电阻率的 表达式为 P. “ 2 56 高小青综合物探技术在新元煤矿9108工作面中的应用2020年第5期 这是视电阻率法中最基本的计算公式。电阻率 法又称作视电阻率法，它是根据所测视电阻率的变 化特点和规律去发现和了解地下的电性不均匀体, 揭示不同地电断面的情况，从而达到探查导水构造 的目的（图4）。 0 4 8 121620 24 28 32 3640 44 48 52 56 60 64 电极号 a AM法 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 电极号 b ABM法 图4并行电法采集电位图 Fig . 4 Po tential diag ram acq uired by parallel electric metho d 2.2音频电透视法 由于地下各种岩石之间存在导电差异（表1）, 影响着人工电场的分布形态。音频电透视法就是利 用专门的仪器在井下观测人工场源的分布规律来达 到解决地质问题的目的。 表1 一般煤系地层常见岩石电阻率值 Table 1 Co mmo n ro ck resistivity values in g eneral co al measure strata 岩名 电阻率/ （n-m） 煤 10-104 泥岩 1-50 砂岩 1 105 矿井水 110 从大的范畴来说，音频电透视法仍属矿井直流 电法。因其施工方法、资料处理技术的差异及主要 针对性（探测采煤工作面内部富水性异常）等原 因而形成音频电透视法分支。 与地面电法不同的是，音频电透视法以全空间 电场分布理论为基础。煤层与其顶、底板（一般 为砂岩、泥岩互层）具有明显的电性差异。而煤 层相对其顶、底板为高阻层，含水构造可以模拟为 局部地质体，如图5所示。 AV \ /■旦 局部 无异常体时探测曲线 良导电性异常体＞■ / 二 有异常体时探测曲线 图5含水构造模拟示意 Fig . 5 Simulatio n o f w ater-bearing structure 对于井下局部地质体的附加场，可用导电球来 说明问题。即电流场中导体的异常可以近似地看作 电偶极子的异常。其表达式为 U弹- （3） 由于 Tll ,互＞＞1,故 Ti-Iilco s, T1 -1212, 上式变为 U -L （4） 2” / / 式中Mp0IL/Mp0IL/（2,7） “l Po 在直角坐标系中，偶极场的电位分布关系 式为 jj _ m xcosO-h sinO m h x 当e二90时， u -m厂----- u ）辄 駅 _ 3h x * 2 2 仏 ＜） 52 则低阻良导体产生一个负电位。 （5） 6 7 对于井下近似三层地电模型来说，其点源场电 位表达式为 UU0 Un （8） 式中5为无局部地质体时的电位分布；U U为局 部地质体的异常。 根据式（3）式（8）可以看出，异常曲线 （U/UoU/Uo ）是以点源A与地质体连线的延线为对称轴 的轴对称曲线。异常幅度、宽度与异常体的大小、 57 2020年第5期 煤炭与化工 第43卷 异常体与围岩的电性差异及距收发面的距离等有 关。异常体规模（体积与含水强弱的综合反映） 越大、与围岩的电性差异越大、距收、发面距离越 小，异常幅度就越大；反之则越小。 3工作布置及工作量 3.1直流电测深法工作布置及工作量 宜流电测深法现场施工时，电极布置在巷道底 板，由于工作面走向长度达1 320 mo工作面上、 下两巷共需布置32站测线，每站探测160 m,两 测站之间重叠80 m,上、下两巷道分别各布置16 个测站；其中，每测站布置16个电极，电极间距 10 m,控制测线长160 mo 9108工作面完成测线回风巷1 320 m,进风巷 1 320 m,测线总长度2 640叫 每80 m 组探测 站，共完成了 32个探测站点，每个站点探测16组 数据，累计完成412组数据。 3.2音频电透视法现场布置及工作量 此次音频电透视法探测，测点布置与矿井直流 电测深法一致，从9108工作面的主回撤开始至切 眼结束，起点以0号开始编号，以10 m为点距， 分别布置在9108工作面进风巷、回风巷。发射点 间距为100 m, 9108工作面进风巷、回风巷各发射 13次，共26个发射点。每个发射点均在对应巷道 进行19点扇形扫描接收。共完成测线长回风巷 1320 m,进风巷 1 320 m。 4综合物探探测结果 4.1直流电法探测结果 图6、图7分别为9108工作面进风巷、回风 巷等视电阻率断面图，图中右侧均为切眼方向，横 轴标记为距离，纵轴标记为底板下深度。 图6 9108工作面进风巷直流电测深等视电阻率断面 Fig . 6 Apparent resistivity sectio n o f depth so unding in the air inlet ro adw ay o f 9108 w o rking f ace 图7 9108工作面回风巷直流电测深等视电阻率断面图 Fig . 7 Apparent resistivity sectio n o f depth so unding in the air return ro adw ay o f 9108 w o rking f ace 从图6可以看出，视电阻率数值在纵向上随着 深度的增加呈逐渐增大的趋势，与实际地层岩性变 化特征基本一致，在横向上变化较小，整体呈层状 分布，但亦存在几处低阻异常区（见图中圈定 区域）。 J-1低阻异常区位于点号380 430,在深度约 5080m发育，视电阻率数值整体相对较低，异 常幅值相对较弱；J-2低阻异常区位于点号580 620,在深度约40 60 m发育，视电阻率数值相对 较低，异常幅值相对较弱；J-3低阻异常区位于点 号1 290- 1 320,在深度约40 60 m发育，视电 阻率数值相对较低，异常幅值相对较弱。 从图7可以看出，视电阻率数值在纵向上随着 深度的增加呈逐渐增大的趋势，与实际地层岩性变 化特征基本一致，在横向上变化较小，整体呈层状 分布，但亦存在几处明显的低阻异常区（见图中 圈定区域）。 H_1低阻异常区位于点号0 20,在深度约 3060m发育，数值整体相对较低，异常幅值相 对较弱；H_2低阻异常区位于点号680-710,在 深度约3060m发育，异常幅值相对较弱；H-3 低阻异常区位于点号810 -890,在深度约60 100 m发育，视电阻率数值相对较低，异常幅值 相对较弱。 4.2音频电透视探测结果 9108工作面底板下不同深度视电导率等值线 异常平面示意如图8所示。 图8 （a）为9108工作面底板下60 120 m 层段音频电穿透视电导率异常平面图，主要反映9 9 号煤底板下60 120 m岩层的电性特征。工作面内 该层位主要发现3处异常，即YPI号、YPII号、 YPDI号异常。YP I号异常在工作面回风巷770 800 m、进风巷860 - 910 m发育，异常范围一般, 异常幅值整体相对较强；YP II号异常位于进风巷1 200-1290 m,向工作面内部最大延伸65 m,异常 范围较小，异常幅值相对较弱；YPDI号异常位于 回风巷1 290 1 320 m,向工作面内部最大延伸 110m,异常范围较小，异常幅值相对较弱。 58 高小青综合物探技术在新元煤矿9108工作面中的应用2020年第5期 图8 （b）为9108 1作面底板下0 60m层 段音频电穿透视电导率异常平面图，该图主要反映 9号煤底板60 m范围内岩层的电性特征。工作面 内该层位主要发现1处高电导异常，即YP1号异 常。YP1号异常在工作面回风巷610 860 m、进 综上所述，音频电穿透在工作面底板下60 m 范围内共发现1处异常区，其异常幅值相对较强， 异常范围较大。音频电穿透在工作面底板下60 120 m范围内共发现3处异常区，其中YPI号异 常幅值相对较强，且在工作面底板下65 m范围内 （a） 9108综采工作面低频（60 120m） Fig . 8 Abno rmal planes o f apparent co nductivity iso lines at dif f erent depths under the f lo o r o f 9108 w o rking f ace 4.3矿方验证结果 根据矿方后期相关资料，直流电测深法所圈定 的6处异常区域经矿方后期验证均有少量出水；音 频电透视所圈定的4处异常区经矿方后期验证，底 板下60 120 mYPl异常区出水量较多，其它异常 区出水量较少。 5结语 通过在山西新元矿9108工作面的综合物探工 作可以看出，采用综合物探技术在煤矿井下对采前 工作面的水文地质情况探测效果明显，准确率高, 通过对采前工作面采用综合物探技术进行现场探测 和数据的后期整理分析可以相对准确的预判出工作 面内隐伏的含水异常体的位置和范围，很好的解决 了回采过程中所面临的水文地质问题，为工作面后 期防治水工作的开展提供了重要的技术依据。 参考文献 [1 ] 孙吉益.煤矿井下瞬变电磁探测影响因素探讨[J].河北煤 炭，2007（6） 4-5. 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