森泰南侧矿界附近采空区探测报告

1、山山西西朔朔州州平平鲁鲁区区森森泰泰煤煤业业有有限限公公司司南侧矿界附近采空区南侧矿界附近采空区瞬变电磁探测瞬变电磁探测报告报告中国矿业大学中国矿业大学2012 年年 8 月月项目负责：岳建华项目负责：岳建华 教授教授报告主编：报告主编：许新刚 王虎资料采集：资料采集：张占立 白锦林 顾辉 张河瑞 数据处理：数据处理：张占立 许新刚资料解释：资料解释：岳建华 许新刚 张河瑞图件编制：图件编制：许新刚 张河瑞 审审 核：核：刘志新目目 录录1 前言前言.11.1 测区范围与主要地质任务.11.2 依据的规范规程.22 2 测区地质概况测区地质概况.22.1 以往地质工作评述.22.2 地质概况.

2、32.3 矿井水文地质情况.53 3 施工方法与技术施工方法与技术.123.1 测区地质、地球物理特征.123.2 方法选择.133.3 瞬变电磁法.133.4 测线、测点布置.163.5 仪器设备.163.6 施工组织与质量保障措施.194 4 现场数据采集与质量评价现场数据采集与质量评价.214.1 试验工作.214.2 工作量统计.244.3 数据质量检查与评估.265 5 数据处理与成果图件绘制数据处理与成果图件绘制.275.1 数据整理与编辑.275.2 成果图件绘制.286 6 资料解释资料解释.287 7 结论与建议结论与建议.3011 前言前言1.11.1 测区范围与主要地质任

3、务测区范围与主要地质任务山西朔州平鲁区森泰煤业有限公司井田位于朔州市平鲁区（井坪）东约 4km处，行政区划属于朔州市平鲁区井坪镇管辖，井田地理坐标为：东经 11219191122127；北纬 393057393239。森泰煤业有限公司属于兼并重组整合型矿井，由山西朔州赛格煤业有限公司和山西朔州万通源万平煤业有限责任公司整合而成。整合后矿井生产能力提升至 1.2Mt/a，批准开采 411 号煤层。本井田位于管涔山脉东麓，地表大部为黄土覆盖，基岩出露较少，呈现为中低山丘陵地貌。纵观井田，沟壑纵横，梁峁绵延，植被稀少，总体地势呈南北高，中间低，西高东低趋势，主要由两沟三梁组成，梁面较平缓，沟谷崎岖，

4、以北西向为主，次为北东向，呈树枝状，以“U”型谷为主。井田南侧与安太堡露天矿排土场相连接，堆土较原始地形有 3050m 高差。本次勘探任务的勘探区域位于井田南侧边界地面位置，测区面积0.74km2。详细位置见附图森泰煤业有限公司物探工作设计图。勘探区域由坐标点（1）X=4377098 ,Y=19613781；（2）X= 4376990,Y= 19615838；（3）X=4376625,Y=19615830；（4）X=4376739,Y= 19613762控制。勘探任务是采用地面瞬变电磁法勘查勘探区内采空区分布范围，为煤矿开采和设计提供地质依据。形式和要求：形式和要求：（1）在勘探区探测范围内设

5、计 13 条瞬变电磁法测线，测线线距 30m，点距20m。为了保障勘察精度，对于地表地形起伏比较大的区域进行加密测量。测区共设计试验点 20 个，生产点 1339 个，检查点 61 个，共计瞬变电磁物理测点数为 1420 个。（2）甲方提供探测地点已有的相关水文、地质资料供物探资料解释参考使用，并协助乙方处理地面工农关系。 2图 1-1 森泰煤业有限公司地面顺电磁探测设计图1.21.2 依据的规范规程依据的规范规程本次瞬变电磁采空探测工作依据的现行规程规范：(1)煤炭资源勘探工程测量规范(MT/1987)(2)全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T 18314-2009)(3)地面瞬变电磁法

6、技术规程(DZ/T018-1997)(4)煤炭电法勘探规范(MT/T 898-2000) 2 2 测区地质概况测区地质概况2.12.1 以往地质工作评述以往地质工作评述本区采煤历史悠久，基础地质工作开展也较早，地质研究程度比较高。下面3将与本区有关的地质工作简述如下：1山西朔州赛格煤业有限公司于 2006 年 5 月委托山西煤炭地质公司编制完成山西省朔州市平鲁区地方国营木瓜界煤矿资源整合矿井地质报告 ，该资源整合矿井地质报告由山西省煤炭工业局晋煤规发2006762 号文批复通过。2山西地宝能源有限公司 2010 年 8 月编制的山西朔州平鲁区森泰煤业有限公司兼并重组整合矿井地质报告报告，查明了

7、井田的构造形态、含煤地层特征；基本探明了井田的水文地质条件；评价了工程地质条件复杂程度。山西省煤炭工业厅 2010 年 9 月 16 日下发晋煤规发【2010】1037 号文“关于山西朔州平鲁区森泰有限公司兼并重组整合矿井地质报告的批复” ，对该地质报告进行批复。2.22.2 地质概况地质概况2.2.1 地层地层本井田位于宁武煤田北端平朔矿区的北部，平藩城精查区西部。井田内均被黄土覆盖。据井田内和周边钻孔揭露情况，井田内地层由老至新依次为奥陶系中统上马家沟组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组及上第三系上新统、第四系中上更新统。井田范围内含煤地层为石炭系上统太原组。1、

8、石炭系上统太原组(C3t)本组含 4 号、6 号、8 号、9 号、10 号、11 号共 6 层煤，根据含煤性可分为三段：下段：为 K2砂岩底至 9 号煤层顶，为一套砂岩、泥岩、细砂岩、煤层组成的含煤层段，含 9、10、11 号煤层，11 号煤层顶板为砂岩或泥岩，煤层层位稳定，是在潮坪和潮坪砂坝的基础上发育起来的泥炭沼泽，煤以暗煤为主，硫含量较高，9 号煤层沉积厚度大，结构复杂，煤岩类型以亮煤为主，在煤层中可见透镜状黄铁矿、菱铁矿结核，9 号煤层为半咸水三角州前缘和三角州成煤环境的产物。中段：为 6 号煤层顶至 9 号煤层顶，为一段厚层砂岩间夹薄层泥岩、砂质泥岩及煤层之交互沉积带，中间沉积了 6

9、 号、8 号煤层，中厚砂岩为三角州分流河道沉积，在其两侧洪泛盆地或支流前端，局部地方发育了沼泽，沉积了不稳定的46、8 号煤层。上段：含 4 号煤层，4 号煤层具厚度大，结构复杂，夹多层高岭石夹矸，具低硫的特点，为发育在三角州平原洪泛盆地上的淡水泥炭沼泽，造成夹矸发育，灰份稍高。综上所述，井田主要含煤地层为石炭系上统太原组。其主要特点是含可采煤层多，且厚度大，分布稳定，反映了石炭系太原期在井田一带形成了良好的成煤环境，其广泛分布的泥炭沼泽环境非常适宜植物生长，且延续时间长，从而堆积形成了厚度较大，全区稳定可采的 4 号、9 号和 11 号煤层。 表 2-1 煤煤 层层 特特 征征 表表厚度间距

10、煤层号最小最大平均(m)最小最大平均(m)结构(夹矸)稳定性可采性顶板岩性底板岩性45.1513.6010.57简单复杂(05)稳定全区可采粗砂岩砂质泥岩泥岩炭质泥岩砂质泥岩泥岩粗砂岩37.5253.6544.3998.7018.5512.89较简单极复杂(27)稳定全区可采粗砂岩砂质泥岩炭质泥岩泥岩砂质泥岩粗砂岩112.507.154.5314.8227.2018.57较简单(13)稳定全区可采泥岩砂质泥岩粗砂岩泥岩砂质泥岩粗砂岩2.2.2 构造构造本井田位于二铺向斜东部，井田总体构造为褶曲构造，褶曲开阔平缓。井田内地层总体产状为走向北西，倾向北东和南西，倾角 14。此外，据矿井井下巷道揭露

11、，发现有 2 条正断层。（一）褶曲1、S1背斜位于井田中部，原山西朔州赛格煤业有限公司中部，轴向北西向，向南倾伏，两翼基本对称，地层倾角 14，背斜轴在井田内延伸长度为 3300m。2、S2向斜5位于 S1背斜东部，原山西朔州赛格煤业有限公司东部，轴向北西向，向南倾伏，两翼基本对称，地层倾角 24，向斜轴在井田内延伸长度为 3400m。（二）断层1、F1正断层位于井田南部，走向 NE 倾向 SE，倾角 70，落差 9m。由井下巷道揭露，井田内延伸长度 770m。2、F2正断层位于井田东南，走向 NE，倾向 NW，倾角 70 落差 5m，由井下巷道揭露，井田内延伸长度 350m。2.32.3 矿

12、井水文地质情况矿井水文地质情况2.3.1 井田地表水体及河流井田地表水体及河流井田内无大的河流，由于强烈的侵蚀切割，形成多条黄土冲沟，其上游呈“V”字型，下游是“U”字型。大小沟谷平时干枯无水，唯雨季时才汇集洪水沿沟排泄至七里河。2.3.2 井田含水层井田含水层（1）奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层该含水层组为上马家沟组，据区域地质资料，该层平均厚度约 160m 左右，岩性以石灰岩为主，其次为白云质灰岩、泥灰岩等，其岩溶不太发育，仅见细小的溶孔及裂隙，主要含水层为上马家沟组中上段含水岩组。本次收集了邻近矿山西中煤潘家窑煤业有限公司井田内 PJY-101 号水文孔资料（X=4369613.65，Y=1

13、9614689.90，H=1305.17） ，约距井田南 6.5km 左右，终孔深度 536.65m，抽水试验水位降深 0.36m 时，单位涌水量 3.903L/sm，渗透系数 36.53742m/d，水位标高 1056.67m；矿化度 720.67mg/l，总硬度 475.81mg/l，水质类型 HCO3CaMg，为强富水性含水层。根据此水位标高按 0.2水力坡度推测，本井田内水位标高为 10571058m左右。（2）太原组砂岩裂隙含水层位于 49 号煤层之间，岩性为粗、中、细砂岩、粉砂岩及砂砾岩，厚度约644.00m，沉积稳定，为层间裂隙水，据相邻矿茂华万通源煤矿 407 号钻孔水文地质资

14、料表明，该含水层静止水位 113.68119.71m，水位标高为1262.531268.56m，单位涌水量为 0.00340.0056L/s.m，渗透系数为0.1860.797m/d，为主要含水层，据相邻矿茂华万通源煤矿 232 号水文孔资料揭露，该层静止水位 32.5765.97m，水位标高为 1245.801279.20m。该含水层富水性中等。（3）山西组砂岩裂隙含水层该含水层主要为山西组底部的 K3砂岩含水层和山西组上部两层砂岩的含水层，K3砂岩岩性主要为中粗砂岩，含有砾石，厚约 8.0014.50m，其它上部两层砂岩中、粗、细砂岩，为层间裂隙水，据相邻矿茂华万通源煤矿 232 水文孔和

15、407 钻孔资料，这两层含水层静止水位为 18.0688.27m，水位标高为1293.711321.14m，单位涌水量为 0.00510.10L/s.m。含水层富水性弱中等。（4）下石盒子组砂岩裂隙含水层主要为下石盒子组底部厚层状中、粗砂岩，零星出露于较大沟谷中，其砂岩裂隙发育，钻孔冲洗液漏失严重，据安太堡精查区资料，水位标高1228.211268.40m，地表出露泉水流量 0.0140.33 L/s，为弱富水性含水层。（5）第三、四系砂砾孔隙含水层井田内广泛分布，砂砾层大部位于第三、四系下部，地下水补给来源主要为大气降水，据安太堡精查区资料，该含水层静止水位 10.3211.06m，单位涌水

16、量为 0.0210.041L/sm。含水层富水性弱。2.3.3 主要隔水层主要隔水层主要为本溪组，厚度 30.0050.00m，其中泥质岩岩性致密，细腻，具有良好的隔水性能，为阻隔奥灰岩溶水与上部含水层水力联系的重要隔水层。其次，相间于各砂岩含水层之间厚度不等的泥岩，粘土岩亦可起到一定的层间隔水作用。2.3.4 含水层的补给、径流、排泄条件含水层的补给、径流、排泄条件第四系孔隙含水层主要接受大气降水的补给，向地表及下伏基岩风化壳含水7层排泄。基岩风化壳含水层，主要接受大气降水及沟谷处地表水的补给，局部可以得到第四系孔隙水的补给，通过裂隙向下伏岩层入渗，由于沟谷的切割，局部又以泉的形式排泄。煤系

17、地层各含水层接受上伏含水层的补给顺层运移，在无构造沟通或人为破坏区，各含水层相对独立，水力联系差，地下水主要以层间运移为主。在构造带附近由于裂隙发育，含水层中的水形成垂向补给。下伏奥灰岩溶含水层在井田内无出露，主要接受含水层侧向补给，岩溶水向东南径流至神头泉排泄。2.3.5 井田内老窑水分布情况井田内老窑水分布情况井田内 4、9 号煤层已有大面积采空区，据本次调查，在采空区低洼处，存在不同程度积水。由下面公式估算可知：4 号煤层在山西朔州赛格煤业有限公司煤矿西部20032004 年采空区内积水面积约 S1=24500m2，积水量约 Q1=24747m3；西部20022003 年采空区内积水面积

18、约 S2=14150m2，积水量约 Q2=15293m3；西部19841986 年采空区内积水面积约 S3=15350m2，积水量约 Q3=16590m3；中部19941997 年采空区内积水面积约 S4=11600m2，积水量约 Q4=11717m3；中部19791983 年采空区内积水面积约 S5=18750m2，积水量约 Q5=20265m3；东部19871995 年采空区内积水面积约 S7=11775m2，积水量约 Q7=11893m3。在山西朔州万通源万平煤业有限公司煤矿西部 19921995、2004 年采空区内积水面积约 S6=19475m2，积水量约 Q6=18688m3。9

19、号煤层在山西朔州赛格煤业有限公司煤矿西部 2004 年采空区内积水面积约S1=3375m2，积水量约 Q1=3763m3；西部 19982000 年采空区内积水面积约S2=13250m2，积水量约 Q2=14775m3；西部 19911998 年采空区内积水面积约S3=21475m2，积水量约 Q3=23861m3；西部 2004 年采空区内积水面积约S4=15475m2，积水量约 Q4=17194m3；中部 20032004 年采空区内积水面积约S5=27725m2，积水量约 Q5=22404m3；中部 2000 年采空区内积水面积约8S6=3600m2，积水量约 Q6=3636m3；东部

20、2000 年采空区内积水面积约S9=2800m2，积水量约 Q9=2545m3。在山西朔州万通源万平煤业有限公司煤矿西部 20042006 年采空区内积水面积约 S7=7200m2，积水量约 Q7=9454m3；西部20022006 年采空区内积水面积约 S8=8325m2，积水量约 Q8=9250m3。2.3.6 矿井充水矿井充水条件条件根据井田水文地质条件和该矿目前涌水情况综合分析，本矿井充水因素主要有以下几个方面：（1）充水水源大气降水大气降水入渗量具有明显的季节性，多年周期性的变化规律，且随着降水量的改变而改变，降水入渗对地形低洼浅埋矿床的充水影响明显，本井田内 4 号煤层在井田内埋藏

21、较浅，故采煤时应对雨季大气降水可能产生的充水影响加以防范。地表水井田内均为季节性沟谷，平时沟谷干涸无水，暴雨或长时间降水有短暂洪流，对矿井充水影响较小。采空区积水井田内 4、9 号煤层已有大面积采空区，据本次调查，在采空区低洼处，存在不同程度积水。其它上山有巷道疏排的采空区无采空积水。随着时间的推移，生产规模的扩大及采空区面积的增大，采空区内会有更多的积水，因此建议矿方在临近采空区开采时，应进行探测和疏排，坚持“预测预报、有掘必探（钻探） 、先探后掘、先治后采”的原则，密切注视井下水文地质条件变化等构造的出现，对井下逐日排水量作好观测、记录，若发现异常，立即采取有效措施，防止水害发生。周边矿井

22、采空积水本井田东南部、南部与平朔安太堡露天煤矿相邻，北部与山西朔州平鲁区易9顺煤业有限公司煤矿相邻，北西部与中煤能源股份有限公司安太堡井工矿(平朔三号井工矿)相邻，西部与山西朔州万通源井东煤业有限公司煤矿相邻。平朔安太堡露天煤矿位于本井田下山部位，又是露天开采，无积水，其间亦有井田边界保安煤柱相隔，对本矿生产无影响。山西朔州平鲁区易顺煤业有限公司煤矿位于本井田上山部位，该矿采空区距本矿矿界约 150m，采空区内有积水，积水量为 21300 m3，且留有井田边界保安煤柱，对本矿安全生产影响不大。中煤能源股份有限公司安太堡井工矿(平朔三号井工矿) ，该矿采空区距本矿矿界约 210m，采空区内有积水

23、，积水量为 18600 m3，其间留有井田边界保安煤柱，对本矿安全生产有一定影响。山西朔州万通源井东煤业有限公司煤矿位于本井田下山部位，该矿采空区距本矿矿界约 500m，其间亦有井田边界保安煤柱相隔，对本矿生产无影响。（2）充水通道矿井充水通道包括导水断层、岩层裂隙、采空导水裂隙带、封闭不良的钻孔等。断层4、9 号煤层井下采掘中发现了 2 条断层，开采揭露断层时， ，断层附近地层多有破碎，但现在未发现有渗水现象。在今后开采邻近断层时应加强探放水工作，并留设保安煤柱，以防其导水。封闭不良的钻孔井田内钻孔施工年代已久，封孔情况调查不清，在邻近开采到钻孔附近时应加强探放水工作，并留设保安煤柱，以防其

24、导水。采空导水裂隙带按照国家煤矿安监局 2009 年 9 月颁发的煤矿防治水规定释义 ，井田内4、9 号煤层顶板为中硬岩石，11 号煤层顶板为坚硬岩石，其导水裂隙带采用下列公式计算：10a、4、9 号煤层采用公式：H=2010M b、11 号煤层采用公式：H=3010M 式中：H导水裂隙带高度 m；M 煤层厚度 m。4 号煤层厚度为 5.1513.60m，计算结果为 55.3983.76m。9 号煤层厚度为 8.7018.55m，计算结果为 68.9996.14m。11 号煤层厚度为 2.507.15m，计算结果为 57.4390.22m。通过计算，4 号煤层将来开采后导水裂隙带不会延伸到地表

25、。地表水一般不会通过导水裂隙带进入井下，影响生产。9 号煤层开采后其导水裂隙带延伸到 4 号煤层，使 4 号煤层采空区积水由导水裂隙带涌入到 9 号煤层，因此开采 9 号煤层时，应加强探放水防止 4 号煤层积水对开采 9 号煤层的影响。11 号煤层开采后其导水裂隙带延伸到 9 号煤层，使 9 号煤层采空区积水由导水裂隙带涌入到 11 号煤层，因此开采 11 号煤层时，应加强探放水防止 9 号煤层积水对开采 11 号煤层的影响。2.3.7 矿井水文地质类型矿井水文地质类型井田内批准开采 4#-11#煤层，此煤层均位于太原组，直接充水含水层为太原组砂岩裂隙含水层，含水层属弱含水层。井田内奥灰水位标

26、高为 1057-1058，低于井田内 4、9 煤层最低底板标高，故奥灰岩溶水对煤层开采无影响。综上所述，依据国家煤矿安全监察局、国家安全生产监督管理总局颁发的综上所述，依据国家煤矿安全监察局、国家安全生产监督管理总局颁发的煤矿防治水规定煤矿防治水规定矿井水文地质类型划分依据（见表矿井水文地质类型划分依据（见表 2-2） ，本矿井，本矿井 4、9 号煤号煤层水文地质条件为中等，防治水工作易于进行。层水文地质条件为中等，防治水工作易于进行。表 2-2 矿井水文地质类型类别分类依据简单中等复杂极复杂11含水层性质及补给条件受采掘破坏或影响的孔隙、裂隙、岩溶含水层，补给条件差，补给来源少或极少。受采掘

27、破坏或影响的孔隙、裂隙、岩溶含水层，补给条件一般，有一定的补给水源。受采掘破坏或影响的主要是岩溶含水层、厚层砂砾石含水层、老空水、地表水，其补给条件好，补给水源充沛。受采掘破坏或影响的为岩溶含水层、老空水、地表水，其补给条件很好，补给来源极其充沛，地表泄水条件差。受采掘破坏或影响的含水层单位涌水量 q（L/s.m）q0.10.1q1.01.0q5.0q5.0矿井及周边老空水分布状况无老空积水。存在少量老空积水，位置、范围、积水量清楚。存在少量老空积水，位置、范围、积水量不清楚。存在大量老空积水，位置、范围、积水量不清楚。矿井涌水量（m3/h）年平均 Q1年最大 Q2Q1180（西北地区Q190

28、）Q2300（西北地区Q2210）180Q1600（西北地区90Q1180）300Q21200（西北地区210Q2600）600Q12100（西北地区180Q11200）1200Q23000（西北地区600Q22100）Q12100（西北地区Q11200）Q23000（西北地区Q22100）突水量 Q3（m3/h）无Q3600600Q31800Q31800开采受水害影响程度采掘工程不受水害影响矿井偶有突水，采掘工程受水害影响，但不威胁矿井安全矿井时有突水，采掘工程、矿井安全受水害威胁矿井突水频繁，采掘工程、矿井安全受水害严重威胁防治水工作难易程度防治水工作简单防治水工作简单或易于进行防治水工程

29、量较大，难度较高防治水工程量大，难度高2.3.8 防治水工作建议防治水工作建议依据国家煤矿安全监察局、国家安全生产监督管理总局颁发的煤矿防治水规定 ，山西省政府明令要求资源整合型煤矿开工生产前必须进行水文地质补充勘探工作，对于保障整合煤矿安全，防止与遏止煤矿重特大突（涌）水事故具有极为重要的意义。详细勘察整合煤矿生产矿区及其周边地区老窑采空水的范围及其充水性，是资源整合型煤矿水文补充勘探工作的主要工作123 3 施工方法与技术施工方法与技术3.13.1 测区地质、地球物理特征测区地质、地球物理特征井田位于管涔山东麓，地表大部为黄土覆盖，基岩出露较少，呈现为中低山丘陵地貌。纵观矿区，沟壑纵横，梁

30、峁绵延，植被稀少，总体地势呈南北高，中间低，西高东低趋势，主要由两沟三梁组成，梁面较平缓，沟谷崎曲以北西向为主，次为北东向，呈树枝状，以“U”型谷为主。井田南部为安太堡露天煤矿排土场，为人工堆填形成，较原始地形有 3050 米高差。现根据井田范围内生产实际揭露情况并结合钻孔揭露及邻区资料，对井田内地层由老至新分述如下：奥陶系中统上马家沟组（O2s） 、石炭系中统本溪组（C2b） 、石炭系上统太原组（C3t） 、二叠系下统山西组（P1s） 、二叠系下统下石盒子组（P1x） 、上第三系上新统（N2） 、第四系中上更新统（Q2+3） 、第四系全新统（Q4） 。井田范围内含煤地层为石炭系上统太原组和二

31、叠系下统山西组。太原组含有可采煤层 6 层，即 4 号、6 号、8 号、9 号、10 号、11 号，其中 4 号、9 号、11 号稳定可采。测区位于井田南侧边界，大部分为安太堡露天矿排土所覆盖，该区 4#煤层标高在 12801300m 之间变化，9#煤层标高 12001250m；地面标高约为14251510m。依据已有资料，1 号测区离森泰煤业 4#采空 410 工作面垂向距离约300m，矿方在 4#层内通过钻探探测在边界方向存在不明采空，采空范围和积水性不明，对森泰煤业在该区域的生产布置是个很大的威胁。当煤层未被采动时，地层一般具有成层性和完整性，在小区域内，同一地层的电性差异不会太大。当煤

32、层被采动后，会产生自然的顶板冒落现象，顶板一定范围内岩石垮落松散，在采煤边界，由于采空影响，岩层被剪切破坏，采空上方的岩层会产生沉降，采煤边界会产生裂隙带。煤层被整体开采情况下，顶板上方地层会产生整体相对均匀沉降；当煤层被凌乱开采，保留煤柱较多时会产生不均匀沉降。采动后，地下大致会出现两种状况：其一，就是采动区顶板垮落，采空区为坍塌物和空气充填，无水或水很少，这种情况下一般采空空间的电阻率较围岩高；其二，就是采动区顶板垮落，采空区为坍塌物和水充填，由于水的充填，13将导致采空空间的电阻率较围岩低。本区矿井开采活动暂停时间较久，采空区推断含水，电阻率较正常围岩低。3.23.2 方法选择方法选择

33、地球物理勘探方法的选择要综合考虑勘探任务、测区的地形条件、测区的物性差异、干扰条件、交通便利条件、勘探成本等因素，选择合适的勘探方法。并结合野外试验，验证方法的可行性，选择合理的采集参数。对于本次勘探，方法选择时主要考虑以下几个因素。（1） 地貌上属于低山丘陵地貌，地表为黄土覆盖，地形起伏较大，沟壑纵横；（2） 本次勘探的任务是分析测区采空范围及采空的富水性；（3） 探测目标体深度在 150250m 范围内，属于中等深度；（4） 测区范围存在高压输电线路、通讯电缆等人文干扰。本次勘探的任务是探测采空积水性，探测采空的地球物理方法可以采用地震、直流电法、瞬变电磁、重力、可控源音频大地电磁法等方法

34、，但对于富水性以及风氧化带的探测，有效的方法还是电法类，也就是直流电法、瞬变电磁、可控源音频大地电磁法。瞬变电磁法对含水体非常敏感、受地形影响小、探测深度中等、施工效率高，为本次勘探的最优选择，本次探测采用大定源回线装置。3.33.3 瞬变电磁法瞬变电磁法3.3.1 瞬变电磁法原理瞬变电磁法原理瞬变电磁法（简称 TEM 法）是利用发射回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场，而用接收线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应产生的二次涡旋电磁场的空间和时间分布规律，来解决有关地质问题的时间域电磁勘探方法。瞬变电磁法的激励场源主要有两种，一种是载流线圈或回线，另一种是接地电极。目前，使用较多的是回线场

35、源。发射电流的脉冲波形可为矩形波、三角波、和半正弦波等，不同波形有不同的频谱，激发的二次场频谱也不相同。多数仪器采用阶跃脉冲作为激发场源（相当于矩形脉冲后沿） ，即在回线中供以0, 00,)(ttItI的电流。在电流断开前，发射电流在回线周围的大地和空气中建立起一个稳定的磁场，如图 3-1 所示。14t0 xzTx图 3-1 矩形回线中输入阶跃电流产生的磁力线在 t=0 时刻，将电流突然断开，由该电流产生的一次磁场将随之消失。一次场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，将在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会立即消失。由于介质的欧姆损耗，这

36、一感应电流将迅速衰减，由它产生的磁场也随之迅速衰减，这种迅速衰减的磁场又在其周围的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流。这一过程持续下去，直至大地的欧姆损耗将磁场能量消耗完毕为止。这便是大地中的瞬变电磁过程，伴随这一过程存在的电磁场便是大地的瞬变电磁场。zxt0Txt=t 12t=t t=t 3图 3-2 半空间的等效涡流环M.N.Nabighan 曾指出，任一时刻地下涡流电场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，该环状线电流挨近发射回线，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，并逐渐变形为圆电流环。图 3-2 给出了发射电流关断后三个

37、不同时刻地下等效电流环的示意分布。从图中可以看出，等效电流环很象从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此，人们将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”。 15对于导电率为、导磁率为的均匀各向同性大地，在其表面敷设半径为 a0的圆形发射回线， “烟圈”的半径 r、深度 d 的表达式分别为：202)/(8atcrttd0/4式中，。546479. 0282c当发射线圈半径相对于“烟圈”半径很小时，可得，07. 1tanrd47即“烟圈”将以 47角的圆锥面向外、向下扩散，其向下传播速度为：ttdv02由以上公式可以看出，地下感应涡流向下、向外扩散的速度与大地导电率有关，导电性越

38、好，扩散速度越慢。也就是说，在导电性较好的大地上，能在更长的延时后观测到大地瞬变电磁场。从“烟圈效应”的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变地磁场主要是由深部的感应电流产生的，反映深部的电性分布。因此，观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电性的垂向变化，这便是瞬变电磁测深的原理。从傅立叶变换理论可知，一个脉冲电磁波可视为许多不同频率的谐变电磁波的组合，而一个脉冲电磁场感应产生的二次时变电磁场便是由许多不同频率的谐变电磁场感应产生的二次谐变电磁场的组合。由此可见，TEM 与观测谐变电磁场的频率域电磁法（FEM）同属于研究二次涡流场的方法，

39、二者有许多共同点，两种方法的物性基础都是电阻率的差异,物理原理都是电磁感应定律，可以使用多种同样的装置类型。但与 FEM 相比，TEM 可以在没有一次场背景的情况下观测纯二次场异常，因此，可以使用同点装置,从而使体积效应、旁侧影响大大减小，而分辨率大大增强。TEM 没有 FEM 中的主要噪声源装置耦合噪声，一次场不稳定、地形起伏和收发点位误差对观测结果的影响都将大为减小。3.3.2 瞬变电磁法优点瞬变电磁法优点瞬变电磁法是基于电性差异，利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲电磁场，利用线圈或接地电极观测二次涡流磁场或电场的方法。瞬变电磁法主16要的工作方式是剖面法、测深法，基本装置形式有重

40、叠回线装置、中心回线装置、偶极装置、大定源回线装置等。由于瞬变电磁法观测的是二次场，其具备时间上的可分性，即不存在一次场源的干扰；同时具备空间上的可分性，即相应时间二次场中的不同频率成分在地层中的传播速度不同，传播深度也不同。基于以上两种可分性，瞬变电磁具有以下特点：（1） 对低阻良导体具有很强的敏感性；（2） 在高阻围岩地区不会产生地形起伏引起的假异常；在低阻围岩地区，由于是多道观测，早期道的地形影响较容易分辨；（3） 有穿透低阻覆盖层的能力，探测深度大；对线框点位、方位要求相对宽松，施工效率高。3.43.4 测线、测点布置测线、测点布置本次瞬变电磁勘探测区范围由业主方森泰煤业有限公司与中国

41、矿业大学根据勘探任务以及测区物探工作程度共同确定，解决测区范围内采空区范围。测线、测点的布置根据已有资料、瞬变电磁勘探要求、仪器设备能力等因素综合考虑布置。首先，要求测线长度应包括一定范围的正常背景场，尽可能与已知区域相衔接，有利于资料的后续处理解释；其次，测线的方位尽量保证能与推测异常保持垂直，测线延伸到能追踪到正常地层；第三，测线、测点距离由探测目标体的深度、最小异常的尺度、测区干扰程度决定。本次探测勘探区 0.74km2，在探测范围内设计 13 条瞬变电磁法测线，测线线距 30m，点距 20m。为了保障勘察精度，对于地表地形起伏比较大的区域进行加密测量。测区共设计试验点 20 个，生产点

42、 1339 个，检查点 61 个，共计瞬变电磁物理测点数为 1420 个。3.53.5 仪器设备仪器设备高精度、高灵敏性、高可靠性的地球物理仪器是保障探测效果的前提，对于瞬变电磁法要求仪器具备以下基本要求：(1)由于瞬变电磁响应随时间衰减极快，接收机应具有较大的动态范围，以满足不同噪声水平弱瞬变电磁有效信号检测的需求；(2)测区内有高压电线、村庄，可能会存在较大的人文噪声，要求仪器抗干扰能力强，施工方式灵活；17(3)对于中等深度或深部勘探，为保证深部地质体瞬变电磁响应的有效识别，要求仪器灵敏度高，发射机电流大。针对以上要求，为了更好地完成勘探任务，本次勘探工作选用了加拿大产PROTEM67D

43、 瞬变电磁勘探系统，它是目前国内外瞬变电磁勘探中最先进的仪器系统，主要性能参数为：最大供电电流 25A积分时间 0.25120S增 益 2026 倍采样道数 20/30同步方式 石英钟同步/参考线同步动态范围 29bits(175db)输出电压 18V150V 连续可调接收线圈 三分量接收探头(有效面积 200；三分量接收可有效分辨各种干扰和地下异常体,提高精度和分辨率；可采用各种装置,施工灵活、高效)工作温度： -30C 到+50C该系统重量轻，施工灵活、周期短、不受地形条件限制，是目前国际最先进的瞬变电磁勘探系统。PROTEM67PROTEM67 发射机发射机这是最大功率的发射机，可替代

44、TEM37。它不仅发射功率比 TEM37 大（67-3800W，37-2800W），而且具有以前的时间域发射机所不及的灵活性。 18TEM67 采用配备了分离电源摸板的 TEM57-MK2 发射机和大型发电机(4，500W）。这就是说，增加一个 TEM67 电源摸板并配备一台大型发电机，就可将 TEM57-MK2 升级为 TEM67。反之，如果对某些勘查任务而言无需开足TEM67 的功率，则可只使用 TEM57-MK2，从而大大减轻重量。 配备 3 维接收线圈的 PROTEM67，是一种理想的探测深埋低阻矿体的剖面电磁法仪器，勘探深度超过 500m；与 BH43-3 测井探头搭配使用可进行 2

45、Km 井深的时间域测井。 PROTEM67 也是一种理想的深部测深电磁法仪器，其勘探深度大于 1000m。PROTEMPROTEM 瞬变电磁仪接收机瞬变电磁仪接收机 对于一般的地质勘探而言，时间域电磁观测系统是一种新的，经常采用的方法。为适应广泛的应用范围内，要求观测系统要有很宽的带宽和很多个采样门。PROTEM 接受机适合于所有的瞬变电磁法应用领域。具有 23 位分辨率，270KHz 带宽，微秒级的采样门以及 XYZ 三分量同时观测的 PROTEM 接受机，是时间域电磁系统的最佳的选择。 最新的 PROTEM 接受机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。

46、如果在三个量级时间轴上观测 30 个门，可以节省开关频率和重复观测。如果在二个量级时间轴上观测 20 个门，可以降低观测时间 10 倍。进一步完善的接受机可以进行全时间段的、包括关断时间的自动观测。PROTEM 瞬变电磁仪可以和上述三种类型中的任意一种配合使用。其重要特点有以下几个方面：1.大动态范围，达 23 位。这大大提高了信噪比，降低了对增益和基频变化19的要求。2.对每个基频均可选择 20 或 30 个记录道（时间门），使纪录衰减的开关频率达到最小。 3.可同时纪录瞬变场三个分量（X、Y 和 Z）的接收机。 4.自动测量“开”和“关断”时间。 5.早期测量从 6s 开始，可获得进地表信

47、息。 6.三分量井中测量。7.在地面同时测量瞬变场三分量（X、Y 和 Z）的接收线圈。8.接收机中的每个窗口均可进行直到 99 次的叠加观测，比称之为“聪明叠加技术”。9.对于 5m 到 1500m 探测深度也可选择多匝发射线圈。10.接收机可以存储大量纪录，直到 25,000 个（选项）3.63.6 施工组织与质量保障措施施工组织与质量保障措施为了实现“安全、高效、高质”的工作目标，我们制定了项目经理、技术负责、技术员三级责任管理体系。项目经理为生产安全、生产进度、生产纪律第一责任人，负责制定安全生产规章制度、生产纪律规定，以及安排生产进度。技术负责人承担野外作业设计，组织员工进行技术培训，

48、解决施工中出现的技术问题，验收野外资料。单项技术员负责各自技术口的作业质量，按作业要求做好各阶段工作。外业期间，由项目经理、技术负责、23 技术员组成的项目委员会做好每日考核、资料验收、当日总结、次日工作安排等工作，及时处理现场出现的问题，依照工作进度适时向业主汇报。高质量的外业数据是地球物理勘探准确性的前提，为了保障采集的原始数据符合质量要求，依据地面瞬变电磁法技术规程规范 （DZ-T0187-1997）特制定以下质量保障措施：(1)在无法收集到物探资料的工作区域，在正式生产之前，应首先进行生产试验工作。试验工作的目的是了解矿区内已知矿体上的异常响应特征、外来电磁噪声电平及干扰特征、检查工作

49、精度、测网密度、工作装置及回线边长等选择是否合理；(2)对员工定期进行技术培训与安全教育，使其熟练掌握各单项操作技能，20具备简单的安全救护能力。严格执行各项规章制度，对违反安全规定和生产纪律的员工进行处罚，屡次不改者清理出项目组；(3)依据地质任务合理选用仪器，应考虑仪器技术性能的主要指标有:能适应的工作装置;发送机的最大工作电压及电流;接收机的时窗范围，通频带宽度，动态范围，灵敏度及同步方式等；(4)所有仪器设备应有专人负责，严格按说明书规定使用、维护和管理。每日施工前应对仪器进行检查，出现隐患、故障及时排除；(5)接收站的布置应避免靠近强干扰源以及金属干扰物的地方。不得在上万伏高压线下布

50、设发送站及接收站，有必要时允许弃点。敷设线框时，不得将剩余导线留在绕线架上，应将其呈S型铺于地面。布线时允许在方向线左右有所摆动，但摆动幅度不得大于回线边长的5%;实际线框角点与线框角点的标志(测桩)的点位误差应小于5%。点位误差应小于5%；(6)导线联接处应接触良好，严禁漏电。野外用的电线应定期检查绝缘性，绝缘电阻应大于2 M以上;供电导线的总电阻值应能保证所敷设回线的供电电流满足设计要求。当导线通过水田、池塘、河沟时，应予架空防止漏电;当导线横过公路时，应架空或埋于地下以防绊断压坏。架空的导线应拉紧防止随风摆动； (7)曲线出现畸变时，应查明原因后，重复观测;必要时，可移动点位避开干扰物源

51、重测，并作详细记录。遇异常点，突变点时，应重复观测，必要时应加密测点。若曲线衰变慢时，应扩大测道时间范围重复观测。每个测点观测完毕后，操作员应对数据和曲线进行全面检查，合格后方可搬站；(8)为了对成果的可靠性作出较客观的评价，布置35%总工作量数目的检查点，检查单应全区均匀分布，对异常地段、可疑点、突变点重点检查；214 4 现场数据采集与质量评价现场数据采集与质量评价本次勘探采用大定源回线装置，大定源回线装置布设大线圈作为发射线框，在距发射线框边框 1/3 距离用接收框接收电磁信号，其工作示意图如下：采用大定源回线装置有如下优点：a、此种装置能够在完成地质任务的前提下，提高工作效率；b、受地

52、面作物影响较小，只需布设大线框就可以测量线框内部很多点，效率较高。图 4-1 大定源内回线装置探测采空区示意图4.14.1 试验工作试验工作不同的测区、不同的目的层埋深、不同的地质任务所选用的工作方法及施工参数不同，合理选择仪器工作方法、施工参数是完成勘探目的任务的关键，以此为目的进行了本探测区的试验工作，在项目野外数据采集工作正式开始之前，于2012 年 7 月 12 日首先进行了一天的试验工作。1、对发射频率的选择试验为了选择合理的施工参数，在测区的 40 线 0100 测点试验段，利用边长为360m360m 发射框，分别对 25Hz 与 6.25Hz 两个频点进行了试验，从结果中可以看出

53、 25Hz 发射频率的关断时间明显短于 6.25Hz，且其最大采样时间达到6ms，满足勘探深度要求的同时浅层盲区较 6.25Hz 要小。因此，为了满足设计要22求，发射频率选择 25Hz 更合适。图 4-2 40 线 60 测点 6.25Hz 衰减曲线图图 4-3 40 线 60 测点 25Hz 衰减曲线图2、对瞬变电磁发射线框边长进行试验在确定发射频率为 25Hz 后，又分别做了 360m360m、480m480m 发射框边长试验，发射频率为 25Hz，以确定发射框边长。23图 4-4 发射框边长 360m360m 频率 25Hz 衰减曲线图 4-5 发射框边长 480m480m 频率 25

54、Hz 衰减曲线实验所得数据表明：从总体来看，各发射框边长的 25Hz 的衰减曲线都比较好，用 360m360m 的线框和 480m480m 的线框进行对比， 360m360m 的线框能达到勘探目的层的深度，而 480m480m 的线框也能到达勘探目的层的深度，但浅部数据丢失太多（见图 4-6） 。因此，为了满足设计要求，选用 360m360m的线框更合适。24101001000101001000101001000101001000图 4-6 40 线 60 点 25Hz 不同线框的反映（左为 360m、右为 480m）3、对瞬变电磁发射电流的确定本次勘探目的层深度不大，根据以往经验，当发射电流

55、5A 时，即可满足深部信噪比要求，本次探测发射电流为 15A，可以满足本次勘探要求。试验结论试验结论通过对瞬变电磁野外试验数据的综合分析，确定了本次野外工作的施工参数，该项目部得出了如下结论： 瞬变电磁发射线框边长 360m360m； 变电磁发射频率 25Hz； 瞬变电磁发射电流 15A。4.24.2 工作量统计工作量统计本次地面瞬变电磁法勘探始于 2012 年 7 月 12 日，终于 2012 年 7 月 31 日，采用大定源回线工作装置。测线、测点按方格网布置，勘探区线距 30m，点距20m，共布置瞬变电磁生产测点 1339 个；依据地面瞬变电磁法技术规程规范（DZ-T0187-1997）

56、 ，在测区按总物理点 5%布置检查点，共 61 个点，检查点在测区均匀布置。详见图 4-7 瞬变电磁实际材料图。25图 4-7 地面瞬变电磁法实际材料图264.34.3 数据质量检查与评估数据质量检查与评估对照地面瞬变电磁法技术规程规范 （DZ-T0187-1997） ，我们对全区地面瞬变电磁观测结果进行了评级。在所完成的 1400 个总物理点中，乙级物理点67 个，全区无废品，甲级物理点 1333 个，甲级率 95.2%，数据质量总体为优。为评价野外数据采集质量，地面瞬变电磁法共布置检查观测点 61 个，检查观测曲线与原始观测曲线的一致性良好。视电阻率均方相对误差的计算公式如下： (1)ni

57、nsisisi12)(21式中：为第 i 点的原始观测值；si为第 i 点的检查观测值；si为和的平均值；n 为检查点数。issisi全区检查点总均方相对误差为 6.4%，远高于规范中“均方相对误差的总平均值小于 15%的要求。275 5 数据处理与数据处理与成果图件绘制成果图件绘制5.15.1 数据整理与编辑数据整理与编辑对实测资料处理和解释，按照如图 5-1 及 5-2 的流程进行。图 5-1 原始数据编辑流程图图 5-2 资料解释流程图资料预处理包括关断时间的影响及其校正。理论发射波形为阶跃波，实ffot际工作中由于发射线框与大地间存在电容和线框存在电感，致使发射电流关断时，不为阶跃波，

58、而为一个有一定后沿时间的关断波形。故必须将其校正到理确 定 TEM 反 演 初 值TEM 反 演地 质 解 释绘制拟断面图计算曲线资 料验 收地质资料分析资 料预处理钻 孔资料分析TEM 正演视纵向电导解释28想波形状态。预处理的第二个内容为曲线的圆滑。由于各类干扰的影响，往往使实测 V/I曲线尾枝出现波动，为此必须对实测曲线进行圆滑。通常可采用五点圆滑公式进行，但当尾枝波动过大时，常常效果不佳。本次采用自编的人机对话程序对曲线进行圆滑。5.5.2 2 成果图件成果图件绘制绘制在数据预处理后，通过反演计算得到各测点的地层电阻率值以及深度值，利用这些数据，采用 GoldenSurfer 软件以及

59、物探数据三维可视化系统对成果数据进行整理，绘制电阻率断面图、电阻率平面等值线图、以及等值线三维切片图、瞬变电磁探测成果图等图件。6 6 资料资料解释解释勘探区位于森泰煤业南侧边界，地面为中煤平朔排土场，地下与中煤平朔井工四矿相邻。勘探区的 4#、9#煤层近水平，倾角很小，小于 4，煤层底板标高整体呈东高西低、北高南低，在东西向的 1250m、1500m 范围为背斜、向斜转换部位。依据森泰煤业提供的资料，森泰煤业在勘探区内没有采煤活动，最近的工作面 410 工作面离勘探区垂直距离 280m。而森泰煤业在 4#层采用钻探方法探测边界方向有煤层采空区存在，范围不详，给森泰煤业在该区域的生产布置带来了难题。依据本勘探区的煤层底板地势特征，若地层正常且不存在大规模导水通道、煤层正常情况下，勘探区域的地下水径流方向应该是东北-西南方向，电性特征上东、北应稍大于西、南地层。图 6-1 为地层标高 H=1260m、1280m、1300m 的电阻率平面图，该范围基本上是 4#煤层的埋藏范围。从图