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1、业!唆团公司技术研究院工程技术效劳中央李雅庄矿2-6111巷13#点前145m矿井瞬变电磁法超前探测报告霍州心工究院二十日李雅庄矿2-6111巷13#点前145m矿井瞬变电磁法超前探测报告技术负责：彳0审核4编希U：万三凯操 作：刘云杰业圧唆团公司技术研究院匸程技术效劳中央工程技术服勢中央二0七年一月二十日目录1. 前言12. 工作面悄况12.1巷道位置12.2四邻关系12.3探测环境13. 目的任务14. 技术装备14. 1仪器选型14. 2 彳2皆牛寺 15. 探测根本原理26. 数据采集66.1装置形式及测点布置66.2井下干扰67. 工作面地质情况77. 1煤层赋存77. 2煤层顶底板
2、77.3地质构造77.4水文地质77. 5物理特征78. 现场采集89. 成果分析810. 结论及建议9业吃 験团公司技术研究院丄程技术效劳中央1. 前言根据?煤矿防治水规定?“预测预报,有疑必探,先探后掘,先治后采十六字方 针,集团公司“物探先行、钻探跟进、物钻并举、探掘别离、不探不掘、不探不釆防 治水二十四字方针,技术研究院工程技术效劳中央2021年1月20日在李雅庄矿2-6111 巷工作面进行物探,为工作面钻探提供靶区,为工作面的平安作业提供物探地质资料.2. 工作面情况李雅庄矿2-6111巷位于位于+355水平六采区,巷道掘进方位210探测时迎头位 置为13#点前145m,工作面迎头标
3、高+275mo2.2四邻关系2-6111巷西侧为2-6112巷,东侧为F12断层防隔水煤柱,其它探测范围内均为实 体煤.2. 3探测环境巷道采用锚网梁支护,综掘机靠近工作面迎头右帮,距迎头约2m,以上情况对探 测数据有一定影响.3目的任务(1) 探查2-6111巷13#点前145m前方100m范围内顶底板含水层富水性、是否存 在隐伏构造,为工作面提供详细水文地质资料.(2) 对含水体的富水性进行评价,圈定出相对富水区.4. 技术装备4.1仪器选型根据本次探测任务及工作面现场探测环境,选用YCS40 (A)型瞬变电磁仪进行瞬 变电磁超前探测.4. 2仪器特征发射工作电压：6V9.6V发射工作电流
4、：W2.5A出験团公司技术研究院匸程技术效劳中央接收工作电压：6V9.6V直流输入阻抗：5055 Q接收工作电流：W1.5A发射频率：125Hz、75Hz、25Hz、8.3Hz5. 探测根本原理矿井瞬变电磁法简称KTEM,它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲 电磁场,在一次脉冲电磁场间歇期间,利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法.其 根本工作方法是：于巷道内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 一次磁场,并在巷道周围导电岩矿体中产生感应电流,断电后,感应电流山于热损耗而 随时间衰减,衰减过程一般分为早、中和晚期.早期的电磁场相当于频率域中的高频成 分,衰减快,趋肤深
5、度小；而晚期成分那么相当于频率域中的低频成分,衰减慢,趋肤深 度大.通过测量断电后不同时间的二次场随时间变化规律,可得到不同深度的地电特征.均匀大地瞬变电磁响应过程在导电率为o、磁导率为n的均匀地质体外表敷设面积为S的矩形发射回线中供以 阶跃电流.八1 r 0在电流断开之前t0时,发射电流在回线周围的地质体和空间中建立起一个稳 定的磁场.在匸0时刻,将电流忽然关断,由该电流产生的磁场也立即消失.一次场的剧烈变 化通过空气传至回线周围的地质体中,并在地质体中激发出感应电流以维持发射电流断 开之前存在的磁场不会立即消失.山于介质的欧姆损耗,这一感应电流将迅速衰减,山它产生的磁场也随之迅速衰减, 这
6、种迅速衰减的磁场乂在其周兩介质感应出新的强度更弱的涡流.这一过程继续下去, 直至地质体的欧姆损耗将磁场能量消耗殆尽.这便是地质体中的瞬变电磁过程,伴随这 一过程的地磁场就是地质体的瞬变电磁场.在瞬变过程早期阶段,高频谐波占主导地位.由于高频的趋肤效应,涡旋电流主要 集中在导电介质的表层附近且阻碍电磁场向地质体深处传播.所以早期阶段主要反映地 质体断面上部地质信息.随着时间的推移,高频成分被导电介质吸收,从而低频成分占 主导地位.它在导电地质体中激发出很强的涡旋电流.然而山于热损耗,这些涡旋电流 场很快就消失了.在瞬变过程的晚期,局部地质体中的涡流实际上全部消失,而在各个 地层中的涡流磁场之间连
7、续的相互作用使场均匀化和使电流均匀分布,晚期场将依赖于 断面的总纵向电导.决定瞬变过程状态的根本参数是场的瞬变时间.瞬变时间t依赖于地 质体的导电性和发一收距离.在近区和高阻岩石区,瞬变时间很短一一儿十儿白毫秒. 在断面中赋存着良导地质体时这一过程变缓.在远区,瞬变时间可到达儿十秒,而在良 导地质体上有时到达一分钟或更长.山此可见,研究电磁场的瞬变过程可得到不同电导率地层系列的地质信息及总纵向 电导,也可以别离出断面中的高导电带.瞬变电磁法物理根底是电磁感应原理,据此理论,在电导率和磁导率均匀的地质体 上,敷设输入阶跃电流的回线,当发送回线中电流忽然断开时,在下半空间就要被鼓励 起感应涡流场以
8、维持在断开电流前存在的磁场,此瞬间的电流集中在回线附近的地质体 外表,并按指数规律衰减.随后,面电流开始扩散到地质体下半空间中,在切断电流后 的任意晚期时间里,感应涡流呈多个层壳的环带状,随着时间的延长,涡流场将向下及 向外扩散.感应涡流场在地质体外表引起的磁场为整个“环带各个涡流层的总效应, 这种效应可以用一个简单的电流环等效,表现为一系列与发送线圈同形状并且向下向外 扩散的电流环,通常称之为“烟圈.在发送一次脉冲磁场的间歇期间,观测山地质体受鼓励引起的涡流产生的随时间变 化的感应二次场的强度.地质体介质被鼓励所感应的二次涡流场的强弱决定于地质体介质所耦合的一次脉 冲磁场磁力线的多少,即二次
9、场的大小与地下介质的电性有关：1低阻地质体感应二次场衰减速度缓慢,二次场电压较大；2高阻地质体感应二次场衰减速度较快,二次场电压较小.根据二次场衰减曲线的特征,就可以判断被测地质体的电性、性质、规模和产状等, 山于瞬变电磁仪接收的信号是二次涡流场的电动势即二次电位,因此,瞬变电磁作 为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法,是根据地质构造本身存在的物性差 异来间接判断相关地质现象的一种有效的地质勘探手段.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 时间的推移,该电流环向下、向外扩散,
10、并逐渐变形为圆电流环.附图示意了发射电流 关断后不同时刻地下等效电流环的分布.从图中可以看到,等效电流环很像从发射回线“烟圈的半径r、深度d的表达式分别为:d = 4忌“产式中：a为发射线圈半径,当发射线圈半径对于“烟圈半径很小时,可得tan G=d/r 1.07, 0 47 ,故“烟圈将沿47.倾斜锥面扩散,其向下传播的速 度为：r阳 2/ =彳从以上式中可以看出：感应涡流扩散的速度与地质体电导率和磁导率有关.导电性 和磁导率越好,扩散速度越慢,在导电性和导磁性较好的地质体上,能在更长的延时后 观测到大地瞬变电磁场.1、视电阻率计算公式瞬变电磁测深法的视电阻率是通过将均匀半空间外表的瞬变电磁
11、场在小感应数或 大感应数条件下近似,得到半空间电阻率与电磁场的反函数关系.山于直接从均匀半空间的瞬变电磁场的解析表达式中无法求得计算视电阻率的简 单数学公式,只有对公式中的取值加以限制,便可求得晚期的视电阻率表达 式.4业圧唆团公司技术研究院匸程技术效劳中央山于晚期的条件更适合于探测中深部的电性异常体,我们将重点研究均匀半空间导 电介质中多匝重叠回线的晚期视电阻率计算公式.令UVV1,即2吆1,当t较大时可满足此条件,为晚期条件.其视电阻率的公式 为：pr(dBz/dt) =2 诃 “(5-5)5当发射线框的面积为S,匝数为N,供电电流强度为I,发射线框的磁偶距为 M二SXNXI,当接收线框的
12、面积为s,匝数为n,介质中感应的涡流场在接收回线中产生 的感应电位为(5-6)(5-7)5坐dt故多匝至叠回线的晚期视电阻率的计算公式为 % “ 2jli)SNsh=6.32 x 10 x (S x N)% x ($ x )% x (% x%2、时深转换在针对采区水文物探中,煤系地层一般为层状的特点,可采用下面的方法进行时深 转换.平面瞬变电磁波的传播是随时间的延长而向下及向外扩展,扩散场极大值位于从发 射框中央起始与地面成30倾角的锥形面上.从发射场始到激发最大的涡流所经历的延 迟时间t与涡流场最大值所在深度h的关系,据Kunetz推导结果t = jLiJrcr/2对上式作如下计算,可得到平
13、面瞬变电磁波的传播速度公式dt利用平面瞬变电磁波速度公式,因不同的地质模型,有两种求解视深度的讣算方法业吃 験团公司技术研究院丄程技术效劳中央6. 数据釆集 6.1装置形式及测点布置YCS40CA瞬变电磁法勘探采用中央回线装置,该次探测测点布置于工作面迎头, 发射、接收线框沿水平、垂直方向呈扇面布置.釆用中央回线装置,发射线框采用多匝 1.5mX1.5m矩形回线.探测分水平和垂直两个方向扫描,水平方向主要限制巷道两侧 帮及前方的含水构造,垂直方向主要限制顶板、底板及前方的含水构造.探测布置示意 图如下：L1线瞬变测点布置平面图L2线瞬变测点布置剖面图7IS 2-1顶板底板567瞬变电磁法超前探
14、测示意图12-6111巷工作面水平方向布置物理测点11个,各个测点与巷道掘进方位角 夹角分别为0、10、20、30、40、50 ,完成数据釆集点共11 个.2 2-6111巷工作面竖直方向布置物理测点11个,各个测点与巷道掘进方位角 夹角分别为0、土 10、20、30、40、50 ,完成数据釆集点共11 个.本次探测完成物理测量点总计22个,数据采集点总计22个.6. 2井下干扰施工时2-6111巷迎头位于13#点前145m,巷道采用锚网梁支护,综掘机黑近工作 面迎头右帮,距迎头约2m,致使数据受到干扰,在处理解释过程中均予以校正.7. 工作面地质情况7. 1煤层赋存巷道沿2#煤层掘进,2#煤
15、厚约3.3m,煤层一般含2层夹肝,以泥岩、炭质泥岩为 主,煤层走向N25 E,倾向SE.7. 2煤层顶底板2#煤层直接顶板为泥岩,均厚9.7m,灰黑色泥岩,风化易碎.根本顶为粉砂岩,均 厚43m,灰色粉砂岩,水平层理.2#煤直接底板为粉砂岩,均厚2.55m,灰色粉砂岩, 水平层理.老底为泥岩,厚约2.1m,灰色泥岩,团块状.7. 3地质构造工作面前方探测范圉内为单斜构造,根据2-6111巷及周边巷道揭露情况,预讣本次 探测范围内小断层相对发育.7. 4水文地质巷道前掘范圉内面临的主要水害因素有：2#煤层上覆砂岩含水层与泥质岩层相互 叠置,富水性普遍较弱.顶板直接充水含水层K8砂岩,该含水层裂隙
16、不发育,连通性 差,以静储量为主,易于疏干,当井下揭露时,涌水量一般05 m3/ho石炭系上统太 原组灰岩裂隙-溶洞水,主要有K4、K3、K2三层灰岩,平均厚度分别为3.54m、4.34m、 9.58m.距2#煤层底板平均疗度约34m.根据LK9水文孔揭露时其静水位标高为+341.4m, K2灰岩带压值为0.8l.IMPao奥陶系02灰岩水静止水位标高440m.奥灰顶板距 2#煤层底板平均103.62m,工作面L1前底板标高+272m,带压约1.68Mpa.7. 5物理特征正常情况下煤层、灰岩一般表现为高阻物性特征,相对而言泥岩、砂岩其视电阻 率相对较低；假设煤岩层裂隙发育、含水,均表现为低阻
17、特征.当存在煤层采空区积水 或不积水及岩层岩溶、裂隙、断层破碎带等构造即地质异常体时,地质异常体及 其附近导电性分布将发生明显变化物性异常；如果构造内不含水,那么其导电性较差, 使局部电阻率值增高；如果构造含水,由于矿井水的矿化度较高,因其导电良好,相当 于存在局部低电阻率值地质体.岩层或煤层的富水惜况将决定其电阻率的上下惜况.业吃 験团公司技术研究院丄程技术效劳中央8. 现场釆集现场操作及数据釆集情况表现场探测时间2021 年 1 月 20 日 11:55-12:30探测地点李雅庄矿2-6111巷13#点前145m仪器操作刘云杰线圈摆设贾涛、李童龙现场资料收集刘云杰异常区验证刘云杰9. 成果
18、分析根据矿井瞬变电磁场扩散特征,探测上、下部垂向深度与水平深度近似相等.根 据KTEM视电阻率拟断面图,综合地质和水文地质资料,分析判别沿横向和探测正前 方电性变化悄况.图9-1、图9-2是在2-6111巷迎头分别沿水平、垂直方向超前探测视 电阻率等值线图.说明：1、由于受仪器关断时间及发射线框的限制,矿井瞬变电磁法探测范围为20100m.2、探测深度只局限于视深度的概念,可能与实际探测深度有一定误差.3、瞬变电属全空间探测成果,受体积效应影响,无法对异常区位置准确定位.4、受点电位自然衰减,距离探测点较远的位置会出现不同程度点位自然衰减,形 成末端低阻趋势.5、瞬变电磁成果图仅能反映出相对视
19、电阻率变化趋势,并不能反映煤岩层真实电 阻率值,因此瞬变电磁异常界限的划定均根据物探成果图中视电阻率的相对变化,圈定 相对异常区.9.1图9-1为2-6111巷顺层方向探测得到的瞬变电磁法视电阻率等值线图分析图9-1图中的相对视电阻率等值线Ps值可以看出：在沿顺层方向探测时, 相对视电阻率值总体变化相对较大,视电阻率等值线图右帮视电阻率值相对较低,山于 探测时综掘机头靠近工作面右帮迎头,分析低阻区受右帮综掘机头干扰所致,同时不排 除反映为隐伏构造,构造裂隙相对发育,含裂隙水.9.2图9-2为2-6111巷沿垂直方向探测得到的瞬变电磁法视电阻率等值线图分析图9-2图中的相对视电阻率等值线Ps值可
20、以看出：在沿垂直方向探测时, 相对视电阻率值总体变化相对较小,视电阻率等值线图顶板方向视电阻率值相对较低, 本次探测圈定一处明显低阻异常区,异常区位于迎头前方20-60m顶板范围内,分析异 常范围内顶板K8砂岩裂隙相对发育,含裂隙水.10结论及建议10.1结论在李雅庄矿2-6111巷13#点前145m迎头前100m的探测范围内,比照分析视电阻 率等值线图,根据其视电阻率等值线的变化特征除去干扰影响所致的低阻异常得出 以下物探地质结论：根据探测成果视电阻率等值线图,本次探测圈定一处明显低阻异常区,异常区位于 迎头前方20-60m顶板范围内,分析异常范围内顶板K8砂岩裂隙相对发育,含裂隙水.10.2建议1严格根据“有掘必探、先探后掘原那么做好防治水工作.2 对异常区进行钻探验证,查明异常区情况.9业唆团公司技术研尤院匸程技术效劳中央附录物探成果示意图及图91.图922-6111巷11异常区oj斷血头位置李雅庄矿2-6111巷探测成果图业圧唆团公司技术研究院匸程技术效劳中央13探测距离(m)异常界限帮 右 方 八U 正 帮 左图91李雅圧矿2-6111巷顺层方向视电阻率等值线图探测距离69666360575451484542393633302724211815129LJo异常界限15图9-2李雅庄矿2-6111巷竖直方向视电阻率等值线图