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《 科技风 》
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期刊信息
期刊名称:科技风
主      编:赵青
出版周期:半月刊
出版地区:河北省石家庄市
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范文-基于瞬变电磁方法的山西盂县玉泉煤矿采空区探测-科技风

 基于瞬变电磁方法的山西盂县玉泉煤矿采空区探测

杨占军
河北省煤田地质局制印中心 054022  
摘要:采用瞬变电磁法,探明了山西盂县玉泉煤矿9号、15号煤层采空区及其富水性,对煤矿今后的生产提出了相关建议。
关键词:瞬变电磁法;采空区;富水性;探测
1  引言
瞬变电磁法(Time domain electromagnetic methods,简称TEM,亦称时间域电磁法)就是利用电磁感应定律,探测地下介质电阻率,从而判断地下地质体的性质和分布规律,解决地质工程问题。其施工效率高,纯二次场观测,对低阻体敏感,成为当前的煤田水文地质勘探中首选方法。
2  研究区概况
山西省阳泉盂县玉泉煤矿该煤矿位于盂县县城南东路家镇。开采8~15号煤层,开采方式为地下开采,生产规模120万吨/年,矿区面积6.5749km2。该矿由五个小煤矿整合而成,为了生产安排和摸清资源赋存情况,要求进行物探工作以查明9号、15号煤层采空区范围及富水情况。
井田位于沁水煤田阳泉煤炭国家规划矿区东南部。区域地层出露由老到新为太古界龙花河群,元古界汉高山群,古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系,中生界三叠系,新生界上第三系和第四系。区域含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。太原组含煤8层,其中8、15号煤层为全区稳定可采煤层, 9号煤层为零星可采煤层。
3  探测方法
3.1  瞬变电磁法原理
瞬变电磁法亦称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods,简称TEM),是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场,在一次脉冲磁场间歇期间,利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说,瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。其基本工作方法是:于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈,从而在其周围空间产生一次电磁场,并在地下导电岩矿体中产生感应电流,断电后,感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中、晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分,衰减快,趋肤深度小,而晚期成分则相当于频率域中的低频成分,衰减慢,趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律,可得到不同深度的地电特征。
3.2 测区勘查设计与施工
本工程采用PROTEM57瞬变电磁探测系统。该系统可以在时间轴二个量级上观测20个门或在时间轴三个量级上观测30个门,解决了在有较大勘探深度的同时保证浅部要有较高分辨率的矛盾,适合本区探测深度及地形条件。
测区面积为1.43km2,根据地形地貌,设计线距为40m,点距为20m,设计测线25条,物理点1966个,包括质量检测点60个。施工前在具有代表性的地段进行试验,确定发射线框300×320m,频率25Hz,电流9A。根据试验结果开展地面瞬变电磁法采集工作,完成测线25条,物理点1944个点(部分测点位于村庄内与实际点坐标相差较大,未进行数据采集),包括质量检测点60个。
4  地球物理资料处理方法及解释原则
依据各测点曲线及测线视电阻率断面图,对勘探区内可能存在的异常区进行断面解释。对目的层的顺层视电阻率切片图进行研究和分析,重点分析地质异常区的平面分布是否符合地质规律。依据视电阻率断面图和目的层视电阻率顺层切片平面图,结合地质资料成果进行对比分析,确定采空区分布规律和分布范围,绘制出测区内目的层位上的采空区分布图。
5  地球物理资料分析及探测成果
5.1  断面资料分析
本次勘探的目的层9号、15号煤层赋存于石炭系上统太原组。煤层未开采时,其中9号煤视电阻率一般在80~130Ω·m,采空区富水时视电阻率一般小于60Ω·m,采空区未富水时视电阻率一般大于125Ω·m;15号煤视电阻率一般在40~80Ω·m,采空区富水时视电阻率一般小于40Ω·m,采空区未富水时视电阻率一般大于76Ω·m。
5.2  探测成果
 (1) 9号煤层:在测区基本采空,东北部被剥蚀,从9号煤层视电阻率顺层切片来看,电性特征明显,在9号煤层赋存范围内,视电阻率呈现中部相对较高,南、北部相对较低的电性特征。根据视电阻率等值线的梯度变化、范围和各测线的高、低阻异常的分布、在平面上的连通情况,并结合地质及调查资料,圈定了3个采空区,总面积约为579000m2。
(2)15号煤层视电阻率南高北低。根据现有地质资料和野外地质调查资料推断低阻为采空区的电性反映。根据视电阻率等值线的梯度变化、范围、各测线的低阻异常的分布、在平面上的连通情况,推断该探测范围内存在7个异常区和4个疑似采空区。
6 采空区富水性评价
根据视电阻率断面图和切片图中视电阻率等值线(色谱)的反映形态、范围大小、阻值,结合地质及调查资料,确定了探测区采空区富水性分类原则:Ⅰ类强富水区:所反映的富水体含水性相对较丰富,为相对强富水区,一般具备下列条件:(1) 视电阻率较低,在切片图中呈低阻反映:对于9号煤层,视电阻率一般不大于34Ω• m;对于15号煤层,视电阻率一般不大于32Ω• m;(2) 异常规模相对较大;(3) 连通性好,有地质条件赋水的有利地段。Ⅱ类强富水区:在切片图中呈低阻反映,对于9号煤层视电阻率一般大于34Ω• m,对于15号煤层视电阻率一般大于32Ω• m。最终,9号煤层Ⅰ类和Ⅱ类强富水区总面积分别为168500m2 和410500m2;15号煤层Ⅰ类和Ⅱ类强富水区面积分别为138900m2和105700m2。
7  结论与建议
7.1  结论
通过资料处理,取得了大量的电性资料,经反复对比,最终圈定了9号和15号煤层采空区和疑似采空区及其富水区的面积。
7.2  问题与建议
瞬变电磁法对于有填充的低阻采空区反应灵敏,但是对于未填充的高阻采空区不敏感,这种采空区往往被漏报,不能有效地解决视电阻率偏高的采空区的探测问题,建议在测区内进行地面或井下钻探验证,井下使用物探、钻探等超前探测方法进一步判定老空区范围及其积水情况。
参考文献
[1]刘天佑.地球物理勘探概论[M].北京:地质出版社,2007:207-217.
[2]陈仲候,王兴泰,杜世汉.工程与环境物探教程[M]. 北京:地质出版社,1993:167.
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[4]山西阳泉盂县玉泉煤业有限公司一采区瞬变电磁勘探报告[R].2014.
[5]郑怀昌,李明. 地下采空区危险性及其分析[J]. 矿山压力与顶板管理,2005,(4):127-129.