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1、神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电逐视探测成果报告陕西省一尴五境萌限公司/一供电电流强度/A;扁一电流密度；神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测成果报告jm =；式中：幅一电位;Em一电场强度;p均匀空间介质电阻率/。mR一观测点M到点电源A的距离/m。河西联办煤矿煤层与其顶、底板（以粉、细、中砂岩为主）具有明显的电性 差异。而煤层相对其顶、底板为高阻层，可用图3-1所示的三层地电模型来模拟 上述电性组合特征。图3.1井下三层地电模型示意图根据镜像法，可以求出全空间内任意点的电位表达式为:式中：Uijj第i层的点源在第j层的电位；Pi为第i层的电阻率值；kn
2、Q, j）=F（L,d,。,伽）为反射系数函数；L为供电点至观测点的距离。含水构造对点源场的电位影响含水构造可以模拟为局部地质体，如图3-2.C所示。对于井下局部地质体的附加场，可用导电球来说明问题。即电流场中导体的异 常可以近似地看作电偶极子的异常。其表达式为：Ml由于ril,2】，故门-mWcos。,门.2对,上式变为:神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测成果报告(6)(6)u =追噂=以攀171 r2r2式中M=pg = *靠制图3-2含水构造的模拟及电位异常反映特征示意图图3-2含水构造的模拟及电位异常反映特征示意图在直角坐标系中，偶极场的电位分布关系式为:” x
3、cos。一 ZzsinOU = m（层+尸）3/2当0 = 90时：U = -m(/? + x23/23hxE = -m(h2+x23/2(7)(8)(9)则低阻良导体产生一个负电位，如图3-2.a所示。对于井下近似三层地电模型来说，其点源场电位表达式为:(10)U = U+ Un式中：U。为无局部地质体时的电位分布；E为局部地质体的异常场。根据（5）式、（10）式可以看出异常曲线（U/Uo）是以点源A与地质体连线或其延线为对称轴的轴对称曲线，如图3-2b所示。异常幅度、宽度与异常体的大小、异常体与围岩的电性差异及距收发面的距离等有关。异常体规模（体积与含水强弱神木市孙家岔镇河西联办煤矿431
4、04工作面音频电透视法探测成果报告的综合反映）越大、与围岩的电性差异越大、距收、发面距离越小，异常幅度就越 大；反之则越小。图3-2C为地板下存在含水体与不含局部水体等两种条件下电位测 量曲线的比较示意图。4观测系统布置及质量控制4.1观测系统布置本次43104工作面音频电透视探测测点布置在工作面两顺槽，测线起点分别在运输 顺槽导6-5处和回风顺槽导6-16点前2m处，编号至切眼结束，点距10m,预计两顺槽 各编点60个，工作面设计探测测点布置图如图4-1所示。现场施工时，首先在运输顺槽布置发射点，每50m一个发射点，共计13个发射点; 在回风顺槽布置接收点，每10m一个接收点，共计60个接收
5、点；待运输顺槽发射完成 后，将发射点布置在回风顺槽，接收点布置在运输顺槽，发射点和接收点个数及施工顺 序和前面一致。针对每个发射点，在另一巷道与之对称点附近一定区段进行扇形扫描接 收，每个发射点对应1632个接收点，探测工作面长度为590m （如图4-2所示）。为了探测43104工作面顶板上不同高度的水文地质状况，矿井音频电透视施工时采 用F=64Hz、16Hz两个频点依次测试，分别探测040m和4080m两个层段，具体工作 量见表4-1。神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测成果报告F12H 心F12H 心KT21044.7fii n a c1.633侦Qo图 例I I
6、I I农M *金 gw3D=MM tt孔 岩石，E5 |1 = 1I On I3WtA图4-1 43104工作面音频电透探测测点布置神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测成果报告图4-2 43104工作面音频电透视射线分布图io神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测成果报告4.2工作量统计表4-1工作量统计表运输顺槽（个）回风顺槽（个）频率（Hz）合计数据量（组）发射136064、161360接收6013从表中可看出，矿井音频电透视实际完成总工作量1360个物理点，完成了设计要求 的工作量。4.3技术保障措施 音频电透视的施工同时在采煤工作面的两顺槽进行
7、，每10m 一个测点，50m 一 个供电点。现场记录好编号点与最近导线点之前的距离关系，数据处理时对现场标点 与实际位置的误差进行矫正。 针对每个供电点，在另一顺槽的扇形对称区间1632个点进行观测，以确保采 面内各单元有两次以上的覆盖。 采用AMN装置施工时，MN应布置在巷帮上，其连线沿顺槽走向。 电极（特别是MN电极）尽可能打在坚实层位上，并尽可能避开积水、淋水地 段，以避免极化不稳定等现象发生；实在无法避开上述异常地段时，应做详细记录， 以便资料解释时参照。 巷道侧帮有金属锚网时，注意保证电极不与金属网接触。 采集数据时，应避免皮带或其它设备工作，巷道停止供电。4.4质量评述本次井下物探
8、施工时，已要求矿方停止供电，电场对本次施工不存在影响；同时11神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测成果报告要求在干燥的供电电极位置浇水，保证供电信号质量；工作面两顺槽局部存在积水区 ,对音频电透探测存在一些干扰。为保证原始资料质量，施工严格执行煤炭电法勘探规范(MT/T898-2000)。本次 物探工作实际完成音频电透视的总工作量为1360个物理点，其中进行检查点120个，占 总工作量的8.82%,符合煤炭电法勘探规范中检查点不少于5%的要求。资料质量以检查点相对均方误差值来衡量。其公式表示为：式中：n为检测点个数；为第i个点的原测值；为第i个点的检测值。按公式(13)计
9、算得到平均均方差为3.55%,符合规范要求不超过5%的质量标准。12神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测成果报告5矿井音频电透视数据处理与解释资料处理与解释方法有人工交汇法与CT成像法两种。现在一般都用CT成像 方法解释。交汇法就是根据集流效应使得点源场中低阻良导电地质体方向上的电位下降 梯度增大（高阻地质体情况，则刚好相反），由异常曲线的拐点来划分异常区间， 并交汇出异常范围的方法。这种方法人为因素影响较大，因人而异，误差较大。层析成像法：自1972年首台X射线CT机问世后，CT技术迅速渗透到地球 物理勘探资料处理领域，穿透波也由X射线扩展到地震波、超声波、无线电波等。
10、 其探测应用范围也从人体扩展到整个地球物理勘探。八十年代中后期，S/M.Lee根 据电磁波与地震波的相似性，实现了拟地震法电磁数据成像；我国在这方面的研究 应用发展很快。现在地震波层析成像，无线电波层析成像等己取得了比较理想的地 质效果。而矿井音频电透视法层析成像处理与分析，则是一种新的尝试。矿井音频电透视层析成像原理：矿井音频电透视层析成像是利用穿过采煤工作 面内的沿许多电力线（由供电点到测量点）的电位降数据来重建采面电性变化图像 的。设X为供电点与测量点之间的连线，AU为电位降，可以证明： U=Cjx）b（x, y ） d x （12）式中：。（x , y ）为电性参数（是x,y的位置函数
11、）；C为调节系数。我们把整个研究范围剖分为J=MxN个单元来考虑，把所研究的问题离散化， 如图5-1所示。假定第j条射线穿过I个单元，则第j条射线上的电位降表达式为：Uj = 6jLi（13）Z=1式中：Z7,/分别为第j条射线位于第I单元内的长度（各单元序号是x,y的位置函数）方3为第I个单元内的电性参数。13神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测成果报告M(N)图5-1单元剖分图将所有各射线建立方程，则有： U= x, 8(14)则所有问题转化为:根据数据来计算8的值。这是一个超定方程组，很难求 其精确解，故采用多次迭代的近似值法来求其近似解。解释原则：层析成像图件是以
12、颜色分级的，原则上分多级，以便更细致地划分 电性的递变规律。但实际解释中，应结合有关已知地质资料来划分级别，使物探资 料更切合实际地质规律。根据数理统计学，把数据分成 5- 、8 8n 8 6/3S/3 3 +5”/3、片+总/3片+$、如5个级别，并可设定如、/3为异常阀值(其中万为参数算术 平均值，3为参数的标准偏差值)。异常性质则根据异常形态结合地质条件进行综合分 析、推断。14神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104 1作面音频电透视法探测成果报告6物探成果及地质解释经过上述处理得出物探成果图件，将物探成果和已知的地质资料相结合，按从已知 到未知，从点到线，由线到面，由浅入深的原则进行综合
13、分析得出地质结论。本次音频电穿透探测共得到2个高度范围的异常平面图（图6-1、图6-2）,分别为 顶板上040m、4080m范围的异常平面图。各成果图中横坐标为顺槽长度（x轴“0” 点坐标在回风顺槽6-16点前2m处），纵坐标为工作面宽度。一般而言，在地层岩性切向相对均一的条件下，同一频率建立的电场所获得的视电 导率值越高，说明地层的综合导电性越好，含水也就越丰富。为此，按照频率域电场理 论及实际探测经验，判定工作频率为64Hz视电导率勘探结果的有效勘探深度为40m, 即对应040m岩层段；16Hz视电导率勘探结果的有效勘探深度范围为4080m岩层 段。为确定不同深度岩层的电性异常区域，按照数
14、据统计学解释原则，获得不同层段地 层电导率特征参数统计如表6-1所示：按照前述异常阈值标准，工作面顶板上4080m层段异常阈值确定为15.5S/m；顶 板上040m层段异常阈值确定为5.9S/m。分别对比工作面顶板上方040m和4080m 层段的视电导率分布特征，确定43104工作面顶板上方共存在5组异常区，编号为异常 D-lD-5o表6-1 43104工作面音频电透视电导率参数统计表（单位：S/m）探测方向040m层段4080m层段顶板变化范围平均值标准偏差变化范围平均值标准偏差9.519.014.91.85.51.2（1）工作面顶板上040m层段（图6-1）D-1号异常区位于x坐标的-32
15、0-550m范围，平面上异常区贯穿两顺槽，异常中心15神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测成果报告神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视探测成果报告提交单位：神木市孙家岔镇河西联办煤矿法人代表：项目负责：郭涛报告主编：祝云飞参编人员：郭涛李旭东李存栋杨阳 审 核：王兴华总工程师：总经理:编制单位:完成时间:神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测成果报告区域平面上靠近工作面中间位置，异常分布范围较大，呈带面状分布，异常幅值较大。 综合水文地质资料分析主要为顶板4-2煤层采空区积水引起。D-2号异常区位于x坐标的-230-310m范围，异常区
16、域平面上靠近工作面中间位置, 异常分布范围一般，呈带面状分布，异常幅值相对较大，结合水文地质资料分析主要为 顶板4-2煤层采空区积水引起。综上：43104工作面顶板上。40m层段共存在2处异常区，异常幅值相对较大，分 析主要为顶板4煤层采空区积水引起，富水性相对较强。(2)工作面顶板上4080m层段(图6-2)D-3号异常区位于x坐标的-240540m范围，平面上异常区贯穿两顺槽，异常中心 区域平面上靠近工作面中间位置，呈面状分布，分布范围较大，异常幅值相对较小，结 合水文地质资料分析为顶板采空区积水或砂岩含水层富水的综合影响。D-4号异常区位于x坐标的-180-300m范围，平面上异常区靠近
17、回风顺槽，呈面状 分布，分布范围相对一般，异常幅值相对较小，结合水文地质资料分析为顶板采空区积 水或砂岩含水层富水的综合影响。D-5号异常区位于x坐标的0-100m范围，平面上异常区靠近回风顺槽，呈带状分 布，分布范围相对一般，异常幅值相对较小，结合水文地质资料分析为顶板采空区积水 或砂岩含水层富水的综合影响。综上：43104 X作面顶板上4080m层段共存在3处异常区，异常幅值相对较小， 分析主要为顶板采空区积水或砂岩含水层富水引起，富水性相对较弱。16神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104 1作面音频电透视法探测成果报告17神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测成果报告9
18、.5 10.5 11.5 12.5 13.5 14.5 15.5 16.5 17.5 18.5图6-1 43104工作面回风顺槽顶板上040m层段岩层视电导率图18神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测成果报告-550-550-500-450-400-350-300-250-200-150-100-50150-100-10050-550-500-450-400-350-300-250-200-150-504 4.2 4.4 4.6 4.8 5 5.2 5.4 5.6 5.8 5.9 6 6.2 6.4 6.6图6-2 43104工作面顶板上4080m层段岩层视电导率图19神
19、木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测成果报告表4-2音频电透视探测低阻异常区特征统计、异常特征异常区横向X (m)纵向Y (m)异常幅值异常形态异常原因分析工作面顶板上040m层段D-1-320-5500-162相对较大面状4煤层采空区积水D-2-230-31020 100相对较大面状4-2煤层采空区积水工作面顶板上4080m层段D-3-240-540m0-162相对较小面状采空积水或砂岩层富水D-4-180-300m050相对较小面状采空积水或砂岩层富水D-50 TOOm0-150相对较小带状采空积水或砂岩层富水备注：横向X代表顺槽长度，x轴“0”点坐标在回风顺槽6-16
20、点前2m处，向切眼方向为负方向; 纵向Y代表工作面宽度，向运输顺槽方向为正方向。20神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测成果报告7结论及建议7.1结论本次43104工作面顶板富水性探测共完成测线长度为590m,共计物理点 1360个。在整个项目施工过程中，我们严格执行相关规程规范及技术要求，对 现场资料进行了认真检查、验收，保证了原始数据质量的可靠性。在资料整理、 分析和解释过程中，经多种方法对原始数据进行精细处理，获得了客观反映地质 特征的数据体。通过对音频电透视数据的精细处理和解释获得了综合资料解释图 件。本次43104工作面物探工作完成了施工设计及矿方提出的地质任务
21、，并形成 如下结论：1、43104工作面顶板上040m层段共圈定2处异常区，分别命名为D-1和 D-2,异常区的特征详见表4-2；两个异常区的幅值相对较大，异常范围也相对 较大，结合地质资料分析为顶板上方4-2煤层采空区积水引起。2、43104 X作面顶板上4080m层段共圈定3处异常区，分别命名为D-3、 D-4和D-5,异常区的特征详见表4-2；这三个异常区的富水性相对较弱，D-3 异常区的分布范围较大，结合地质资料分析为顶板上方采空区积水或砂岩裂隙富 水引起。3、综合两个层位音频电透视探测成果分析，顶板上040m层为的D-1和 D-2异常区分别与4080m层段的D-3和D-4异常区存在重
22、叠区，分析在垂向上 各异常区存在水力联系。4、43104工作面顶板上080m范围内其他区域未见较大或明显的电性异常 区，分析这些区域岩层的富水性较弱或者不富水。7. 2建议1、根据矿井音频电透视探测获得的电导率值大小、分布形态，并结合已有 的地质资料及水文地质资料等综合考虑，本次物探圈定了5个异常区，其中DT 和D-2号异常为防治水重点区域。建议在工作面内增加钻探验证工程，以验证本 工作面的异常区以及非异常部位物探工作的准确性，并做进一步水文地质调查与 分析，根据具体情况采取可靠的防治水措施。矿方在应用物探资料时，应充分发 挥本矿技术人员丰富的实践经验和了解现场情况的优势，将物探结果与已知地质
23、21神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测成果报告资料、水文地质资料结合起来综合分析、利用。2、以上探测结论是根据电法探测资料的实际反映并结合有关水文地质资料 分析而来。由于井下电法探测深度的限制，实际上成果资料反映的水文地质信息 仅局限于一定深度（或高度）范围内地层的水文条件。低阻异常区是客观存在的 ，能否通过裂隙、构造导升并发生突水，则受诸多人为因素影响和控制，地下水 的突出必须具备一定的水文地质条件，对其分析和防治应从多方面着手。尤其要 注意的是以上探测成果是在采掘前相对静态、平衡条件下得到的，在工作面回采 时，由于地应力失去平衡后，不导水的裂隙也会变为导水的，毕竟存
24、在裂隙发育 带的岩层是相对薄弱地带。因此建议有关技术部门在回采过程中加强异常区水文 地质资料的收集工作并及时反馈给有关主管部门，以便及时采取防治水技术措施 ,确保生产安全。22神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测成果报告1地质任务12地质概况及地球物理特征12.1工作面概况12.2煤层概况32.3煤层顶底板岩性情况32.4地质构造情况32.5地球物理前提33方法选择及基本原理53.1方法选择依据53.2方法原理概述54观测系统布置及质量控制84.1观测系统布置84.2工作量统计114.3技术保障措施114.4质量评述115矿井音频电透视数据处理与解释136物探成果及地质解
25、释157结论及建议217.1结论217.2建议21神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测成果报告图号图名比例尺143104工作面音频电透视测点布置图1:1000243104工作面音频电透视探测射线布图1:1000343104工作面音频电透视探测范围图1:1000443104工作面音频电透视顶板040m层位探测成果图1:1000543104工作面音频电透视顶板4080m层位探测成果图1:1000神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测方案设计1地质任务为43104工作面的安全开采，需查清该采面内的水文地质条件，为该工作面 的采前防治水及回采过程中适当技术措施
26、的实施提供依据。具体任务包括：(1) 采用矿井音频电透视法探查43104工作面顶板采空区的富水性异常 区分布范围、相对强弱等特征。(2) 依据探测成果分析43104工作面顶板采空区富水异常区空间分布范 围、相对强弱等特征，为43104工作面防治水工作提供参考及建议。2地质概况及地球物理特征2.1工作面概况43104综采面位于井田南部41盘区，43104工作面大致呈南北向布置，推进 方向从西向东推进。43104工作面切眼西部为4-3实体煤，与铲煤强排水仓泄水 巷道相联通，北部为43101采空区，南部为铲煤实体煤，东部为铲煤保安煤柱。 43104工作面上部为412、411采空区，下部为5-2煤未采
27、。43104工作面煤层顶 板标高为1043.3m1048.9m。地面标高为11701225.4m,埋藏深度125m 170m。43104工作面地表基本被第四系黄土风积沙所覆盖，北高南低呈宽缓的坡 地，松散层覆盖厚度020m,无成片建筑。具体施工位置见图2-1。神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测方案设计图2-1施工位置示意图神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测方案设计2.2煤层概况本工作面4-3煤层为近水平煤层，倾角03度，结构简单，一般不含夹砰，岩性以泥岩为主，煤厚1.571.78m平均1.66m；煤质：烟煤；容重：1.27而3。2.3煤层顶底板岩
28、性情况表2-6煤层顶底板情况表顶、底板名称岩石名称厚度（m）特征顶板粉砂岩7 12m顶板以粉砂岩为主，泥岩次之，岩体中等完 整，属不稳定一稳定型（III）直接顶节 理发育，竖直方向节理面成正“八”字型， 顶板局部破碎，易冒顶，顶板北厚南薄。煤1.66m全区稳定，烟煤煤层饱和度属软弱类岩石， 具脆性而不具韧性，宜冲击破碎底板粉砂岩46m底板以粉砂岩为主，泥岩次之，岩体中等完 整，属不稳定一较稳定型（III）2.4地质构造情况由于本井田内地层平缓、构造简单,基本构造形态为向北西倾斜的单斜构造, 倾角03。，区内未发现大的断裂、褶曲和岩浆岩，邻近矿井生产也未发现有断 裂现象，属构造简单类型。2.5地
29、球物理前提由于煤系地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，导电性特征在纵向 上有其固定的变化规律，而在横向上相对比较均一；在同一个岩层内，电性分布 相对均一（层内均一性）；不同岩层组合，其垂向电性分布和变化是有序的且与 岩性组合顺序相对应（垂向规律有序性）。不同岩性的导电性一般存在明显差异, 一般而言泥岩、页岩、粉砂岩、中粗砂岩、灰岩的电阻率是依次增高的，烟煤的 电阻率通常很大，常以明显的高阻异常区别于顶底板岩层（如泥岩、砂岩等）； 岩层电性变化的一般规律为：煤层电阻率值相对较高（250-300Qm）、砂岩次之 （50-100Qm）、粘土岩类最低（20-30Q-m）o即泥岩、细砂岩、粗砂岩等
30、与煤层的 导电性差异明显。当存在煤层采空区（积水或不积水）及岩层岩溶、裂隙、断层破碎带等构造神木市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测方案设计（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，则其导电性较差，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（实测地下水矿化度8.1320.13g/L）,因其导电 良好，相当于存在局部低电阻率值地质体。岩层或煤层的富水情况将决定其电阻 率的高低情况。据此，通过音频电透视法探测煤层上方电阻率及其变化，可以判断采空区或 含水层富水情况，这是本次音频电透视法探测富水性的物理前提。神木
31、市孙家岔镇河西联办煤矿43104工作面音频电透视法探测成果报告3方法选择及基本原理3.1方法选择依据目前煤矿探测工作面顶、底板含水性异常区的物探方法主要有矿井瞬变电磁法和矿 井音频电透视法；43104工作面宽度达160m,同时工作面两顺槽存在较多金属物，因此 必须选择抗干扰能力强和透视距离大的物探方法进行施工；综合43104工作面现场情况 和音频电透探测技术的特点，选择矿井音频电透视法为本次工作面顶板富水性探测的最 佳手段。该技术已在山东、河北、河南、江苏、安徽、陕西、山西、四川、新疆、湖南等多 个矿务局的采煤工作面得以推广应用，均取得了良好的地质效果，为煤矿防治水工作提 供了有力指导。3.2方法原理概述由于地下各种岩（矿）石之间存在导电差异，如表3-1所示。影响着人工电场 的分布形态。矿井音频电透视法就是利用专门的仪器在井下观测人工场源的分布规 律来达到解决地质问题的目的。表3-1 一般煤系地层常见岩石电阻率值石名煤泥岩砂岩石灰岩矿井水电阻率10 101-501 10，60-4X105(Q m )110矿井音频电透视法是探测采煤工作面两顺槽之间顶、底板中含水性异常的专项技术O地电模型及点源场的分布特征与地面电法不同的是：矿井音频电透视法以全空间电场分布理论为基础。对于均匀全空间，点电源产生的电场分布特征，可用如下关系式表达：U， = %状）（1）Em = Tp/（2）