专题-瞬变电磁法在杨涧煤矿水害防治中的应用.doc

1、专题 部分专题部分瞬变电磁法在杨涧煤矿水害防治中的应用摘要： 近年来煤矿突水事故成为了煤矿重大安全事故的主要类型之一，因此，探明开 采区域内的水文地质构造是保证安全生产的重要前提。而随着近年来物探技术的飞速发 展，其在煤矿水害防治中的应用的也逐渐成熟。经过勘探，结合杨涧煤矿的实际情况， 利用瞬变电磁法反应灵敏，探测效率高的特点，基本查明了该矿 90101 工作面 9 号煤层 含（导）水构造，圈定了导水构造区域，为其安全安全高效开采提供了有力保障。关键词： 突水 物探 瞬变电磁法 导水构造1 前言杨涧煤矿位于朔州市朔城区北部 15km 处，与平鲁区交界，行政区划属平鲁区陶村 乡及朔州市小平易乡管

2、辖。其地理坐标为：东经 11226521122956，北纬392435392640。90101 工作面开采 9 号煤，其 9 号煤层赋存于太原组下 段中部，为井田内赋存厚度最大煤层，煤层结构复杂，厚度变化较大，煤层结构极复杂， 煤层顶板为中砂岩、砂质泥岩，底板为粉砂岩、中砂岩。其工作面 90101 工作面位于矿 区的西北部，相邻芦家窑煤矿，在回采工作面过程中受到邻矿采空区影响，在巷道掘进 过程中将不可避免受到采空区及裂隙构造等导水构造的影响。井田内现开采 4、9 号煤层，直接充水含水层为山西组、太原组砂岩风化裂隙含水 层，属弱富水性。据该矿开采情况，整个矿井涌水量不大，4 号煤层矿井涌水量 7

3、00m3/d， 雨季最大约 900 m3/d；9 号煤层矿井涌水量 300 m3/d，雨季最大约 500 m3/d。每天排水 58h。该井田奥灰水位标高为 1048.001051.00m，井田内 4 号煤层底板与奥陶系灰岩之 间有较厚的泥岩、砂质泥岩作为相对隔水层存在，泥岩等效厚度为 119.28m， 9 号煤层 与奥陶系灰岩之间泥岩等效厚度为 44.78m。整合后井田北部与原芦家窑煤矿、原山西朔州嘉强煤业有限公司相邻。探测 40103工作面北部与原芦家窑煤矿相邻，芦家窑煤矿为平鲁区地方国营煤矿，井田面积 8.4769km3，批准开采 4、8、9、11 号煤层，设计能力 45 万 t/a，现开

4、采 4、9 号煤层。其煤矿采空区存在积水一处，积水面积为 17525 m2 ，积水量 2.25 万 m3 。瞬变电磁法(简称 TEM) 通过在不接地回线中或接地电极间供以方波电流 ，向地下 间歇性地发送一次电磁场，在一次电磁场的发射间歇 ，用接受线圈观测由地下良导地质 体感应产生的二次涡旋电磁场 ，通过研究二次涡旋电磁场的时空分布特征，来解决诸如寻找地下矿产 、探测地质构造 、划分地下富水区等地质问题 矿井瞬变电磁法近年来得到快速发展 ，具有勘探深度大、抗干扰能力强 、分辨能力高、对富水体反应敏感以及现场施工高效、快捷等优点 ，被广泛应用于矿井水文地质 勘察等领域。本文针对探测掘进迎头前方富水

5、性探测，利用瞬变电磁法，通过合理布置 观测系统 ，获得掘进迎头前方电阻率分布特征，进一步评价其富水性。为了保证生产正常进行，以及保障井下工作人员的安全，结合矿井实际，考虑采用 目前先进的物探方法瞬变电磁法，在工作面 90101 上方，40103 工作面的进风巷和回风巷位置向下方进行了水文物探的井下实测工作，查明 90101 工作面的导含水构造及 采空区范围，经过室内的数据处理及资料解释形成本报告，供矿方用于指导生产过程中 矿井防治水工作。2 地质概况2.1 地层概况与本次瞬变电磁探测关系密切的 4 号煤和 9 号煤地层主要为： 本区位于宁武煤田北部，含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组

6、。据19801981 年 115 队又在马关河西区进行详查勘探资料，石炭系上统太原组含可采煤层8 层，编号为 4、5、6、7、8、9、10 和 11 号，其中 4、9、11 号煤层为全区稳定可采煤 层。二叠系下统山西组含煤 2 层，编号为 2、3 号煤层，均为不可采煤层。1）4 号煤层位于太原组上段，其顶板多为山西组底界的 K4 砂岩，根据区内钻孔及矿井内见煤 点的揭露情况，煤层厚度 2.466.80m，平均 5.13m，顶板为中砂岩、砂质泥岩，底板多 为富含植物化石的砂质泥岩，煤层结构极复杂，含 05 层夹石，属稳定全区可采煤层， 井田东北部及东部分叉为 4-1 号煤层，4-1 号煤层厚度

7、3.517.77m，平均 6.27m，煤层 结构复杂，含 04 层夹石，顶板为 K4 砂岩，局部伪顶为砂质泥岩，底板为中细砂岩。2）9 号煤层9 号煤层赋存于太原组下段中部，为井田内赋存厚度最大煤层，煤层结构复杂，厚 度变化较大，煤层结构极复杂，含 06 层夹石，全区稳定可采。煤层厚度 1.1517.98m， 平均 11.22m，全井田稳定可采，顶板为中砂岩、砂质泥岩，底板为粉砂岩、中砂岩。9 号煤层在井田东北部及东部分叉为 9-1 号煤层，煤层厚度 7.4310.78m，平均 8.74m， 煤层结构复杂，含 03 层夹石，顶板为砂质泥岩，底板为中砂岩。2.2 地质构造 杨涧煤矿矿位于宁武煤田

8、北端，平朔矿区东部。 平朔矿区北与大同煤田以洪涛山背斜相隔，其东、北、西出露奥陶系灰岩，构成三面环山的低山丘陵，周边出露或隐伏煤层露头线，形成天然的赋煤边界；南部边界为近 东西向的担水沟断层所切，其南端下降盘为朔县（平原）矿区，以北北西向的马关河向 斜为主体的构造格架，该向斜伴有北东及北东东轴向与其平行或斜交的褶曲，自北而南 依次发育平鲁城向斜、二铺向斜、卢子沟背斜、太西向斜、下窑子向斜。这些褶曲的两 翼地层倾角平缓，一般在 10以下。矿区内断层较少，大多为北东走向延展的正断层， 如堡子沟断层，羊圈断层；矿区南东侧歇马关逆断层呈北北东向。安家岭逆断层断距 3050m，为北东向横贯矿区中南部的主

9、要断层。矿区南界的担水沟断层在西走向 N70E，以东折为 N70W，南侧下降之正断层，断距 200300m，系由 2 条平行较大断层及走向 相近的较小断层组成的台阶式断层。矿区构造总的以宽缓向背斜褶曲为主，断层较少。南部靠近边缘部分，由于受担水 沟边界正断层影响，次一级近东西向中、小型断裂较为发育，其中又以西部峙峪区断裂 构造更为发育。90101 工作面构造比较简单，根据矿区地质资料可以看出，其工作面中没有大的断 层和陷落柱。其工作面主要受邻矿芦家窑煤矿采动影响。2.3 水文地质条件井田内现开采 4、9 号煤层，直接充水含水层为山西组、太原组砂岩风化裂隙含水 层，属弱富水性。据该矿开采情况，整

10、个矿井涌水量不大，4 号煤层矿井涌水量 700m3/d， 雨季最大约 900 m3/d；9 号煤层矿井涌水量 300m3/d，雨季最大约 500m3/d。每天排水 58h。该井田奥灰水位标高为 1048.001051.00m，井田内 4 号煤层底板与奥陶系灰岩之 间有较厚的泥岩、砂质泥岩作为相对隔水层存在，泥岩等效厚度为 119.28m， 9 号煤层 与奥陶系灰岩之间泥岩等效厚度为 44.78m。整合后井田北部与原芦家窑煤矿、原山西朔州嘉强煤业有限公司相邻。探测 40103工作面北部与原芦家窑煤矿相邻，芦家窑煤矿为平鲁区地方国营煤矿，井田面积8.4769km2 ，批准开采 4、8、9、11 号

11、煤层，设计能力 45 万 t/a，现开采 4、9 号煤层。 其煤矿采空区存在积水一处，积水面积为 17525m2，积水量 2.25 万 m3。3 矿井瞬变电磁法基本原理3.1 地面瞬变电磁法基本原理瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称 TEM）是利用不接地回线 或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地 下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，从而来解决有关地质问题的时间域电磁法。瞬变电磁法的激励场源主要有两种，一种是回线形式（或载流线圈）的磁源，另一 种是接地电极形式的电流源。下面以均匀大地的瞬变电磁响应为例，来

12、讨论回线形式磁 偶源激发的瞬变电磁场，从而阐述瞬变电磁法测深的基本理论。在导电率为 、导磁率为 的均匀各向同性大地表面敷设面积为 S 的矩形发射回 线，在回线中供以阶跃脉冲电流（2-1）I I (t) = 0t 0t 0在电流断开之前（t 0 时），发射电流在回线周围与大地空间中建立起一个稳定的 磁场，如图 2.1.1 所示。t0Txxz图 3.1.1 矩形框磁力线在 t=0 时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁场的这一 剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大地中激发出感应电流 以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会即刻消失。由于介质的欧姆

13、损耗，这一感应电流将迅速衰减，由它产生的磁场也随之迅速衰减， 这种迅速衰减的磁场又在其周围的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流。这一过程继 续下去，直至大地的欧姆损耗将磁场能量消耗完毕为止。这便是大地中的瞬变电磁过程， 伴随这一过程存在的电磁场便是大地的瞬变电磁场。应该指出，由于电磁场在空气中传播的速度比在导电介质中传播的速度大得多。当 一次电流断开时，一次磁场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地表各点，因此，最初 激发的感应电流局限于地表。地表各处感应电流的分布也是不均匀的，在紧靠发射回线 一次磁场最强的地表处感应电流最强。随着时间的推移，地下的感应电流便逐渐向下、 向外扩散，其强度逐渐减弱，

14、分布趋于均匀。美国地球物理学家 MNNabghan 对发射 电流关断后不同时刻地下感应电流场的分布进行了研究，研究结果表明，感应电流呈环 带分布，涡流场极大值首先位于紧挨发射回线的地表下，随着时间推移，该极大值沿着 与地表成 30倾角的锥形斜面向下、向外移动、强度逐渐减弱。图 3-2 中显示了不同时 刻穿过发射回线中心横断面的地下感应电流密度等值线。r/bmT 4 8 12 166 4r/bmT 4 8 12 162h/100mh/100m4 48 812值10-6 A/m216 t/ =0.0112值10-7 A/m216 t/ =0.1r/bmr/bmT4812 16 2024 28T 4

15、 812 16 2024 2848h/100m12162024 值/(10 -9A .m-2 )28 t/ =0.448h/100m1216202428值/(10 -9A .m-2 )t/ =1.6图 3.1.2 穿过 Tx 中心的横断面内电流密度等值线任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场。 在发射电流刚关断时，该环状线电流紧接发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。图 3-3 给出了发射电流 关断后不同时刻地下等效电流环的示意分布。从图中可以看到，等效电流环很象从发射 回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此，人们将地下涡旋电流向下、向外扩散