瞬变电磁技术探测含水层富水性的研究与应用

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年８月　矿业安全与环保　第３４卷第４期　瞬变电磁技术探测含水层富水性的　研究与应用　王录合，王新军　（平顶山煤业（集团）公司朝川矿，河南平顶山４６７５２２）　摘要：针对朝　ＩＩ矿一井煤层底部石炭系与寒武系灰岩承压水含水层对矿井开采的安全威胁情况，　采用地面瞬变电磁技术探测分析灰岩承压含水层的富水区域分布及相互联系特点，并在矿井二水平实　施以疏水降压为主的综合防治水措施，降低含水层承压水位，确保了矿井安全生产。　关键词：防治水；瞬变电磁技术；探测；应用　中图分类号：ＴＤ７４５　．２１　文献标识码：Ａ　平顶山煤业（集团）公司朝川矿一井，位于河南　省平顶山市汝州境内，矿井于２ｏ世纪５Ｏ年代进行　文章编号：１００８—４４９５（２００７）０４一ＯＯ４６—０３　电场￣ｌＪ－－次场随时间的变化。二次场从产生到结束　的时间是短暂的，故名瞬变电磁方法。由于地下不　同介质的导电性和导磁性存在差异，二次场的大小　地质勘查，７Ｏ年代进行矿井建设，８０年代初建成投　产。设计能力为Ｏ．４５　Ｍｔ／ａ，斜井多水平开拓，开采煤　层为二叠系山西组己　，煤层。现生产水平为二水　平，标莳一２５０　ｍ。建井开采至今，矿井正常涌水量　为９３０　／ｈ，最大涌水量为１　９６７　ｍ３／ｈ。涌水直接水　源为煤层底部石炭系灰岩承压水，间接水源为寒武　系灰岩溶洞裂隙承压水。２００１年１２月２６日，二水　平暗主副斜井西部泄水巷石炭系灰岩水位已下降至　一及衰减快慢存在时空变化，根据其衰减曲线的特征，　可以判断地下地质体的电性、性质、规模、产状等。　瞬变电磁法与其他常规电磁方法比较具有以下　特点：　１）以不接地回线通以脉冲电流作为场源，激励　探测目标物感生二次电流，在脉冲间隙测量二次场　随时间的变化，不存在一次场源的干扰。　２）在高阻围岩地区，无地形引起的假异常。在　低阻围岩区，用多道测量，与探测目标的锅台最紧，　异常响应强、形态简单、分层能力强。　３）线圈点位、方位或接发距要求相对不严格，　测地工作简单、工效高。　４）有穿透低阻覆盖的能力，探测深度大，剖面　测量与测深工作同时完成，提供了更多有用信息，减　少了多解性。　１０４　ＩＴ／标高，而东部己　，一２１０３０机巷则在　１０６　ｍ标高处，发生底鼓突水事故，直接水源为石　一炭系灰岩承压水，最大涌水量为１　９９６　／ｈ。根据施　工测压孔情况及全面分析，当时东部水位标高在　６０　ｒｎ左右。说明必须对煤层底部石炭系灰岩承压　水进行疏水降压，才能保证安全开采。为查清二水　一平开采煤层下部石炭系灰岩和寒武系灰岩的富水性　分布及相互联系特征，２００４年６月利用地面瞬变电　磁技术进行了探测分析，并根据分析结果进行了疏　水降压工程施工。　５）测量不受湖泊、河流、沙漠等自然条件限制，　使用范围较广。　由于该方法是纯二次场观测，故与其他电性勘　１瞬变电磁技术　瞬变电磁技术是利用不接地回线向地下发送一　次瞬变电流方波，产生一次脉冲磁场，在一次场间歇　期间利用另一回线接收测量由地下介质产生的感应　收稿日期：２００６—１１—２９；２００７—０４—０５修回　作者简介：王录合（１９５９＿＿），男，河南鲁山人，高级工程　探方法相比，其体积效应小，纵横向分辨率高，对低　阻反映灵敏等，是进行煤田采空区、构造带和含水层　富水区探测、解决矿井水文地质问题较理想的探测　手段　２探测区特点及野外施工方案　２．１测区范围和地球物理电性特征　师，平顶山煤业（集团）公司朝川矿矿长，主要从事矿山安全和　生产管理工作。　・本次瞬变电磁勘探区位于三里寨井田，属一井　４６・　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年８月　矿业安全与环保　第３４卷第４期　二水平己一采区的第５一ｌ０勘探线之间，长２　５６０　ｍ，　宽６００　ｍ，面积为１．５６４　ｋｍｚ。己　，　煤层底板标高西　部为一２００一一３００　ｍ，东部为…１００　３００　ｍ。　区内各地层之间均有较明显的电性差异，见表　１，横向上区内地层沉积较稳定，同一地层空间电性　差异较小。完整灰岩的电阻率较高，但当其因破碎　或溶洞裂隙发育充水时其导电性会显著增强，视电　阻率明显降低，在电法资料上会形成相对低阻异常。　因此，通过寻找测区目标层层位上相对低阻异常分　布区，就能间接确定煤层底部石炭系、寒武系灰岩含　水层的富水区分布及相互关系。　表１测区地层视电阻率范围统计表　２．２测点布置方案及措施　瞬变电磁勘探按网格状布置，均匀布设测点，勘　探线距为８０　ｍ，点距为４０　ｍ。测线尽量垂直地层走　向或地质构造线，整个测区按北西方向共设置测线　３３条，坐标点５４１个，检测点４０个，试验点２０个，共　完成瞬变电磁勘探物理点６０１个。　为保证瞬变电磁勘探的野外数据采集质量，工　作中采取了一系列的技术保证措施。　１）选用加拿大生产的ＰＲＯＴＥＭ一６７Ｄ型瞬变电　磁勘探系统。　２）在生产前进行一定量的试验工作，以选取适　当的频率、积分时间和增益，确保记录到较晚延时范　围内的有用信号。　３）遵循瞬变电磁勘探接收站应避免布置在强　干扰源、强磁场及金属干扰物分布的地域的原则。　４）铺设线框时，长度误差不大于５％，方向误差　不大于１ｏ，余线成ｓ形铺于地面。　５）供电导线绝缘电阻不小于２　ＭＱ，内阻不大于　６　１２／ｋｍ。　６）野外观测数据的信噪比一般应不小于５，对　不符合要求的测道，超过１／５则增加叠加次数重复　观测。　７）野外观测时每个测点都进行了２—３次的重　复观测。按不低于规程６％的要求，在全区布置了　４０个质量检查点，占全区坐标物理点总量的７．２％。　上述技术措施保证了野外采集的数据质量，检　查点的均方相对误差为５．６％，数据质量良好，满足　勘探解释和相关规范的要求。　２．３资料处理　资料处理主要采用ＴＥＭＩＸ—ＸＬ—Ｖ４系统，资料　解释建立在资料处理后的感应电压多测道断面图、　视电阻率拟断面图和视电阻率顺层切片图的基础　上。为提高解释的客观性和准确性，在初步解释之　后调整处理中的相关参数进行反复处理，直到满足　解释要求。其处理原则为：二叠系地层与下伏石炭　系地层呈整合接触。石炭系太原组与下伏寒武系地　层呈平行不整合接触，厚为ｌ６．７　４７．３　ｍ，平均厚为　３６．９７　ｍ。为分析石炭系灰岩和寒武系灰岩富水性，　依据各条测线感应电压多测道断面图和视电阻率拟　断面图，对测区内可能存在富水区进行解释。将各　条测线的视电阻率拟断面图结合地质钻探结果进行　对比分析，随后对全区己组煤底板下部ｌ０，２０　ｍ深的　石炭系灰岩层位及６０，８０　ｍ深的寒武系灰岩层位分　别做顺层切片，得到各个层位不同深度的顺层视电　阻率等值线图。依据顺层切片图，同时参考电阻率　断面图及其他参数图进行富水性分析，分别绘制出　石炭系地层和寒武系地层富水性图。　３富水区分布特点与应用　通过对全区物探资料及绘制的各种图件进行综　合分析，认为在测区内石炭系灰岩视电阻率约小于　７５　Ｑ・ｍ为富水异常区，视电阻率约小于６０　Ｑ・ｍ为强　富水异常区。寒武系灰岩视电阻率约小于９０　Ｑ・ｍ为　富水异常区，视电阻率约小于７０　Ｑ・ｍ为强富水异常　区。并按上述划分标准做出测区石炭系灰岩富水区　分布图和寒武系灰岩富水区分布图。石炭系灰岩富　水异常区２７个，强富水异常区ｌ２个。寒武系灰岩　富水异常区ｌ８个，强富水异常区ｌ２个。　３．１富水区分布特点　１）石炭系灰岩与寒武系灰岩，其富水区及强富　水区主要分布在测区的南部，即一井二水平一２５０　ｍ　标高以上区域，总体分布方向呈ＮＮＷ向条带状。　２）石炭系灰岩与寒武系灰岩富水异常区平而　上相互重叠，结合矿区对该两层含水层的水位动态　观测，说明两含水层垂向上有较强的水力联系。如　果煤层底板发生突水，石炭系岩溶水将是直接突水　水源，而寒武系岩溶水则是间接充水水源，通过石炭　系含水层涌入矿井。　３）勘探区南部灰岩浅埋区岩溶发育及富水程　度较强，而勘探区北部灰岩深埋区则相对较弱，说明　岩溶发育程度和富水性随着石炭及寒武系灰岩埋藏　深度的增加而减弱。　４）在己　，　煤层一１００　ｍ标高以下东西走向方　・４７・　维普资讯 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２００７年８月　矿业安全与环保　３．２井下疏水降压工程　第３４卷第４期　向上，底部石炭系和寒武系灰岩富水性有明显的不　均匀性，特别是二水平暗主副斜井东侧的１００～　３００　ｍ，有一方向呈北西３３０。左右的视电阻率高阻区　（弱含水区），其不仅含水性差，而且起到了明显的阻　水作用。说明各承压含水层的富水性在走向上有明　按照瞬变电磁勘探得出的石炭系灰岩承压含水　层富水性分布特点，结合一井二水平井巷工程布置，　确定了对石炭系灰岩含水层进行分区疏水降压的防　治水主要方案。经过巷道揭露含水层和井下施工钻　孔等方法进行疏放水，取得了显著的效果。工程布　显的差异，富水区之间存在的弱含水区，造成了东西　两侧同一含水层水位标高有较大的差异。　置与石炭系富水区关系见图１。　图例目回　画　圈　日　巷道　异常区　强异常区　煤层底板等高线　井下泄水孔　图１二水平疏水降压工程与石炭系灰岩富水区关系平面图　首先在二水平暗主副斜井西侧的测定富水区　其次在二水平暗主副斜井东部井底车场东翼防　内，采用多种方法进行疏水降压。在井底车场东、西　水闸门以外，穿过弱富水的相对阻水区，向Ｂｏ的强　翼２个防水闸门之间，从位于己　，煤层顶板砂岩层　富水区和Ｂ２３富水区施工巷道，从巷道中施工硐室，　位的井底车场巷道内，布置６个泄水点，从每个泄水　分别向石炭系灰岩施工水平泄水钻孔和仰角泄水钻　点向煤层底部的石炭系灰岩Ｂ　富水区，施工俯角为　孔，共施工钻孔１１个，钻探工程量１　０９６　ｍ，总泄水量　６０￣左右的泄水钻孔，孔口安装高压控制阀门，进行　３２０　ｍ３／ｈ，使东部的含水层水位也下降至一１２５　ｍ标　可控制泄水。总计施工钻孔ｌ３个，钻探工程量　高以下，保证了己ｌ６－１７—２１０１０、己ｌ６－１７—２１０３０和　４８９　ｍ。除少数钻孔无水外，多数钻孔均达到泄水效　己ｌ６－１７—２１０３２工作面的安全回采和己ｌ６－１，一２１０５０　果，合计最大泄水量为５３０　ｍ３／ｈ；在西翼防水闸门西　工作面的掘进施工。　部，向石炭系灰岩的Ｂ】　富水区施工泄水巷，直接揭　经过上述工程泄水，在距一井井底车场西南部　露石炭系灰岩进行泄水，共施工泄水巷道１２０　ｍ，最　４　ｋｍ的寒武系水文观测孔ｌ４—９２孔，水位已下降到　大泄水量６２０　ｍ３／ｈ。通过钻孔和泄水巷互相结合进　一２０２　ｍ。而东侧距井底车场１．５　ｋｍ的石炭系含水层　行泄水，石炭系含水层水位已从一水平泄水时的　水文观测孔水２孔，水位仅下降至一２８　ｍ；寒武系含水　＋５　ｍ标高，下降至一２４３　ｍ标高。水位下降了　层水文观测孔水１孔，水位降至一３０　ｍ，不仅反映了石　２３８　ｍ，解放了二水平己一采区西部３００万ｔ的煤炭储　炭系与寒武系含水层的密切关系，同时也反映了各含　量，保证了己ｌ６－　，一２１０８０等４个采煤工作面的安全　水层在东西向上明显的水力联通的巨大差异。　回采。　（下转第５４页）　・４８・　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年８月　矿业安全与环保　第３４卷第４期　为直接领导、调度所为核心的指挥网络管理体系，各　矿井的防突工作顺利开展做出了极大的贡献。　单位领导负技术责任，工作责任落实到人，如图５　所示。　４效果分析　１）边掘边抽技术不仅有效治理了工作面瓦斯　问题，而且大幅降低了煤与瓦斯突出危险性，明显减　少了突出预测超限次数，从而提高了巷道掘进速度，　最快可达１０　ｍ／ｄ。　２）工作面消突钻孔的立体设计优化技术提高　了钻孔卸压排放消突效果，减少了消突钻孔施工的　盲目性。　３）操作的规范化提高了防突预测及效检的可　图５防突管理体系　靠性，为矿井深水平防突工作的开展奠定了良好的　基础。　调度所的核心意义在于：掘进队进尺情况、防突　队预测或效检结果、钻机队钻孔施工情况、抽排区瓦　４）防突管理系统的实施，有效地协调和监督了　斯抽排情况、工作面通风及瓦斯状况等及时向调度　所汇报，调度所经合理调整或请示总工程师及时做　各部门的工作，为防突工作的顺利开展提供了有利　条件。　出工作安排。通风科协助防突工作的顺利开展，其　工作内容包括审核预测或效检结果、制定或审批防　突安全技术措施、协调工作程序等。安监处主要起　到监督防突工作保值保量开展的作用。这种管理体　系不仅提高了工作效率、加强了信息沟通及反馈，而　且避免了管理脱节、工作推诿、施工延误等现象，为　参考文献：　［１］于不凡，王佑安．煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册　［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，２０００．　［２］重庆市煤炭学会．重庆地区煤与瓦斯突出防治技术［Ｍ］．　北京：煤炭工业出版社，２００５．　（责任编辑：吕晋英）　（上接第４５页）　复垦，谁破坏谁治理”的原则，加强对矿山环境的管　理。把ＧＩＳ技术应用到矿山环境治理规划的研究　中，在ＡｒｃＶｉｅｗ　３Ｄ　Ａｎａｌｙｓｔ的基础上建立矿山环境治　汉大学出版社．　［２］柳长顺，杜丽娟．ＡｒｃＶｉｅｗ在土地整理项目土方量计算中　的运用［Ｊ］．农业工程学报，２００３，１９（２）：２２４—２２７．　［３］陈秋计，张洪波，党熙凯，等．基于ＡｒｃＶｉｅｗ　３Ｄ　Ａｎａｌｙｓｔ的　土地复垦三维景观模拟［Ｊ］．金属矿山，２００５，６（４）：６７—　６９．　理恢复的三维景观模型，这不仅会给用户提供一个　清晰的视景以便对矿山地质灾害进行便利的分析，　同时也为矿山环境整体规划提供了便捷的手段。　（责任编辑：李琴）　参考文献：　［１］樊红，翟建军．ＡｒｃｖｉｅｗＧＩＳ应用与开发技术［Ｍ］．武汉：武　（上接第４８页）　４结语　通过采用地面瞬变电磁技术对一井二水平煤层　下部含水层富水区的探测、研究，基本上查清了各含　水层的富水区域及相互关系，更进一步论证了底部　承压含水层对煤层开采的威胁特点，特别是井下不　同方法、不同地点的疏放水工程的实施效果表明，瞬　变电磁技术探测的富水区域较准确。瞬变电磁技术　不仅是解决矿井水害的有效手段，而且可依据区域　联系指导区域分析，在巷道施工、过地质构造带矿井　综合防治水及探放水工程设计施工等方面，均有较　强的指导意义，为保证矿井安全生产起到了至关重　要的作用。　（责任编辑：卫蓉）　・５４・