测氡和瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用_图文

1、第5期山西焦煤科技No.52008年5月Shanxi Coking Coal Science&Technol ogyM ay.2008技术经验测氡和瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用黄群(山西省煤炭地质水文勘查研究院摘要因采煤沉陷引起地表建筑物产生裂缝而引发的纠纷,通过测氡和瞬变电磁法两种物探方法先探测出煤矿地下采煤造成的采空区边界位置、深度,再根据地下采煤引起的地表变形理论,选用与本区开采技术条件相近的角量参数进行地表变形影响范围计算,从而确定地下采煤对地面建筑物的影响范围及数量,划分煤矿责任范围,是行之有效的方法。通过多年工作实践,利用活性炭测氡和瞬变电磁相结合的物探方法探测采空区

2、边界位置准确,瞬变电磁法兼确定采空区深度,可达到相互弥补、验证、减少多解性之目的,取得良好的地质效果。关键词活性炭测氡;瞬变电磁;采空区边界及深度中图分类号:T D16文献标识码:B文章编号:1672-0652(200805-0022-03山西是全国主要产煤大省,受多年煤炭开采的影响,全省目前引发了许多地质灾害,其中采煤沉陷就是其中之一,据统计山西省采空区面积已有5000多k m2,使部分村民房屋出现不同程度的裂缝,影响到村民的正常生产与生活,引起当地各级政府的重视。为查明房屋裂缝与煤矿地下采煤的关系,采用地面测氡法、瞬变电磁方法探测煤矿地下采煤造成采空区的边界位置及深度。1测氡和瞬变电磁法原

3、理1.1地面氡气测量法氡气浓度与岩性存在一定的关系,如放射性物质含量较高的岩浆岩,其氡值较高,而沉积岩的氡值较低。可是当有采空区存在时,放射性氡气通过采空区的储气、集气、通道三个作用,向采空区运移、集聚,在地表形成一个与采空区形态相对应的氡气异常区。因此,可以通过测量地表氡元素的浓度(实际测量的是氡衰变所释放的射线强度来准确圈定煤矿采空区的位置和范围,是运用测氡方法探测煤矿采空区的地球物理前提1。氡气测量的基本原理:氡是铀(238系的唯一呈气态的放射性惰性气体,它可以由地下深部迁移至地表,并可显示出地层深部的地质信息。煤系地层是在还原条件下形成的,由于U238核素的物理化学性质,在煤系地层中U

4、238核素的含量大大的高于其它地层。当地下存在采空区时,由于采空区改变了地下地质体的应力状态,促使地质体发生形变,从而改变了地下气体的运移与集聚环境,对氡气的运移与富集起到了一定的控制作用。通过储气、集气和通道三种作用,氡核素向采空区运移,因此可在采空区形成浓度很高的氡。由于氡气具有很强的垂直向上运移能力,加之采空区顶部裂隙较发育,为氡的运移提供了很好的通道,可在地表形成一个与采空区形态相应的氡异常区。因此,通过测量地表附近氡的浓度,可确定采空区的位置与范围。活性炭测氡法:活性炭为非极性吸附剂,氡为非极性单原子分子。当这两种物质的分子或原子相互接近时,由于电力转动和核振动,发生电子和核之间的相

5、对位移而产生瞬时偶极。这种情况的不断重复使分子之间始终存在色散力,活性炭对氡的吸附正是色散力起主要作用。当氡运移到活性炭表面时,很快被吸附,造成其周围的氡浓度降低。在浓度差作用下,高浓度处的氡不断向活性炭运移,直至它吸附的作者简介:黄群女1969年出生1989年毕业于赣州地质学校助理工程师太原030006氡量达最大值,并与周围的氡浓度达到平衡。其工作方法如下:将高吸附活性炭埋入地下40c m深的坑中,待5 7d后取出,由活性炭测氡仪测量3m in记数,并对原始数据进行保存与处理。根据每1条剖面线上氡异常点的位置,来确定地下采空边界位置。1.2瞬变电磁法探测的目标地质体为采空区,相对周围的煤层在

6、电性上反映为高阻。如果采空区塌陷,其内部充填的松散物的视电阻率与周围介质相比还是呈相对高阻;如采空区积水,充填物的视电阻率与周围介质相比为低阻。可见,采空区的视电阻率明显区别于未采空区的视电阻率,这是用瞬变电磁法探测煤矿采空区的地球物理前提。瞬变电磁法(简称TE M是近几年发展并推广起来的一种新方法、新技术。其工作方法是利用不接地回线向地下发送一次脉冲磁场,在一次脉冲磁场间歇期间,利用另一回线或探头接收由地下地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场(按指数规律衰减。二次场的大小与地下地质体的电性有关:低阻地质体的感应二次场衰减速度较慢,二次场电压较大;高阻地质体感应二次场衰减速度较快

7、,二次场电压较小。根据二次场衰减的特征,可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等,从而可以解决如断层、陷落柱、采空区等地质问题2。瞬变电磁所观测的原始数据是各测点的各个测道的瞬时感应电压,通过计算,转换成视电阻率、视深度等参数。绘制成瞬变电磁多测道电压剖面图、瞬变电磁等视电阻率拟断面图来确定地下采空边界位置及其深度。2应用实例山西某勘查区出露地层有石炭系上统太原组(C3t,二迭系下统山西组(P1S,第四系中、上更新统(Q3,全新统(Q4。区内的石炭系太原组及二迭系山西组地层中,共赋存有可采煤层3层:4#、7#、8#煤层。由于该勘查区周边煤矿现只开采7#、8#煤层,因此仅对7#、8#煤层分述

8、如下:7#煤层位于太原组中上部,石灰岩为其直接顶板。煤层厚0.81.10m,一般0.9m左右,不含夹矸,结构简单,底板为中细粒砂岩。该煤层在勘查区一带埋深078m。8#煤层位于太原组中下部,距7#煤层以下24m 左右,石灰岩为直接顶板,局部有0.502.00m炭质泥岩伪顶。本层煤厚3.306.90m,一般3.5m,不含或含12层夹矸,结构较简单。底板为砂质泥岩。该煤层在勘查区一带埋深0103m。根据国土资源局提供的周边煤矿8#煤层开采资料,选择在测区南部的2004年已知8#煤采空区上布设了试验线(S,试验线的地面条件相对良好,对氡气测量和瞬变电磁法都进行了探测试验。在该试验线上8#煤的埋深为7

9、0m左右,7#煤未采。试验线勘探成果平面位置示意图见图1 。图1试验线勘探成果平面位置图2.1曲线分析已知采空区在试验线综合剖面图上的反映见图2。从测氡剖面图上看(见图2a,已知采空区在1 10#点氡值从最高的800个计数蹦跳下降至119个计数,变化幅度很大,特征是煤矿采空区的反映。10 15#点为低值平缓段,氡值在119153个计数范围内平缓变化,与已知采空区的异常有明显的区别,特征为未采区的反映。从瞬变电磁多测道电压剖面图上看(见图2b,1 10#点电压曲线起伏变化较大,特征为煤矿采空区异常,与已知采空区一致;1015#阿点曲线较为平直,特征为正常地层形态,为未采区。从瞬变电磁等视电阻率拟

10、断面图上看(见图322008年第5期黄群:测氡和瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用2c ,110#点等值线畸变严重,呈明显的高阻闭合圈分布,为煤矿采空区异常,而1015#点呈相对低阻,为正常地层的反映 。2.2应用效果通过以上试验可知,两种物探方法在采空区上异常反映明显,解释结果吻合较好,探测结果与已知采空区情况一致,说明采用测氡和瞬变电磁法探测采空区效果明显有效。此外,通过对全测区测氡、瞬变电磁法探测资料的分析统计,采空区和正常地层符合以下物性物特:氡气测量法:采空区上的氡值在150800个计数/3m in 变化,在测氡剖面图上表现为“高氡值异常或曲线梯度变化较大等特征”;正常地层的氡值在1

11、00250个计数/3m in 变化,在测氡剖面上表现为“低氡值且曲线变化较平缓”等。瞬变电磁法:采空区在多测道电压剖面图上表现为“低电压异常或曲线上下蹦跳”,若采空区积水较多时,则在多测道电压剖面图上表现为“高电压异常”;正常地层在多测道电压剖面图上表现为“相对高电压且曲线变化较平缓”等。采空区在视电阻率拟断面图上表现为“高视电阻率异常或高低阻闭合圈、半闭合圈相间分布或等值线不连续”等,变化范围在120400m;部分采空区由于积水,异常幅度变小,在视电阻率拟断面图上表现为“低视电阻率异常”,变化范围在2050m;正常地层在视电阻率拟断面图上表现为“相对低阻、相对低阻闭合圈或半闭合圈、等值线连续

12、呈平缓状分布”等,变化范围在40120m 。以上物性特征对实际解释工作具有指导意义。3结论通过采用测氡和瞬变电磁法两种物探方法相结合,探测煤矿采空区、采空积水区、越界越层、无序乱采、煤矿责任鉴定,让矿方和政府逐步认识这种方法,同时,也是目前解决上述问题的一个行之有效的勘探方法,且投资小,施工简单,资料处理解释方便快捷,可以为司法、煤矿开拓和安全生产,及时提供可靠的地质资料。测氡法对有空区异常反映更直观,更迅速;瞬变电磁法除对低阻地质体反映灵敏外,对高阻采空区也反映明显,纵横向分辨率高,在矿井水文地质勘查,金属矿体勘查,探测煤矿采空区位置以及水文地质勘探中是一种很有发展前景的物探手段,在国民经济

13、快速发展的今天,将愈来愈发挥巨大的作用。收稿日期2008-03-11参考文献1蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探M .北京:地质出版社,1998:2.2刘鸿福.氡及其子体运移的实验研究与机理探讨D .太原理工理工大学:博士论文,1997.(下转第31页42山西焦煤科技2008第5期8结论通过试验,第10次试验效果最好。通过以上试验与分析,得出结论:每1000m 3循环水应加100kg 硫酸铝和10kg 聚丙烯酰胺,可以达到理想的澄清效果。在屯兰矿选煤厂煤泥水的净化处理过程中,应根据不同时期煤泥水的不同性质,在煤泥水中加入适量的凝聚剂和絮凝剂(硫酸铝和聚丙稀酰胺,并且最佳的加药顺序是先加凝聚剂,

14、后加絮凝剂。在现场指导中,二段浓缩池浓度在10g/L 以下时或开车过程中,建议不加任何药剂;当二段浓缩池浓度超过10g/L 时,按上述结论添加,可以提高煤泥水的净化效果。收稿日期2008-03-08参考文献1张明旭.选煤厂煤泥水处理M .徐州:中国矿业大学出版社,2005:179-180.Pri n c i ple and Appli cati on on Addi n g the Pharmacon i nSlime Water Puri fi cati on Handli n gChang Hongx i n g L i u Zh i yongAbstract I n sli m e wa

15、ter purificati on p r ocess of Tunlan coal p reparati on p lant,according t o the different nature of the coal sli m e water at different ti m es by the method of combining theoretical analysis with settle ment test ,reas ona 2bly selects variety of adding phar macon and adding way,obtains good puri

16、fying effect,the achieve ment of water cl osed circulati on has p layed a positive r ole .Key words Coal sli m e water;Purificati on;Princi p le;App licati on;Fl occulant;Fl occulating agent(上接第24页Appli cati on on M easurement of Radon and Transi ent Electro magneti cM ethod i n Detecti on of CoalM

17、i n e GoafHuang QunAbstract Due t o the dis putes of the building cracks caused by m ining subsidence,firstly,uses the t w o geophysi 2cal methods which are the radon measure ment and the transient electr o magnetic method t o detect the goaf border l oca 2ti on and dep th .Secondly,according t o th

18、e surface defor mati on theory caused by m ining,selectes the angular para me 2ters si m ilar t o m ining conditi ons t o reckon the affected areas .Finally,can deter m ine the affected areas and numbers f or buildings on the surface,and divide collierys res ponsibility areas .Above all,it is an effective method .Thr ough years of p ractices,thinks that the radon measure ment by active carbon method and the transient electr omagnetic method t o detect goaf border l ocati on is accurate .Es pecially,the transient electr