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      YCS512在某矿13206工作面探测中的应用
      新闻作者:山西办 张浩  发布时间:2017-03-31  查看次数:  放大 缩小 默认
      1 概况与任务
      1.1 工程概况
          13206工作面位于井田西南部,二采区南翼,工作面埋深348~441m,平均391m。东部为路家沟保安煤柱,西部、南部紧靠井田边界保护煤柱,北部为二采区运输下山保护煤柱,工作面上部为13202工作面。煤层为走向NNW,倾向SWW,倾角3~5°,平均倾角4°。工作面总体为一单斜构造,断裂构造不发育。煤层在局部有小范围的起伏。预计工作面内陷落柱不发育。工作面顶底板含水层主要为石炭系煤系顶底板砂岩含水层、二叠系下统煤系底板砂岩孔隙含水层、奥陶系灰岩岩溶含水层。工作面上覆为煤矿8号煤采空区,采用长壁综采采煤方法,全部垮落式顶板管理,工作面与采空区层间距约45m。13202工作面回采前分别在运输顺槽和回风顺槽布设了6个疏放水钻场,对8煤老空积水进行了疏放。8煤采空区内无大量积水,但局部低洼点积水及老空区的补给水量仍然影响工作面安全回采行为。
      1.2 探测任务
      本次观测研究地质任务是:
          (1)利用瞬变电磁技术探明煤矿13206工作面煤层顶板煤矿8号煤采空区积水情况;探明工作面顶板13202工作面采空区积水情况;探明工作面底板奥灰含水层富水情况;
          (2)对探测区域地层、断层异常区的电性特征进行总体控制;重点对顶板两个采空区及底板奥陶系灰岩等含水异常区的电性特征、参数进行查明。
          (3)对水文地质物性条件、各含水异常区进行地质解释,对水文地质条件进行综合评价,对开采有较大影响的含水异常区提出有针对性的防治水建议。
      2 矿井瞬变电磁法的特点
      矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法相比具有以下几个方面的特点:
          (1)由于井下测量环境不同与地表,不可能采用地表测量时的大线圈(边长大于50m)装置,只能采用边长小于3m的多匝小线框,因此数据采集工作量小,测量设备轻便,工作效率高,成本低;
          (2)由于采用小线圈测量,点距更密(一般为2~10m),降低体积效应的影响,提高勘探分辨率,特别是横向分辨率;
          (3)在井下,测量装置距离异常体更近,大大提高测量信号的信噪比,实际测量结果说明,井下测量信号的强度比地面同样有效面积的相同装置测量的信号强10~100倍。井下干扰信号相对于有用信号近似等于零(大于30ms时间段),而地面测量信号在衰减到一定时间段(一般小于15ms)就被干扰信号覆盖,无法识别有用异常信号;
          (4)地面瞬变电磁法勘探一般只能将线圈平置于地面测量,而井下瞬变电磁法可以将线圈置于巷道底板测量,探测巷道底板下一定深度内含水异常体垂向和横向发育规律;也可以将线圈直立于巷道内,当线圈面平行巷道掘进前方,可进行超前探测,当线圈面平行于巷道侧帮,可探测工作面内以及工作面顶、底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律;
          (5)矿井瞬变电磁法由于受勘探环境的限制,测量线圈大小有限,其勘探深度不如地面深,一般深度在100m以内;
          (6)矿井瞬变电磁法属于全空间探测,全空间瞬变电磁场的传播规律更复杂,线源瞬变电磁场的传播是向顶板、底板、侧帮各个方向传播;
          (7)矿井环境下人文、电磁干扰因素较多,如井下50hz的工频干扰,以及铁轨、皮带架、掘进机、耙矸机、锚杆、锚链网等不规则金属物的“低阻污染”。
      2.1 仪器设备

      图2-1 仪器组成及技术参数图
          本次探测使用仪器为福州华虹智能科技股份有限公司生产的YCS512矿用本安型瞬变电磁仪,该矿用本安型瞬变电磁仪对低阻充水区域反映灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高,且具有施工方便、快捷、效率高等优点,既可以用于煤矿掘进头前方超前探测,也可以用于巷道侧帮、煤层顶、底板等探测,为煤矿企业在生产过程中可能存在的水患和导水构造的超前预测预报提供技术手段。YCS512矿用本安型瞬变电磁仪的组成及技术参数见图2-1。
      3 现场施工布置及探测条件
      3.1 现场施工布置
          本次进行的井下探测项目总体依据以下思路进行工作:前期资料收集--明确探测任务--方案设计--施工--数据处理--成果图初步分析--结合矿井地质及水文地质资料进行综合评价--提供应用报告。

      图3-1 13206回采工作面瞬变电磁法探测测点布置示意图
          为了使探测范围能够全部覆盖13206工作面顶板至煤矿8号煤采空区、底板至奥陶系灰岩含水层范围内的岩层,满足探测地质任务的要求,根据13206工作面实际采掘条件,在运输顺槽和回风顺槽各设计7个不同的探测方向,回风顺槽控制其左帮顶底板70m范围内的岩层;运输顺槽控制其右帮顶底板70m范围内的岩层。运输顺槽按20°、50°、80°、110°、-30°、-60°、-90°(发射线圈平面法线方向与水平面的夹角)的探测方向设计,回风顺槽按30°、60°、90°、120°、-20°、-45°、-80°的探测方向设计,基本上覆盖了13206工作面煤层顶底板的采空区及含水层。

      图3-3 13206回采工作面瞬变电磁法探测测点顶底板探测方向布置示意图
      3.2 现场探测条件
           本次探测地点在13206回采工作面运输顺槽、回风顺槽、切眼进行,探测条件如下:
           (1)顶底板均为粉砂岩,现场局部存在淋水现象;
           (2)巷道断面宽高4m*4m;
           (3)现场探测时运输顺槽和回风顺槽巷帮有工字钢、锚杆、锚网,切眼附近有液压支柱等铁器干扰,同时,回风顺槽部分巷道底板还有大量的皮带架堆积。
      4 数据处理与结果解释
      4.1 数据处理
           YCS512矿用本安型瞬变电磁仪采集的原始数据为电压对电流的对数值。将数据室内回放,原始数据打开后呈现如图4-1所示的两部分曲线,纵坐标表示某个测点的实测V/I值,从上到下依次为1~80道,0、E-1、……、E-6分别表示值为0、0.1、……、1000000,以对数方式显示,单位为“微伏/安培”;横坐标表示该记录的若干个测点记录,即实际采集了多少个采样点;“x=**”表示第几个测点记录,“y=**”表示该测点的实测V/I值。下半部分的曲线为选中曲线测道显示,其中“x=**”表示上半部分x表示测点的测道显示。

      图4-1 剖面曲线显示
          从这个剖面图上可以简单的分析出测区的电性大致分布趋势,峰值越大表示该区域地下的导电性较好,视电阻率就越趋于小,相对显示低阻异常。这是在后续的数据处理及异常区判断一个根据。
          数据处理包括三个环节,数据预处理,建立三维数据库;建立模型对数据进行反演;绘制电阻率断面图,各煤层视电阻率平面图,电压平面图。野外采集的数据处理前,首先对其逐点进行整理或预处理,即检查数据质量,剔除不合格数据,并对其进行编录,整理成专用数据处理软件所需要的顺序和格式,再对数据进行滤波,以滤除或压制干扰信号,恢复信号应有的变化规律,突出地质信息,再利用专用软件转换得到视电阻率和视深度等参数;
          在此基础上,结合有关测量、地质和钻探等资料做进一步推断处理;最后,将所得数据以断面、切片等值线的形式绘制成图,瞬变电磁观测数据是各测点各个时窗(测道)的瞬变感应电压,需换算成视电阻率、视深度等参数,才能对资料进行下一步解释,主要步骤如下:

      图4-1 YCS512软件数据处理流程图
      成果图件的绘制
          瞬变电磁图件的绘制,本次绘制以下基本分析图件:各测线视电阻率断面图;8#煤采空区、13202采空区及奥灰含水层视电阻率平面图。平面图和断面图的处理采用surfer数据处理软件。
      4.2 采集数据质量评价
          由于现场探测时运输顺槽和回风顺槽巷帮有工字钢、锚杆、锚网,切眼附近有液压支柱等铁器干扰,同时,回风顺槽部分巷道底板还有大量的皮带架堆积。,这些干扰因素的存在会在一定程度上增强信号的响应,如果不采取一定的校正技术,会在解析结果中造成误判,因此,在数据处理时必须考虑这些干扰类型的存在。由于皮带架等干扰物会造成在剖面图的浅部存在小区域的低阻异常,因此浅部的小范围低阻区域是干燥造成的为假异常,在进行剖面图结果解释时把这样的异常校正排除。
      4.3 处理结果
          图4-2为经过YCS512矿用本安型瞬变电磁仪配套软件处理后形成的视电阻率等值线图。图4-3经过YCS512矿用本安型瞬变电磁仪配套软件处理后形成的视电阻率等值线图。斜上方向的测线主要是探查8#煤采空区及13202采空区,斜下方向的测线主要是探测奥灰含水层。图中黑色虚线为8#煤采空区层位,图中红色虚线为13202采空区层位,图中蓝色虚线为奥灰顶界面层位。以30Ω/m为异常阈值,视电阻率值低于此阈值的区域即为相对低阻异常区。

       
      5 结论及建议
      5.1 结论根据
          13206工作面煤层顶板煤矿8号煤采空区及13206工作面煤层底板奥灰含水层瞬变电磁探测结果及现场收集的地质资料综合分析,得出如下结论:
          本次13206工作面煤层顶板煤矿8号煤采空区及13206工作面煤层底板奥灰含水层瞬变电磁探测结果共存在25处低电阻异常区域,顶板煤矿8号煤采空区存在7处异常区域,13202采空区存在5处异常区域,底板奥灰含水层存在5处异常区域,底板奥灰含水层顶界面下25m存在8处异常区域。其中重点异常区13处,分别为1#异常区、2#异常区、5#异常区、7#异常区、10#异常区、11#异常区、12#异常区、13#异常区、14#异常区、16#异常区、18#异常区、20#异常区、21#异常区,一般异常区12处,分别为3#异常区、4#异常区、6#异常区、8#异常区、9#异常区、15#异常区、17#异常区、19#异常区、22#异常区、23#异常区、24#异常区、25#异常区。见图5-1~5-4。
      5.2 建议
          (1)本次瞬变电磁法资料反映的均是地层含水性的静态特性,在巷道掘进或煤层开采时,煤层附近地应力将发生急剧变化,从而会使原生裂隙增大或产生新的裂隙,那么,必然导致裂隙水的赋存状态、位置会随之发生变化,所以,要充分考虑到地应力的变化,使裂隙导通含水异常区的可能性。
          (2)针对本次探查的13处重点异常区,分别为1#异常区、2#异常区、5#异常区、7#异常区、10#异常区、11#异常区、12#异常区、13#异常区、14#异常区、16#异常区、18#异常区、20#异常区、21#异常区,布置适当的钻探工程进行探放水工作验证确认。针对本次探查的12处一般异常区,分别为3#异常区、4#异常区、6#异常区、8#异常区、9#异常区、15#异常区、17#异常区、19#异常区、22#异常区、23#异常区、24#异常区、25#异常区,在重点异常区验证后的基础上进行钻探验证。由于受到现场环境及13202工作面回采施工的影响,本次探测工作推测的富水异常区范围可能与实际情况出现差异,建议矿方在工作面回采前,采取钻探等手段进一步排查,工作面回采过程中接近各个异常区时要做好顶板管理,同时做好过地质构造异常区的防治水工作,完善工作面排水系统,确保工作面高效安全回采。
          (3)任何一种物探方法都有多解性,低阻异常并不完全由含水引起。如岩层变相泥质成分的增加等因素也会造成视电阻率的降低等。由于我们掌握的水文地质资料有限,资料推断偏重于瞬变电磁法资料,认识上受到一定限制。因此矿方使用该物探资料时,要结合已知的地质、水文资料综合推断会更准确。
          (4)本次瞬变电磁勘探对含水层的解释只能大致定性,不能准确定量,建议对此次瞬变电磁法勘探圈定的异常中心区域布置适当的勘探工程进行验证确认,以详细查明异常区域积(含)水量等相关情况,尤其在警戒线区域必须进行勘探验证,以确保生产安全。
          (5)为保证井下采煤生产的安全,在巷道掘进或工作面回采过程中要随时观察记录水文地质条件变化情况,以便实施针对性更强和更有效的防治水技术措施。建议加强采掘前的矿区水文物探工作(如井下超前探测、层间透视等),对此次确定的异常地段做到边探边掘,确保安全。
          (6)建议矿方在矿区开拓或回采中严格按照《煤矿防治水规定》要求,做到“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采的原则”及时反馈地质信息,促使我们不断总结经验,更好地为煤矿生产建设服务。
      5.3 存在问题
          (1)由于矿井瞬变电磁技术仅为间接物探探测手段,分析成果仅为依据工作面煤层、围岩的视电阻等电性特征推断,而井下全空间环境能够引起煤层、围岩电性变化的因素较多,因此解释成果难免存在多解性和误差。
          (2)富水异常区划分的主要依据是视电阻率值的高低,但引起视电阻率变化的因素是多样的,因此所划分的富水异常区仅是视电阻率变化的反映,异常区的实际富水性还需结合钻探验证结果综合分析。
          (3)在资料的解释中,由于存在体积效应的影响,因此积水、含水区域解释精度存在一定误差,同时由于测网密度的原因,其边界平面摆动范围较大,因此井下采掘中,与富水、含水区有一定距离时,就应当提前采取一定的技术措施预防水害威胁。

      图5-1 13206工作面顶板50m深度视电阻率等值线平面图

      图5-2 13206工作面顶板10m深度视电阻率等值线平面图

      图5-3 13206工作面底板50m深度视电阻率等值线平面图

      图5-4 13206工作面底板75m深度视电阻率等值线平面图
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