巷道超前物探報告

1、XXX煤礦瞬 變 電 磁 超 前 勘 探 報 告膠帶大巷J39點前43米處迎頭XXX有限責(zé)任公司2014年06月08日項目名稱：XX委托單位：XXX承擔(dān)單位：XX項目負責(zé)： XX報告編寫： XX參與人員： XX目錄第一章 概 述4第2章 地球物理特征5第3章 任務(wù)及目的6第4章 依據(jù)6第5章 礦井瞬變電磁法技術(shù)方法6第6章 數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場探測布置12第7章 資料解釋處理方法14第8章 地質(zhì)解釋與結(jié)論錯誤！未定義書簽。第9章 建議20致 謝20第一章 概 述1.1 概況XXX煤礦隸屬于國投昔陽能源有限責(zé)任公司，XXX煤礦位于晉中昔陽縣城西南約4km處，寺家莊至洪水村一帶，行政區(qū)劃隸屬于樂平鎮(zhèn)管轄

2、。煤礦重組后生產(chǎn)能力為90萬t/a，整合關(guān)閉山西昔陽洪水煤業(yè)有限公司，仍采用原XXX煤礦的生產(chǎn)系統(tǒng)。圖1 礦區(qū)交通位置圖2009年12月30日，山西省國土資源廳為該礦頒發(fā)了新的采礦許可證，證號為C1400002009121220051059，批準井田面積XXX km2， 開采深度從893m至485m標高，批采X號-X號煤層，生產(chǎn)規(guī)模為90萬t/a。1.2水文地質(zhì)概況 15111工作面簡略地質(zhì)情況為：礦區(qū)位于沁水煤田東部邊緣，區(qū)域地層自下而上：古生界（奧陶系、石炭系、二疊系）、新生界（上第三系、第四系）?？刹擅簩佑蠿號、X號、X號煤層為可采煤層，膠帶大巷在15號煤層與K1砂巖間掘進。 影響該工作

3、面的水文地質(zhì)因素有：奧陶系中統(tǒng)巖溶含水層；石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r巖溶含水層；山西組砂巖裂隙含水層；石盒子組砂巖裂隙含水組。較直接的含水層以上部的K2、K3、 K4灰?guī)r含水為主，其中K2灰?guī)r為直接充水含水層， K3、K4為間接充水含水層。各層灰?guī)r富水性差異較大，局部富水地段會對生產(chǎn)有一定影響。第2章 地球物理特征本次采用礦井瞬變電磁勘探方法（電磁法），因此主要討論煤巖層的電性特征。因測區(qū)內(nèi)地層沉積序列清晰，地層相對穩(wěn)定，正常地層組合條件下，在橫向與縱向上都有固定的變化規(guī)律等地層電性特點，使用瞬變電磁技術(shù)能探測工作面頂?shù)装寮跋锏谰蜻M頭前方的低阻含水構(gòu)造分布規(guī)律，同時可以發(fā)現(xiàn)垂直于地層方向上不同深度的

4、地質(zhì)構(gòu)造問題。此次探測主要是查清 膠帶大巷巖層含水情況，本測區(qū)所涉及的含水巖層主要是頂?shù)装寤規(guī)r含水、不明地質(zhì)體（斷層等含水地質(zhì)構(gòu)造及積水采空區(qū)）。結(jié)構(gòu)致密完整不含水的巖層在電阻上表現(xiàn)為高電阻率特征。如果巖層裂隙發(fā)育且含水，那么在巖層裂隙發(fā)育、斷層或裂隙帶附近的電阻率會比正常砂巖地層的電阻率大大降低，降低的程度視裂隙發(fā)育和含水程度的不同而不同。裂隙愈發(fā)育含水性愈強，電阻率愈低。據(jù)此，一旦存在斷層等含水地質(zhì)構(gòu)造或積水采空區(qū)，都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規(guī)律。這種變化特征的存在，為以電性差異為應(yīng)用物理基礎(chǔ)的瞬變電磁探測技術(shù)的實施提供了良好的地球物理前提。第3章 任務(wù)及目的 由于膠帶大巷在掘進

5、中存在水患因素影響，為了保證巷道安全施工，需探明膠帶大巷掘進頭前方的富水性情況。為此，我們于2014年06月08日采用礦井瞬變電磁勘探方法膠帶大巷迎頭進行了超前勘探，以J39測量點前43米為控制點（迎頭正前方100米范圍內(nèi)）。通過對本次實測資料的采集及處理結(jié)果并結(jié)合以往物探結(jié)果而達到本次探測范圍的全覆蓋，查明巷道前方探測范圍賦水性情況，為巷道掘進中防治水工作提供地質(zhì)物探技術(shù)依據(jù)。第4章 依據(jù)（1） 中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標準（DZ/T0187-1997）地面瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程；（2） 中華人民共和國煤炭行業(yè)標準（MT/T 898一2000）煤炭電法勘探規(guī)范；（3） 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局

6、，國家煤礦安全監(jiān)察局（2009年）煤礦防治水規(guī)定；（4） XXX煤礦地質(zhì)、水文相關(guān)報告。XXX煤礦巷道掘進工作面瞬變電磁超前跟蹤探測合同。第5章 礦井瞬變電磁法技術(shù)方法5.1 瞬變電磁法基本原理瞬變電磁法或稱時間域電磁法(Time domain electromagnetic methods)，簡稱TEM，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。簡單地說，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應(yīng)定律。其基本工作方法是：于地面或空中設(shè)置通以一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次電磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，

7、斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時間衰減。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小，而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。在電導(dǎo)率為，磁導(dǎo)率為0的均勻各相同性大地表面附設(shè)面積為S的矩形發(fā)射線圈，在回線中供以的階躍脈沖電流。在電流斷開之前，發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間建立起一穩(wěn)定的磁場。在t=0時刻，將電流突然斷開，由該電流產(chǎn)生的磁場也立即消失。一次場的這一劇烈變化通過空氣和地下導(dǎo)電介質(zhì)傳至回線周圍的大地中，并在大地中激發(fā)出感應(yīng)電流以維持發(fā)射電流斷開之前存在

8、的磁場，使空間磁場不會立即消失。由于介質(zhì)的歐姆損耗，這一感應(yīng)電流將會迅速衰減，這種迅速衰減的磁場又在其周圍的地下介質(zhì)中感應(yīng)出新的強度更弱的渦流，這一過程場繼續(xù)下去，直至大地的歐姆損耗將能量消耗完為止。這便是大地中的瞬變電磁過程場，伴隨這一過程場存在的電磁場就是大地的瞬變電磁場。圖5.1為瞬變電磁法 (TEM) 的瞬態(tài)過程示意圖。圖5.1 瞬變電磁法(TEM)的瞬態(tài)過程示意圖由于電磁場在空氣中傳播的速度比導(dǎo)電介質(zhì)中傳播的速度大得多，當(dāng)一次電流斷開時，一次場的劇烈變化首先傳播到發(fā)射回線周圍地表各點，因此，最初激發(fā)的感應(yīng)電流局限于地表。地表各處感應(yīng)電流的分布也是不均勻的，在緊靠發(fā)射回線一次磁場最強的

9、地表處感應(yīng)電流最強。隨著時間的推移，地下的感應(yīng)電流便逐漸向下、向外擴散，其強度逐漸減弱，分布趨于均勻。美國地球物理學(xué)家M.N.Nabighan對發(fā)射電流關(guān)斷后不同時刻地下感應(yīng)電流場的分布進行了研究，研究結(jié)果表明，感應(yīng)電流呈環(huán)帶分布，渦流場極大值最先位于緊靠發(fā)射回線的地表下，隨著時間的推移，該極大值沿著與地表呈30º傾角的錐形斜面（如圖5.2）向下、向外移動，強度逐漸減弱。 據(jù)M.N.Nabighan（1979）的推導(dǎo)，煙圈的垂向深度（）和半徑（）如下： （5-1） （5-2）煙圈垂向傳播速度為： （5-3）式（5-1）（5-3）中，均勻半空間電阻率；采樣延時；空氣導(dǎo)磁率。圖5.2 T

10、EM信號向地下擴散示意圖如下半空間為層狀大地，則（5-3）式中的速度為時間所對應(yīng)的地層速度，由下列差分式求出： （5-4）式中為相鄰兩延時道取樣時間；，為視電阻率。 將（5-3）式改寫為電阻率表達式并將（5-4）式代入，得視電阻率計算公式： （5-5）所對應(yīng)的視深度為： （5-6）5.2 礦井瞬變電磁法原理礦井瞬變電磁法是將地面常用的瞬變電磁法應(yīng)用于煤礦井下，對常規(guī)物探方法較難探測的工作面頂、底板富水構(gòu)造和巷道迎頭超前富水構(gòu)造的發(fā)育情況，采用礦井瞬變電磁法進行探測，經(jīng)過多年和多個礦井實際探測，取得了較好的地質(zhì)效果。礦井瞬變電磁法基本原理與地面瞬變電磁法一樣，采用儀器和測量數(shù)據(jù)的各種裝置形式和時

11、間窗口也基本相同。受礦井瞬變電磁法勘探環(huán)境的限制，測量線圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般深度在100m左右。地面瞬變電磁法為半空間瞬變響應(yīng)，這種瞬變響應(yīng)來自于地表以下半空間地層；而礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應(yīng)（圖5.3），這種瞬變響應(yīng)是來自于回線平面上下（或兩側(cè)）地層。礦井瞬變電磁法與地面瞬變電磁法相比具有以下幾個方面的特點：（1）由于井下測量環(huán)境不同于地表，不可能采用地表測量時的大線圈（邊長大于50m）裝置，只能采用邊長小于1.52m的多匝小線框，觀測方式一般采用中心觀測方式（圖5.4）或偶極觀測方式（圖5.5）。因此數(shù)據(jù)采集工作量小，測量設(shè)備輕便，工作效率相對較高；圖5.3 地下全

12、空間TEM信號擴散示意圖巷道面（Drift）圖5.4 中心觀測方式 圖5.5 偶極觀測方式（2）由于線圈邊長小，測量點距較密（一般為510m），可以降低體積效應(yīng)的影響，從而勘探分辨率，特別是橫向分辨率得到提高；（3）井下測量裝置距離異常體更近，大大提高測量信號的信噪比，實際測量結(jié)果說明，井下測量信號的強度比地面同樣有效面積的相同裝置測量的信號強度高10100倍。井下的干擾信號相對有用信號近似等于零（大于30ms時間段），而地面測量信號在衰減到一定時間段（一般小于15ms）就被干擾信號覆蓋，無法識別有用異常信號；（4）地面瞬變電磁法勘探一般只能將線圈平置于地面測量，而井下瞬變電磁法可以將線圈平面

13、以任意角度放置于巷道中進行測量，探測線圈平面法線方向一定深度內(nèi)含水異常體垂向和橫向發(fā)育規(guī)律，因此，通過對發(fā)射線圈方位的調(diào)整可實現(xiàn)對整個工作面內(nèi)頂板和底板一定范圍內(nèi)含水低阻異常體分布規(guī)律的探測。5.3 PROTEM47HP礦井瞬變電磁儀PROTEM47HP型瞬變電磁儀是加拿大Geonics公司研制生產(chǎn)的時間域電磁測量系統(tǒng)。為了能夠?qū)⒃擁椉夹g(shù)應(yīng)用于煤礦井下巷道和隧道中進行水文地質(zhì)及工程地質(zhì)探測，PROTEM47HP系列專門研制了邊長為1.52m多匝發(fā)射線框，以適應(yīng)這一需要。通過減小最小關(guān)斷時間、提高信噪比、增大動態(tài)范圍和三分量觀測等技術(shù)較好地解決了分辨率問題、勘探深度問題和儀器技術(shù)指標及穩(wěn)定性問題

14、。 1）PROTEM47接收機圖5.6 PROTEM47接收機圖5.7 PROTEM47接收線圈PROTEM47接收機（圖5.6、圖5.7）是具有23位分辨率，270KHz帶寬，微秒級采樣門，并且三分量同時觀測的時間域電磁接收系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在時間軸二個量級上觀測20個門或在時間軸三個量級上觀測30個門，解決了淺部具有較高辨率和具有較大勘探深度的矛盾。其主要技術(shù)指標如下表：接收機主要技術(shù)參數(shù) 5-3接收機PROTEM RECEIVER模擬輸入3分量接收線圈EM-47空氣芯線圈時間門20/30動態(tài)范圍23bit (132db)基 頻237.5，62.5, 25, 6.25, 2.5, 0.625

15、, 0.25Hz同步方式晶體及電纜同步數(shù)據(jù)操作固體存儲器，RS232輸出2）PROTEM47發(fā)射機PROTEM47發(fā)射機（圖5.8）關(guān)斷時間短，采用參考電纜同步，在井下巷道中測量采用64匝2m×2m發(fā)射線圈，常用于淺部幾米到150m深的探測，并且可獲得很高的淺表分辨率。主要技術(shù)指標如下：圖5.8 PROTEM47發(fā)射機電流波形：偶極方波，正負方波占空系數(shù)為50%；基本頻率：25，62.5，237.5Hz；關(guān)斷時間：2.5s；發(fā)射線圈尺寸：1.5m×1.5m（80匝）或2m×2m（64匝）；輸出電壓：0到9伏連續(xù)變化；發(fā)射電流： 1 A3A；電源：12V、24V、3

16、6V。第6章 數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場探測布置6.1數(shù)據(jù)采集 由微機控制，自動記錄和存儲，與微機連接可實現(xiàn)數(shù)據(jù)回放。由于探測采用小線框，點距可以根據(jù)勘探任務(wù)要求變化。實際測量時，采用多匝線框，在巷道側(cè)幫測量時，線框平面可根據(jù)探測任務(wù)的要求設(shè)計相應(yīng)探測方向。發(fā)射線框和接收線框分別為匝數(shù)不等、且完全分離的兩個獨立線框，以便與地下（前方）異常體產(chǎn)生最佳耦合響應(yīng)。6.2現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集 于2014年06月08日完成。根據(jù)探測目的和現(xiàn)場實際情況，本次探測工作主要了解掌握膠帶大巷迎頭前方富水性分布情況。為探測巷道迎頭前方一定范圍內(nèi)的電阻率分布情況，將發(fā)射線框和接收線框垂直放置于巷道掌子面后方（圖6.1），轉(zhuǎn)換不同角度則

17、可探測掘進頭前方或側(cè)方一定范圍的電阻率分布，根據(jù)電阻率分布情況推斷巷道掘進頭前方是否存在含水異常體。發(fā)射線框接收線框圖6.1 巷道掘進頭TEM超前探測裝置方式 以巷道控制中線為基準0°，現(xiàn)場采用扇形觀測系統(tǒng)布置方法，即測點布置在巷道迎頭空間位置（見如圖6-2），即從巷道迎頭左側(cè)開始，首先使發(fā)射、接收天線的法線從巷道左側(cè)面進行測量，然后按一定角度旋轉(zhuǎn)天線，使天線的法線方向與巷道的中線方向分別成45°、30°、15°、0°的夾角進行探測，當(dāng)天線的法線方向與巷道迎頭界面垂直時，根據(jù)其主迎頭斷面的寬度布置35個測點，到巷道迎頭右側(cè)時再旋轉(zhuǎn)天線，使法線方

18、向與巷道右側(cè)分別成0°、15°、30°、45°的夾角進行探測。即在多個角度采集數(shù)據(jù)，從而獲得盡可能完整的前方空間信息。圖6-2 平面探測測點布置圖為掌握巷道迎頭頂?shù)棕Q直方向電阻率分布情況，測點與巷道迎頭方向成仰角45°開始布置，之后仰角變?yōu)?0°、15°直至0°，而后變成俯角-15°、-30°、-45°，如圖6-3所示。圖6-3 豎直剖面探測測點布置圖第7章 資料解釋處理方法1. 瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理和解釋軟件包BETEM是為瞬變電磁法的數(shù)據(jù)處理和解釋開發(fā)的專用軟件，該

19、軟件包采用模塊式結(jié)構(gòu)，每個模塊可以獨立執(zhí)行不同的功能。圖7.1為瞬變電磁數(shù)據(jù)處理流程圖。數(shù)據(jù)整理（發(fā)射框編號、發(fā)射框空間坐標、發(fā)射框匝數(shù)等）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理（由¶Bz/¶T和Bz計算全程視電阻率）數(shù)據(jù)解釋（經(jīng)過正、反演把“視電阻率時間”關(guān)系變換為“電阻率深度”模型）噪音及畸變處理(背景噪音的消除、隨機噪音（跳點、畸變）處理、頻段校正)擬二維剖面成像（電阻率剖面；電阻率對數(shù)剖面；電阻率分層界面；相對含水性）擬三維電阻率切片圖7.1 BETEM數(shù)據(jù)處理流程圖處理流程如下：（1）數(shù)據(jù)整理轉(zhuǎn)換：包括數(shù)據(jù)歸一化處理、極性校正、測線和測點編輯、磁場計算等（即由磁場變化率¶Bz

20、/¶T求取Bz，Bz是磁場的垂直分量）；（2）數(shù)據(jù)處理：主要是計算全程視電阻率。包括噪音剔除、畸變校正、發(fā)射框校正和關(guān)斷時間校正等；（3）數(shù)據(jù)解釋：視電阻率的一維正反演，電阻率成像變換、擬二維電阻率剖面和擬三維電阻率切片等；按照上述處理方法對測量數(shù)據(jù)進行了處理，根據(jù)地層的電性特征，設(shè)計了表示視電阻率的色譜，形成了視電阻率色譜斷面圖。 在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)時，一定要有數(shù)據(jù)采集記錄，記錄每個物理測點的背景情況，特別是對具有干擾因素的物理測點一定要注明干擾的類型，以便在數(shù)據(jù)處理時進行校正。假設(shè)測量工作裝置條件與環(huán)境都相同，沒有干擾因素和有干擾因素條件下的是視電阻率分別為與，感應(yīng)電位與感應(yīng)電流分別

21、為、與、，這樣用，就得到：，令，根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)可以得到，得出的比值可認為是校正系數(shù)，然后根據(jù)實際測量結(jié)果除以每個時間窗口的校正系數(shù)，就得到了校正以后的視電阻率值，這樣得出的結(jié)果就更接近實際的地質(zhì)信息，解釋結(jié)果更為準確。 2.井下干擾因素分析及主要技術(shù)措施通過井下實際測量分析，影響井下瞬變電磁法超前探測中主要人文設(shè)施有：（1）頂板為錨桿、錨網(wǎng)支護；（2）大型綜掘機；（3）運輸皮帶支架；（4）錨手機（5）絞車等各種金屬設(shè)施。巷道內(nèi)鐵軌、錨網(wǎng)支護、運輸皮帶及各種電纜在瞬變電磁中是一種低阻響應(yīng)，使得實測視電阻率減小幾個數(shù)量級，但此類影響在測線方向往往是均一的，可作為一種背景異常進行校正。對于巷道內(nèi)

22、的其它孤立的金屬機電設(shè)備（如變壓器、電機、密集鋼梁支護等），在實測時應(yīng)偏移測點位置盡量避開，同時做好記錄，以便在資料解釋時排除此類影響。 3、說明資料解釋任務(wù)是根據(jù)瞬變電磁勘探視電阻率斷面圖和平面圖，觀測地層相對高、低阻電性分布情況，因井下瞬變電磁探測是一個全空間的問題，異?？赡軄碜韵锏理敯?，也可能來自巷道底板。所以結(jié)合工作面周圍及地面的水文地質(zhì)資料，判斷探測范圍內(nèi)巖層的賦、導(dǎo)水性及其分布情況等。視電阻率平面圖內(nèi)等值線數(shù)值為巖層視電阻率值，顏色由紅藍表示視電阻率值由高低，此值越小（對應(yīng)顏色越藍）即相對富水區(qū)域，表示此處巖層可能較為破碎、裂隙發(fā)育、或泥巖物質(zhì)相對發(fā)育。此值越高（對應(yīng)顏色越紅）即高

23、阻區(qū)域、巖體富水的可能性小，但不排除裂隙發(fā)育不充水的情況（受人工疏水的干擾）。其他顏色為過渡色。在處理探測解釋時，根據(jù)已掌握地質(zhì)資料接收及發(fā)射線圈附近的環(huán)境干擾情況，儀器信噪比的不同程度的影響進一步把低阻異常探測結(jié)果的可靠程度分為A級、B級、C級三個級別。A級，在探測環(huán)境干擾相對較小探測成果可靠相對較高，須重點圈定排除區(qū)域，比如探測施工時巷道無低阻金屬體堆積，部分頂?shù)装鍨殄^網(wǎng)支護等環(huán)境；B級，探測環(huán)境相對探測系統(tǒng)有一定的干擾，探測結(jié)果較可靠，比如存在金屬體，頂板掛有水袋，地面潮濕泥濘，皮帶機等。C級探測環(huán)境探測結(jié)果較差，如存在較大范圍和積水區(qū)、掘進機等大型低阻體，須采取其他方法進一步確定。1720第8章 地質(zhì)解釋與結(jié)論一、地質(zhì)解釋 圖8-1、圖8-2、圖8-3為在膠帶大巷掘進迎頭分別水平、向上15度、向上30度三個方向探測的視電阻率等值線切片圖。圖中兩側(cè)縱坐標為沿探測方向的探測深度（m），橫坐標以巷道中線的側(cè)幫