物理勘探在S公司實(shí)際工作中的綜合應(yīng)用研究目錄TOC\o"1-2"\h\u22599物理勘探在晉牛公司的綜合應(yīng)用 根據(jù)山西省政府關(guān)于“資源整合、聯(lián)合改造、淘汰落后、優(yōu)化結(jié)構(gòu)”的煤炭政策，山西晉煤集團(tuán)臨汾晉牛煤礦投資有限責(zé)任公司經(jīng)山西省煤礦企業(yè)兼并重組整合工作領(lǐng)導(dǎo)組辦公室以晉煤重組辦發(fā)【2009】88號(hào)文《關(guān)于臨汾市堯都區(qū)煤礦企業(yè)兼并重組整合方案的批復(fù)》，晉牛煤礦由6個(gè)礦（臨汾中煤建刁尚溝煤礦有限公司、山西臨汾來宏煤業(yè)有限公司、山西臨汾堯都東太煤業(yè)有限公司、山西臨汾郭家莊煤礦有限公司、山西臨汾老君煤礦有限公司、山西臨汾鑫浩煤業(yè)有限公司）和空白區(qū)組成。生產(chǎn)規(guī)模0.90Mt/a。批準(zhǔn)開采2～11號(hào)煤，區(qū)內(nèi)9、10、11號(hào)煤層合為一層，估算保有資源儲(chǔ)量102.41Mt。本井田位于山西省霍西煤田霍州礦區(qū)南西部。井田為基巖半裸露區(qū)，在溝谷及山梁出露奧陶系中統(tǒng)峰峰組、石炭系中統(tǒng)本溪組、石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組及下石盒子組、二疊系上統(tǒng)上石盒子組地層、第四系分布于山梁及溝谷兩側(cè)。經(jīng)調(diào)查，本井田周邊2、9+10+11號(hào)煤層有5座小窯開采歷史。小窯破壞區(qū)積水、積氣對(duì)本礦下一步開采有威脅。采用的物探方法為礦井瞬變電磁法超前探測和礦井地震法（一）瞬變電磁原理及特點(diǎn):瞬變電磁法或稱時(shí)間域電磁法（簡稱TEM），它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。簡單地說，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應(yīng)定律。其基本工作方法是：于地面或空中設(shè)置通以一定電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次電磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流：斷電后，感應(yīng)電流由于損耗而隨時(shí)間衰減。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，深度??；而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，深度大。通過測量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場隨時(shí)間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。在電導(dǎo)率為σ，磁導(dǎo)率為μ0的均勻各相同性大地表面附設(shè)面積為S的矩形發(fā)射線圈，如圖所示。在回線中供以的階躍脈沖電流。在電流斷開之前，發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間建立起一穩(wěn)定的磁場。在t=0時(shí)刻，將電流突然斷開，由該電流產(chǎn)生的磁場也立即消失。一次場的這一劇烈變化通過空氣和地下導(dǎo)電介質(zhì)傳至回線周圍的大地中，并在大地中激發(fā)出感應(yīng)電流以維持發(fā)射電流斷開之前存在的磁場，使空間磁場不會(huì)立即消失。由于介質(zhì)的歐姆損耗，這一感應(yīng)電流將會(huì)迅速衰減，這種迅速衰減的磁場又在其周圍的地下介質(zhì)中感應(yīng)出新的強(qiáng)度更弱的渦流，這一過程場繼續(xù)下去，直至大地的歐姆損耗將能量消耗完為止。這便是大地中的瞬變電磁過程場，伴隨這一過程場存在的電磁場就是大地的瞬變電磁場。應(yīng)該指出，由于電磁場在空氣中傳播的速度比導(dǎo)電介質(zhì)中傳播的速度大得多，當(dāng)一次電流斷開時(shí)，一次場的劇烈變化首先傳播到發(fā)射回線周圍地表各點(diǎn)，因此，最初激發(fā)的感應(yīng)電流局限于地表。地表各處感應(yīng)電流的分布也是不均勻的，在緊靠發(fā)射回線一次磁場最強(qiáng)的地表處感應(yīng)電電流最強(qiáng)。隨著時(shí)間的推移，地下的感應(yīng)電流便逐漸向下、向外擴(kuò)散，其強(qiáng)度逐漸減弱，分布趨于均勻。美國地球物理學(xué)家M.N.Nabighan對(duì)發(fā)射電流關(guān)斷后不同時(shí)刻地下感應(yīng)電流場的分布進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，感應(yīng)電流呈環(huán)帶分布，渦流場極大值最先位于緊靠發(fā)射回線的地表下，隨著時(shí)間的推移，該極大值沿著與地表呈30o傾角的錐形斜面向下、向外移動(dòng)，強(qiáng)度逐漸減弱。圖1-1地下感應(yīng)電流環(huán)帶分布圖當(dāng)發(fā)射機(jī)Tx和和接收機(jī)Rx開機(jī)并由電纜連接時(shí)，Tx便在Tx回線中產(chǎn)生重復(fù)的電流。表示這種電流的一個(gè)循環(huán)圖形。一個(gè)循環(huán)的時(shí)間稱為Tx周期并用T表示。在循環(huán)的開始，Tx回線中的電流從0上升到由“電流控制旋鈕”所設(shè)定值，并保持該值不變，然后經(jīng)1/4Tx周期后，電流終止，并在Tx關(guān)斷時(shí)（T/OTime）電流降至0。Tx的關(guān)斷時(shí)間即T/Otime，在圖3-2中用T/OTime表示。關(guān)斷時(shí)間的形狀近似于線性斜坡。該斜坡的長短由Tx回線的尺寸決定。圖1-2發(fā)射的T電流隨時(shí)間變化曲線Tx電流在下一個(gè)T/4間隔內(nèi)要保持為0。這個(gè)間隔我們稱之為測量周期（measurementperiod）。在測量周期的末端，下半周Tx循環(huán)開始；下半周循環(huán)包含著與上述相同的序列，即電流上升、穩(wěn)態(tài)、關(guān)斷，接著進(jìn)入測量周期。下半周循環(huán)的唯一特點(diǎn)是Tx回線中的電流沿反方向流動(dòng)。在T/O時(shí)間內(nèi)回線中電流的跌落，使得在Tx回線周圍形成隨時(shí)間變化的磁場。這個(gè)磁場在地下感應(yīng)出渦流。在T/O時(shí)間之后的瞬間，該渦流被限制在Tx回線之下的地表附近。隨著時(shí)間的增加，渦流從Tx回線向下和向外擴(kuò)散。同時(shí)，這種擴(kuò)散的渦流又形成了衰變的二次磁場。這樣，不斷測量這種衰變的二次磁場，就可以逐漸增加對(duì)地下的勘探深度。圖1-3接收的Rx電壓隨時(shí)間變化曲線由于Tx在地下感應(yīng)的渦流迅速衰減，并形成隨時(shí)間變化的二次磁場，這個(gè)磁場在Rx接收線圈中感應(yīng)出衰變的電壓（瞬變電壓）。信號(hào)電纜把此瞬變電壓傳輸給接收機(jī)Rx的輸入端。Rx接收機(jī)按20個(gè)（或30個(gè)）時(shí)間序列間隔，對(duì)上述瞬變場進(jìn)行采樣，并分析和記錄該瞬變場的特點(diǎn)，如圖所示。僅僅在Tx電流降至0的時(shí)間，門才開始測量瞬變電壓。門是自動(dòng)設(shè)間隔的，以便填滿測量周期。門的寬度和瞬變電壓由下圖所示。門的寬度隨時(shí)間按指數(shù)增加。早期門（1，2，3…）是窄的，以便在瞬變場變化最快的早期階段能精確地測量它。后續(xù)的門（…，18，19，20）是很寬的，因?yàn)樵谕砥陔A段瞬變場衰減的慢。理想上，應(yīng)該在T/O斜坡之后，立即就開啟第一門。然而，由于Tx電流要有一個(gè)很短的輔加時(shí)間才能降至0，所以采樣要在T/O之后略晚一點(diǎn)開始。圖1-4接收機(jī)的門與時(shí)間的關(guān)系礦井瞬變電磁法基本原理與地面瞬變電磁法一樣，采用儀器和測量數(shù)據(jù)的各種裝置形式和時(shí)間窗口也相同。由于礦井瞬變電磁法勘探環(huán)境的限制，測量線圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般深度在160m左右。但由于深部有效數(shù)據(jù)量相對(duì)淺部較少，可靠程度相對(duì)較低一些，在100m范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)量最大，100-140m范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)次之，140-160m的數(shù)據(jù)量及信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)較弱。地面瞬變電磁法為半空間瞬變響應(yīng)，這種瞬變響應(yīng)來自于地表以下半空間地層；而礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應(yīng)，這種瞬變響應(yīng)是來自于回線平面上下（或兩側(cè)）地層，這對(duì)確定異常體的位置帶來困難。實(shí)際資料解釋中，必須結(jié)合具體地質(zhì)和水文地質(zhì)情況綜合分析。礦井瞬變電磁法與地面瞬變電磁法相比具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：①由于井下測量環(huán)境不同與地表，不可能采用地表測量時(shí)的大線圈（邊長大于50m）裝置，只能采用邊長小于3m的多匝小線框，因此數(shù)據(jù)采集工作量小，測量設(shè)備輕便，工作效率高，成本低；②由于采用小線圈測量，點(diǎn)距更密（一般為10m），降低體積效應(yīng)的影響，提高勘探分辨率，特別是橫向分辨率。③井下測量裝置距離異常體更近，大大提高測量信號(hào)的信噪比，實(shí)際測量結(jié)果說明，井下測量信號(hào)的強(qiáng)度比地面同樣有效面積的相同裝置測量的信號(hào)強(qiáng)10-100倍。井下的干擾信號(hào)相對(duì)有用信號(hào)近似等于零（大于30ms時(shí)間段），而地面測量信號(hào)在衰減到一定時(shí)間段（一般小于15ms）就被干擾信號(hào)覆蓋，無法識(shí)別有用異常信號(hào)。④地面瞬變電磁法勘探一般只能將線圈平置于地面測量，而井下瞬變電磁法可以將線圈置于巷道底板測量，探測巷道底板下一定深度內(nèi)含水異常體垂向和橫向發(fā)育規(guī)律，也可以將線圈直立于巷道內(nèi)，當(dāng)線圈面平行巷道掘進(jìn)前方，可進(jìn)行超前探測；當(dāng)線圈面平行于巷道側(cè)面煤層，可探測工作面內(nèi)和頂、底板一定范圍內(nèi)含水低阻異常體的發(fā)育規(guī)律。（二）礦井震法儀原理及特點(diǎn)：井下探測使用華安奧特（北京）科技股份有限公司開發(fā)的YTZ1礦用本安型地震儀。YTZ1礦用本安型地震儀基于反射地震勘探原理，采用巷道多次覆蓋觀測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，通過能量分解與合成、波場分離、深度偏移等處理技術(shù)，長距離獲取巷道不同方位不良地質(zhì)體（斷層、陷落柱、結(jié)構(gòu)薄弱面等）的位置與形態(tài)。YTZ1礦用本安型地震儀采用先進(jìn)電子技術(shù)與嵌入式操作系統(tǒng)，保證了地震數(shù)據(jù)的高保真獲取及智能管理，為保障礦井掘進(jìn)巷道安全提供有力支持。儀器特點(diǎn)為無線同步，無線升級(jí)、精準(zhǔn)的觸摸屏操作、整套設(shè)備攜帶方便、激發(fā)方式為錘擊震源、數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像、采樣速率為156.2K，能夠很好地采集到高頻地震信號(hào)，有利于提高分辨率和煤礦地質(zhì)構(gòu)造探測效果、在數(shù)字模擬電路上采用變頻技術(shù)，保證檢波器采集到的高低頻特性的一致性。在儀器上保證脈沖式子波接受，對(duì)采集到的信號(hào)具有高保真特點(diǎn)、在采集設(shè)備的基礎(chǔ)上植入計(jì)算機(jī)觸屏操作和數(shù)據(jù)軟件處理，可實(shí)時(shí)實(shí)地分析所測地質(zhì)區(qū)域是否存在地質(zhì)構(gòu)造及異常表現(xiàn)形式、無線同步技術(shù)即降低了整套設(shè)備的系統(tǒng)延時(shí)，也解決了煤礦井下巷道空間小施工困難的現(xiàn)場工作問題、對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，可實(shí)時(shí)實(shí)地分析所測地質(zhì)構(gòu)造情況、通過無線同步測量數(shù)據(jù)、升級(jí)儀器軟件等功能。技術(shù)指標(biāo)為電池組最高開路電壓：≤9.6V、震法儀額定工作電壓：DC7.2V、A/D轉(zhuǎn)換器：24位、A/D采樣速率：156.2K

、探測深度：80m、工作時(shí)長：大于4小時(shí)、通道數(shù)：單通道、采樣間隔：全波采樣、同步方式：無線、有線兩種、采樣時(shí)長：600ms、動(dòng)態(tài)范圍≥120dB、記錄長度：≤600ms、前放增益：40dB。物理勘探在晉牛公司的應(yīng)用（一）瞬變電磁法在現(xiàn)場中的應(yīng)用YCS160礦用本安型瞬變電磁儀超前探測方向6個(gè)，分別是3個(gè)橫向探測方向（與巷道順層呈30°夾角向前方頂板探測、順巖層方向向前方探測、與巷道順層呈30°夾角向前方底板探測）（如圖1（a）），和3個(gè)縱向探測方向（左幫45°、迎頭0°、右?guī)?5°）（如圖1（b））。每個(gè)橫向探測方向布置橫向探測角度14個(gè)（如圖2（a）），分別是左側(cè)幫（180o、165o、150o、135o、120o、105o）、正前方（90o、90°）、右側(cè)幫（0o、15o、30o、45o、60o、75o），3個(gè)橫向探測方向共布置42個(gè)探測角度；縱向探測方向布置13個(gè)探測角度（如圖2（b）），分別是頂板（90°、75°、60°、45°、30°、15°）、正前方（0°）、底板（-15°、-30°、-45°、-60°、-75°、-90°）。（a）橫向探測（b）縱向探測圖2-1瞬變電磁法探測方向示意圖（a）橫向探測（b）縱向探測圖2-2瞬變電磁法探測角度示意圖（二）震波單點(diǎn)法在現(xiàn)場中的應(yīng)用根據(jù)測區(qū)探測條件與目的要求，設(shè)計(jì)采用地震勘探中的反射波多次覆蓋與多點(diǎn)疊加超前探測方法對(duì)巷道進(jìn)行超前隱伏小構(gòu)造探測研究。1.反射波多次覆蓋觀測系統(tǒng)在進(jìn)行多次覆蓋地震勘探工作前，首先布設(shè)一條反射排列，通過探測記錄了解探測區(qū)下伏、正前方及左右側(cè)介質(zhì)層的賦存狀況與地震地質(zhì)條件等，為正確選擇現(xiàn)場工作方法及觀測系統(tǒng)采集參數(shù)提供依據(jù)。當(dāng)界面埋深為h，反射波的時(shí)距曲線方程為：設(shè)界面傾角為，測點(diǎn)法線深度為h，則時(shí)距方程為：其激發(fā)與接收系統(tǒng)的震源和檢波器布置方式如圖3。圖2-3震源與檢波器的布置示意圖然后在探測區(qū)布設(shè)測線，設(shè)計(jì)采用多次覆蓋觀測系統(tǒng)，使用單邊激發(fā)的工作方式，采集時(shí)，6道同時(shí)接收，偏移距10～50m，道間距2～5m，每次激發(fā)采集后，激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)依次向前移動(dòng)1～5m，實(shí)現(xiàn)探測區(qū)內(nèi)反射波的6次覆蓋。此項(xiàng)工作擬在工作面進(jìn)、回風(fēng)巷道內(nèi)構(gòu)造異常區(qū)段開展。采用錘擊震源方式作為地震波激發(fā)源。圖2-4示出多次覆蓋觀測系統(tǒng)的震點(diǎn)與接收點(diǎn)沿測線移動(dòng)方式。圖2-4激發(fā)點(diǎn)與接收排列移動(dòng)示意圖2.多次疊加超前探測在掘進(jìn)巷道撐子面附近進(jìn)行多次疊加超前探測，設(shè)置對(duì)稱或不對(duì)稱測線進(jìn)行探測，多點(diǎn)激發(fā)，盡可能多地采集地震數(shù)據(jù)，并按一定規(guī)則進(jìn)行校正處理后，進(jìn)行多次疊加，在疊加剖面上解釋判別探測前方構(gòu)造或異常地質(zhì)體的發(fā)育狀況。

探測成果圖及解釋（一）瞬變電磁探測成果綜合成果圖：圖3-1探測成果疊圖（二）礦井地震法超前探測剖面圖圖3-2礦井地震法超前探測剖面圖（三）探測成果解釋1.瞬變電磁法中順層發(fā)現(xiàn)高阻異常，推測為前方預(yù)計(jì)存在煤巖層傾角變化較大或煤巖層破碎。2.地震波法探測結(jié)果中，19m、25.8m、36.6m、41m出現(xiàn)異常區(qū)域，推測為地質(zhì)異常體，結(jié)合采掘工程圖煤層底板等高線推斷預(yù)計(jì)前方煤巖層傾角有變化。建議礦方嚴(yán)格遵守“有掘必探”的原則，進(jìn)行探放水設(shè)計(jì)施工，并在掘進(jìn)過程中注意巷道頂板、順層內(nèi)溶洞發(fā)育及空巷含水情況，按防治水規(guī)定進(jìn)行水害防范。礦井生產(chǎn)過程中及時(shí)反饋鉆探或掘進(jìn)揭露的地質(zhì)信息，完善測區(qū)內(nèi)物探資料的地質(zhì)解釋。鉆探驗(yàn)證結(jié)果及效果分析經(jīng)公司探放水隊(duì)現(xiàn)場鉆探驗(yàn)證，前方鉆探過程中出現(xiàn)見矸現(xiàn)象，經(jīng)調(diào)整角度后見頂?shù)装?，鉆探成果分析