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瞬变电磁在引黄工程上的应用

2009-05-22 12:32:16

序  言

       山西省万家寨引黄工程是一项跨流域的大型引水工程,位于山西省北部,从万家寨水利枢纽取水,分别向太原、大同、朔州供水,整个工程分为万家寨水利枢纽、总干线、北干线、南干线和联接段五部分。北干线1#隧洞自下土寨分水闸起,洞线经贾堡、乃河堡、虎头山、大梁水库、井坪、崔家岭、安太堡等,在马鞍山村西的中沟湾北岸坡脚处出口,洞长43.9km。隧洞穿过的地层为古生界寒武系、奥陶系、石炭系、新生界第三系、第四系等,围岩岩性大部分为灰岩,局部地段有砂岩、泥岩、页岩、煤层、N2粘土、黄土等。隧洞通过煤矿采空区,由于无法避开,部分洞段从采空区上部通过或接近采空区。因此,当采空区上部岩体产生变形、塌陷时,将对线路安全产生重大的影响。
为了进一步查明引黄北干线1#隧洞煤矿古空区及现采空区的现状及对引水隧洞的影响,需对采空区进行综合探查工作。根据调查和井下实测资料综合分析,选定对引水线路有严重影响的崔家岭~石崖湾煤矿段采空区进行物探工作,范围为洞线桩号**+****(坐标X:***** Y:*****至桩号43+609.342(坐标X:**** Y:37****),勘探面积为1900×400m。山西省引黄工程总公司委托山西煤炭地质工程勘察研究承担本次综合勘察任务,5月30日下达了委托书,6月10日签订了合同。
基于上述,山西煤炭地质工程勘察研究院详细分析引黄北干线1#隧洞勘察任务后,针对地面物探工程的任务和技术要求,组织有关物探、地质、测量人员十几名于6月7日~7月20日在测区进行了野外地质调查、地面电法和测量工作。经室内大量的资料处理,结合地质调查和收集资料的分析、论证,做出了科学的勘察结论,按期提出《引黄北干线1#隧洞崔家岭段煤矿采空区综合地质勘察报告》。
 

第一章    概  况

第一节  目的和任务

根据水利部山西水利水电勘测设计研究院确定的引黄北干线1#隧洞采空区物探工作探测范围为洞线桩号41+704.897(坐标X:***** Y:*****)至桩号43+609.342(坐标X:*****Y:*****),勘探面积为1900×400m。洞线两侧宽度200米的禁采线范围内,局部地段的洞线两侧宽度可根据实际情况适当调整。具体要求是:
1、调查地表变形和建筑物变形的特征和分布规律,如:地表塌陷、台阶、裂缝的分布、规律以及它们和地质构造、开采边界、工作面推进方向的相互关系;
2、查明采空区的空间分布(平面位置、埋深)和采空区容积;
3、查明采空区顶板岩层冒落带、裂隙带、变曲带分布情况和已发生的沉降量(率)、残余沉降量;
4、落实煤层厚度、开采时间、范围、深度和开采方法,确定煤炭采出率;
5、查明地表移动盆地是否形成及其性状、特征,并划分出中间区、内边缘区和外边缘区,确定地表移动和变形的特征值;
6、查明采空区及其附近的抽水和排水情况,以及地下水赋存情况;
7、提供与采空区影响评价有关的其它参数和情况。

第二节  位置与交通

一、位置
测区位于宁武煤田的北部,平朔矿区的中部,行政区划属朔州市平鲁区白堂乡,其范围东起七里河西,东北的安太堡二号露天矿与之毗邻,东南与安家岭露天矿相连,西北~东南长1.9km,西南~东北宽0.4km,面积0.76km2(图1-1)。
二、交通
测区交通方便。东南距北同蒲铁路线约12km2,沿线有神头、大新、朔州3个车站,北距大同130km,南至太原226km。区内有神头沿马关河,大新至安太堡一号露天矿延至木瓜界矿运煤专用线。公路有大运二级公路通过测区南部,另外大同-朔州-平鲁-右玉-大同环形公里,每天有班车运行,各乡镇间也有简易公路可通,交通十分便利(图1-1)。

第三节  自然地理

一、地形地貌
测区属黄土丘陵台地,全区地势为北高南低,北部安太堡一号露天矿的排土场为最高点,形成一个近100米的人工平顶山,海拔标高为1430米,南部最低点的海拔标高为1250米,相对最大高差为180米,一般海拔标高1300米左右。
二、水文
本区河流属海河流域,永定河水系。区内的主要河流为马关河和七里河,均自北向南汇入桑干河。这些河流平时迳流甚小,甚至干涸,雨季山洪爆发,来势凶猛,历时短暂,冬季冰冻枯竭,迳流期主要为雨季及解冰期。区内泉水数量不多,多为季节性下降泉,涌水量不大。
三、气象
本区属大陆性半干旱气候,其特点是:冬季严寒,夏季凉爽,春季风大,据气象站多年观测资料,年平均将雨量为449mm,最高757.4mm,最低195.6mm。降水量多集中在7、8、9三个月,占全年降水量75%。日最大降水量87mm~153mm,连续最长降水时间达13天。气温较低,日年平均气温4.8~7.5℃,最高气温38.2℃,最低气温-32.4℃,一般日温差为18~25℃。风向以西北风为主,风力一般为3~4级,最大为6级。霜冻期为当年9月下旬至次年5月,最大冻土深度1.25米。
四、地震
据国家地震局的划分,本区的地震烈度为七度。据《山西通志》及《朔县志》记载,公元144年至1683年间,本区曾发生过14次地震,其中512年、849年、1291年3次地震最为强烈,造成房屋倒塌,人畜死伤数千。

第四节  矿井及小窑

测区中部及测区以南共有生产煤窑3座,分别为崔家岭煤矿、石崖湾煤矿和马蹄沟煤矿,均为1985年左右所建,乡镇经营,采煤方式为房柱式开采法,绞车或皮带提升运输。井型全为斜井,坡度不等,各生产煤矿均采用矿灯照明,机械化排水和通风,都达到了安全生产的要求。井下水文地质条件简单,顶板易管理,一般均无水,但崔家岭煤矿处于白家辛窑向斜的轴部,矿井涌水量较大。
本区煤层厚度大,埋藏较深,在100米以上,由于开采技术的限制,无古窑存在。

第二章    地质及地球物理特征

第一节  地质概况

一、地层
测区绝大部分被新生界覆盖,仅沟谷中有上、下石盒子组、山西组地层出露。石炭系、奥陶系地层为钻孔揭露。
现由老至新将本区地层叙述如下。
(一)奥陶系
中统马家沟组(O2m):顶界至山西式铁矿之底,主要岩性为暗灰色、深灰色结晶灰岩、泥晶灰岩、白云质灰岩夹薄层状白云岩。中夹棕黄色具黄色斑点的豹皮灰岩。
(二)石炭系
1、中统本溪组(C2b):顶界为K2砂岩之底,底界为山西式铁矿底,与奥陶系上马家沟组呈平行不整合接触,厚度31~55m,平均39m。主要岩性为灰色、深灰色砂质泥岩、粉砂岩及1~2层铝质泥岩,中夹1~2层深灰色灰岩及1层浅灰色中细砂岩。上部有时夹1层不稳定煤线。
2、上统太原组(C3t):顶界K3砂岩之底,底界K2砂岩之底,与下伏本溪组地层整合接触,厚度68~109m,平均80m。主要岩性为深灰、灰黑色砂质泥岩、泥岩,灰白色、灰色砂岩,夹薄层泥灰岩和灰岩。含高岭石粘土矿(岩),呈透镜体分布。含煤6~10层,其中可采煤层5~6层,为本区主要含煤层段,属海陆交互相沉积。
(三)二迭系
1、下统山西组(P1s):顶界K4砂岩之底,底界K3砂岩之底,与下伏太原组地层连续沉积,厚度41~89m,平均56m。岩性为深灰色砂质泥岩、泥岩和灰白色砂岩。砂质泥岩中含菱铁矿结核,局部可富结成层,中下部有1~3层煤线,唯最下一层3#煤赋存范围较大,层位稳定,中上部含2~3层高岭石粘土矿(岩)。底部K3砂岩为浅灰色厚层状中粗粒砂岩,本组中上部有1~2层厚层状中、粗粒砂岩或含砾砂岩。
2、下统下石盒子组(P1x):顶界K6砂岩之底,底界K4砂岩之底,与下伏山西组地层连续沉积,厚度65~95m,平均76m。岩性主要为灰色、灰黄色砂岩,灰色、灰绿色砂质泥岩、泥岩,下部有时夹煤线,顶部常见杂色鲕状结构之铝质泥岩,上部岩层以黄绿色为主,有时夹灰紫色斑状之砂质泥岩、粉砂岩,下部岩层以黄绿色-灰黄色为主,砂岩交错层理发育,多含砾。
3、上统上石盒子组(P2s):底界K6砂岩之底,与下伏下石盒子组地层连续沉积。本组地层出露不全,厚度0~60.06m,平均36.30m。岩性为灰紫色与黄绿色砂质泥岩、泥岩及粉砂岩互层。中夹灰黄色巨厚状粗砂岩,底部夹砂砾岩透镜体,厚达10m。
(四)新生界新第三系上新统(N2
本统地层在本区内分布零星,厚度不大,仅数米,局部可达50m以上,岩性主要为棕红、深红色粘土及亚粘土,粘土中常见钙质结核,钙质结核发育地段可串联成层状。与下伏地层为角度不整合接触。
(五)新生界第四系(Q)
岩性主要由黄土浅红色亚粘土,黄色亚砂土,河床沉积物组成。黄土、亚砂土、亚粘土多分布于梁峁,黄土具垂直节理,亚粘土可见钙质结核。河床沉积物分布于各沟谷中。本地层在区内厚度变化较大,和含风化岩屑的砂层及黄土,未胶结,含钙质结核,厚0~70米,与下伏地层为角度不整合接触。
二、煤层
测区的含煤地层为本溪组、太原组和山西组。太原组为区内的主要含煤地层,共含可采及局部可采煤层9层,主要可采煤层为4#、9#煤层。
4#煤在部分地区分为两个独立煤层,上分层4-1号煤,全区稳定可采,厚8.02~18.92米,平均13.90m,位于太原组顶部,顶板一般为K3中、粗砂岩,底板多为泥质砂岩及粉砂岩。结构复杂,含夹石3~5层,岩性多为泥岩或砂质泥岩。下分层4-2号煤,一般厚1.61~6.71米,平均4.05m,结构较简单,含夹石2~3层,顶板多为粉砂岩或砂质泥岩,底板多为泥岩、砂质泥岩。
9#煤层全区稳定可采,厚8.22~19.46m,平均12.21m,厚度变化无规律可寻。结构复杂,含夹石3~9层,岩性多为砂质泥岩及炭质泥岩,顶底板均为泥岩或炭质泥岩。
此外,11#煤除西北部局部尖灭外,普遍赋存,最厚达8.72米,一般厚4米左右。
各煤层均属气煤,原煤灰分较高,原煤4#煤属特低硫煤,9#煤为中硫煤。
三、地质构造
测区地质构造简单,在芦子沟背斜、白家辛窑向斜等一些较大的向背斜控制下,伴有次级波状起伏,地层倾角一般在10°左右,仅在南部边缘及较大断层附近,地层倾角较大。
区内的褶曲有芦子沟背斜和白家辛窑向斜,芦子沟背斜位于测区南部,轴向为南西向,两翼不对称,西翼平缓,倾角5°以下,东翼陡,倾角15~25°。白家辛窑向斜位于测区中南部,轴向为北25°东,两翼倾角基本一致,均较平缓,倾角5°左右,南部东翼倾角略大于西部。
区内落差较大的断层有3条,为安家岭逆断层、马蹄沟断层及崔家岭煤矿揭露的F1断层。安家岭逆断层从马蹄沟煤矿的矿界内通过,延伸长度6.4km,倾向东南,倾角10~40°,断距40~60m,大致是西端大东端小。马蹄沟断层位于崔家岭煤矿和石崖湾煤矿之间,走向北东,倾向东南,倾角60°,断距15m左右。崔家岭煤矿揭露的F1断层位于七里河西岸,走向北西,倾向东北,倾角60°,断距24m左右。
四、水文地质
区内的含水层组可分为奥陶系中统石灰岩岩溶含水层组,石炭、二迭系砂岩裂隙含水层组和第四系河谷冲积、洪积层孔隙潜水含水层。
奥陶系岩溶含水层为区内主要含水层,接受补给条件好,富水性强。
石炭、二迭系砂岩裂隙含水层组,含水层以中、粗砂岩为主,接受补给条件相对较差,富水性弱,单位涌水量一般在0.001~0.05L/s.m变化,白家辛窑向斜轴部的富水性相对较好,单位涌水量可以达到1L/s.m左右。
第四系河谷冲积、洪积层孔隙潜水含水层,主要接受大气降水补给,沿七里河由上游往下游,含水层厚度增大,富水性增强。上游单位涌水量一般在0.01~0.07L/s.m,下游的单位涌水量则达2L/s.m以上。

第二节  地球物理特征

不同的岩石具有不同的物性特征,根据测区已有钻孔的测井资料中测井曲线及数据,岩石的物性特征如下表:
 
岩性
视电阻率
Ω·.M
密度
g/cm3
放射性
γ
煤层
250-800
1.4-1.6
8-22
粗砂岩
100-220
2.0-2.6
10-15
中砂岩
200-300
2.0-2.6
15-20
细砂岩
180-270
2.0-2.6
20-25
粉砂岩
100-150
2.0-2.5
25-30
砂质泥岩
30-100
2.0-2.5
30-35
粘土泥岩
20-50
2.0-2.4
35-40
炭质泥岩
160-200
2.0-2.4
35-40
泥岩
30-100
2.0-2.4
35-40
高岭岩
327-390
2.4-2.4
35-40
灰岩
586-1008
2.4-2.6
4-10
采空区
1000以上
/
60
从上表可以看出,对于煤层来说,由于煤层特殊的物理性质,以及厚度大的特点,当采空区存在时,视电阻率值将会发生明显的变化。因此,采用电法勘探探测采空区是有物理前提的。
表中可以看出,采空区的放射性均与不同的地层存在明显的差异。因此可采用氡气测量技术探测采空区的位置与范围。

第三章    工作方法与工程量

本次勘察采用地质调查与物探相结合的手段,通过收集分析测区的地质资料,调查煤矿的开采情况和地表变形情况,对物探工作所确定的异常区进行科学的分析解释,去伪存真,真正达到本次勘察的任务和要求。

第二节  物探工作

根据所确定的具体任务与最终目的,结合工作区的地形、地质等情况,采用了地面测氡法与瞬变电磁法相结合的探测手段(确定采空区和巷道),并辅以直流电法(确定深度)。
一、试验工作
试验工作的主要目的是了解勘探区的地电条件、施工条件、干扰背景以及煤层采空、采空积水的地球物理特征等,通过试验工作的有效性,以便选择最佳工作方法和装置参数;试验工作遵循由已知到未知、由简单到复杂的原则进行;试验线选择在已知的采空区、距离测区较近、具有代表性的地段进行。
试验线布置在测区南部平坦的河床上,为已知的崔家岭煤矿采空区。测线长280m,点距10m,测氡、瞬变电磁法和直流中梯三种都进行了试验。瞬变电磁法进行了5×5、10×10米两种线框装置试验。
从试验线测氡剖面图(见51页)分析,曲线在6#点和20~24#点出现高值异常,异常值在50~90计数/3分钟,推断为采空区与正常地层的边界;从试验线瞬变电磁多测道电压剖面图(见52页)分析,采用5×5的线框较好,曲线在9~23#点出现低电压异常,推断为采空区;从试验线直流中梯剖面图(见53页)分析,曲线在9~23#点出现高值异常,异常值在120~150Ω.M,推断为煤矿采空区。
通过试验工作可知,上述三种方法的解释结果与已知情况相符,说明采用测氡、瞬变电磁和直流电法探测采空区十分有效,所选择的装置形式、技术参数较为合适,能满足本次探测的需要。特别是通过本次试验工作,取得了采空区的“高氡值、高电阻率”异常特征,可以作为下一步资料解释的依据。
三、仪器设备
仪器主要功能特点如下:
(1)强场源:由于应用脉冲压缩技术(专利)故而使供电电流由十年前研制的原LC系统的200A提高到1200A(国外同类仪器供电电流最大为32A),极大的增强了信噪比和勘探深度。
(2)以便携机为主体,具有多种实时处理功能,采用软硬件结合方法压制和补偿50Hz工业电流干扰,补偿仪器零点漂移,剃除输入信号的最大误差值,数字滤波,任意次数叠加,替位平均,各种平滑处理,多测道的疏密平均等。
(3)仪器测量部分选用高速16位A/D,采用高精密的芯片以及快速比较器组成“一次到位”的浮点放大器,使系统的总精度优于0.5%,满足详查指标的要求,仪器备有自校零功能,在测量时间内,仪器零点漂移被完全补偿,工作非常稳定。
(4)抗工业电流干扰功能和排除噪声有极强的压制作用,以软、硬件结合的方法,研制出一套效果非常良的抗扰系统,加之1200A供电所增加的信噪比,使得抗扰能力达到80db,可以应用在强工业电流干扰地区,优于国外同类仪器将近一个级次。
    仪器主要技术指标如下:
    A、供电部分
⑴供电电流:1200A
⑵供电脉宽:4ms、8ms
    ⑶脉冲前后沿延时:小于10μs
    ⑷供电次数:1、4、8、16、32
    B、接收部分 
⑴便携机主控
⑵总增益:16384倍
⑶浮点阶:128倍
⑷输入动态:140db
⑸A/D:16Bit
⑹分辨率:0.1μV
⑺抗扰能力:>60db
四、工程布置及工作量
(一)测线布置
根据物探工程技术要求,测线的布设方法是:将测线布成20×10米的网格,线距20米,点距10米,测线以洞线为中心,方向垂直洞线的方向。测氡和瞬变电磁的扫面工作完成后,通过室内资料初步处理解释,在异常地段48~96线的1#点、10#点、21#点上进行了直流中梯测量,点距为10m,并在21#点的中梯测线上布置了测深点,点距为40m。(详见实际材料及成果图)。

第四章    物探资料的处理与分析解释

第一节  资料的整理

在资料处理之前,先进行了资料的整理工作。
1、将测线、测点重新排序、编号、原始数据重新备份。
2、整理各测线端点的坐标,将测线展布在实际材料图上。
3、将收集到的各矿采矿边界,主、副井口位置皆展布到实际材料图上。
4、将收集、调查的巷道采掘平面图、采空塌陷区展布在相对应的透明图上,以备分析解释时使用。

第三节  资料分析解释

一、地面氡气测量
测氡资料分析解释包括各测线氡值剖面曲线和等氡值平面图分析解释。
1、各测线氡值剖面曲线分析解释
通过对全部测线分析对比、总结出了测区内采空区的曲线特征。分析表明:测区1~40测线受安太堡矿排土场的影响较大,出现不规律的高值异常;采空区在曲线上的反映较明显,采空区的边界处往往出现单峰高异常,但异常幅度有限。由于测线较多,分析解释过程相同,只选取部分有代表性的曲线加以分析。
8测线氡值剖面图(见54页)上,1~6点、21~35点出现两处氡值高异常,异常值在40~50个计数/3分钟变化,结合实际情况,分析为排土场的不均匀体影响造成的。
22测线氡值剖面图(见55页)上,1~17点、26~35点出现的氡值高异常,异常值从50~100个计数/3分钟变化,结合实际情况,分析为排土场的不均匀体影响造成的。
30测线氡值剖面图(见56页)上,在24~33点处的双高峰氡值异常及40点处的高峰异常,异常值最高为140个计数/3分钟,结合实际情况,分析为排土场的不均匀体影响造成的。
48测线氡值剖面图(见57页)上,4~21点、30~39点出现两处氡值异常,异常值在40~60个计数/3分钟变化,结合实际情况,分析4~21点为煤矿采空区的反映,31~32点为F1断点的反映。
52测线氡值剖面图(见附图5)上,1~28点、32~33点出现两处氡值异常,异常值在40~60个计数/3分钟变化,结合实际情况,分析1~28点为煤矿采空区的反映,32~33点为F1断点的反映。
64测线氡值剖面图(见附图5)上,1~28#点出现氡值异常,异常边界为单峰,异常值在40~60个计数/3分钟变化,分析为煤矿采空区所致。
72测线氡值剖面图(见58页)上,1~14点、21~29#点出现两处氡值异常,异常值在40~70个计数/3分钟变化,分析为煤矿采空区所致。
88测线氡值剖面图(见附图5)上,1~5点、8~25#点出现两处氡值异常,异常值在40~70个计数/3分钟变化,分析为煤矿采空区所致。
90测线氡值剖面图(见59页)上,1~15点处出现氡值异常,异常值在50~80个计数/3分钟变化,分析为煤矿采空区所致。
2、等氡值平面图分析解释
测氡等值平面图反映了氡值在平面上的变化情况,从等值线的异常特征上可以推断出断层、采空区等地质现象。根据试验线的结果及测区内氡值统计可知,基线数值在10~40个计数/3分钟,采空区的氡值异常值在40~90个计数/3分钟,以此作为分析解释测氡资料的依据。
从测区测氡等值平面图(见附图8)可以看出,1~41测线有几处高值异常,异常区的规律性较差,为测区内露天矿排土场不规则的堆积物造成的;48~58测线1~26#点、62~72测线20~32#点、62~69测线1~11#点、72~81测线1~19#点及88~96测线1~15#点处出现高值闭合圈,形态为方形或椭圆形,与采空区的形态相似,为煤矿采空区所致。
二、地面瞬变电磁法
通过对瞬变电磁多测道电压剖面图的分析表明:在安太堡露天矿排土场曲线由早期道到晚期道呈现出不规律的变化,多出现单个低电压异常,幅度较大,为表层的堆积物影响造成的,采空区在曲线上的反映较明显,晚期道出现一定宽度的低电压异常,或高低相间的一组异常。由于测线较多,分析解释过程相同,只选取部分有代表性的曲线加以分析。
8测线多测道电压剖面图(见60页)上,3、11、17点处从早期道到晚期道出现低电压异常,分析为地表的不均匀体所致。
22测线多测道电压剖面图(见61页)上,8、14、25~26点处从早期道到晚期道出现低电压异常,分析为地表的不均匀体所致,37点处从早期道到晚期道出现高电压异常,异常幅度较大,分析为地下的供水铁管反映。
48测线多测道电压剖面图(见62页)上,1~4、7~21点处从7~14道出现低电压异常,分析为地下深部采空区的反映,31、39点处从早期道到晚期道出现高电压异常,异常幅度较大,分析为地下供水铁管及铁质良导体的反映。
49测线多测道电压剖面图(见63页)上,1~9、15~23点处从4~14道出现低电压异常,分析为地下深部采空区的反映。
52测线多测道电压剖面图(见附图5)上,1~16点处从4~15道出现低电压异常,分析为地下深部采空区的反映,31点处从早期道到晚期道出现高电压异常,异常幅度较大,分析为地下供水铁管的反映。
63测线多测道电压剖面图(见64页)上,1~18点处从4~14道出现低电压异常,分析为地下深部采空区的反映。
64测线多测道电压剖面图(见附图5)上,1~16、19~26点处从4~12道出现低电压异常,分析为地下深部采空区的反映,30、38点处从早期道到晚期道出现高电压异常,异常幅度较大,分析为地下供水铁管及铁质良导体的反映。
69测线多测道电压剖面图(见65页)上,4~10、12~28点处从4~13道出现低电压异常,分析为地下深部采空区的反映,其中17点处从早期道到晚期道出现高电压异常,异常幅度较大,分析为地下铁质良导体的反映。
72测线多测道电压剖面图(见66页)上,1~14、17~26点处从4~14道出现低电压异常,分析为地下深部采空区的反映,39点处从早期道到晚期道出现高电压异常,异常幅度较大,分析为地下供水铁管的反映。
88测线多测道电压剖面图(见附图5)上,5~14点处从4~14道出现高低相间电压异常,分析为地下深部采空区的反映,31点处从早期道到晚期道出现高电压异常,异常幅度较大,分析为地下供水铁管的反映。
    三、地面直流电法
1、中间梯度剖面曲线
根据试验线的解释结果,并对所测中梯曲线的视电阻率值进行了统计,统计结果表明,基线在50~70欧姆·米变化,即为正常地层(未采区),高值异常基本是100~150欧姆·米,为采空区的反映,异常幅度是正常地层的2~3倍,并以此为依据对中间梯度剖面曲线进行了分析。
51~94测线1点中间梯度剖面曲线(见67页)在56~61、68~72测线出现两处高值异常,异常值在100~150欧姆·米变化,幅度较高,推断为采空区的反映。
51~95测线10点中间梯度剖面曲线(见68页)在56~62、66~73、76~80、84~89、92~95测线出现五处高值异常,异常值在100~120欧姆·米变化,幅度较高,推断为采空区的反映。
52~96测线21点中间梯度剖面曲线(见附图4)在52~71测线出现一组高值异常,中间夹三个低阻段,高值异常在100~120欧姆·米变化,幅度较高,推断为采空区的反映;76~82、89~93测线出现两处组高值异常,异常在80~90欧姆·米变化,幅度较小,推断为正常地层的反映。
2、视电阻率测深曲线
对所测点的视电阻率曲线进行类型划分,曲线类型同为HA型,但曲线本身还存在一定的差异。相同点是曲线都出现一极小值点,极小点的位置在20~40米之间,反映了浅部覆盖层的深度。不同点是曲线尾支的上升角度存在一定差别,同一深度的视电阻率值也有较大差异。例如,60线的21#点,尾支以34°的大角度上升,同时视电阻率也较高,推断为4#煤层采空造成的大角度、高阻值现象,是典型的采空区上测深曲线;88线的21#点,尾支以24°的角度上升,同时视电阻率也较低,推断为正常地层的反映。
3、等视电阻率断面图
为了便于对测深曲线进行横向和纵向上的比较,绘制了52~96线21#点的等视电阻率断面图(见附图4)。从等视电阻率断面图上可以看到,浅部30m左右,等值线出现低阻半闭合圈,推断为基岩风化带的反映;30~150m等值线呈水平状,较为稀疏,说明此段地层稳定,180~210m等值线在56~72线处出现高阻半闭合圈,推断为4#煤层采空区的反映。210~240m等值线呈水平状,地层趋于稳定。
需要说明的是,视电阻率测深曲线和等视电阻率断面图主要是确定测区的岩性和深度,采空区的圈定主要以其它方法为主。
四、综合分析解释
综合分析解释的原则是:采用了各种参数重合较好、规律性好的异常,排除了参数反映不一致、规律性差的异常,如安太堡露天矿排土场处的异常。
根据对测氡、瞬变电磁、直流中梯和测深的综合解释,主要确定了两处采空区和一个断层。两处采空区在测氡、瞬变电磁和直流电法参数吻合较好,为“高氡值、高电阻率”的特征,解释的采空区范围一致,其中Ⅰ采空区处于测区中部,面积较大,Ⅱ采空区的面积较小,均无充水现象。具体情况详见成果表。需要说明的是,采空区的范围包括了采煤过程中留设的煤柱和巷道。
解释成果与已知的、山西水利设计院调查的煤矿采空区相比,有较大的差别,采空区范围明显大于调查的情况,其中Ⅰ采空区与调查情况相似,但原来桩号42+889.342~43+159.342以南100米处的未采区,现查明为采空区;Ⅱ采空区为以往调查所没有的、本次查明的采空区。详见综合勘察成果图。
解释成果表
 
位置
桩号位置
面积(m2
埋深(m)
充水
情况
与1#洞线关系
Ⅰ采空区
46~72测线的1~26#
42+579.342~
43+139.342
130000
170
通过
Ⅱ采空区
76~96测线的4~17#
43+209.342~
43+609.342西南50m
45100
150
距洞线50m
断层
距洞线60m
 
 
30
 
 
 
另外,根据测氡、瞬变电磁和直流电法的综合解释成果绘制了Ⅰ-Ⅰ’推断地质剖面图,根据测氡和瞬变电磁的综合解释成果绘制了Ⅱ-Ⅱ’、Ⅲ-Ⅲ’、Ⅳ-Ⅳ’推断地质剖面图。

第六章    结  论

本次崔家岭段煤矿采空区综合勘察工程采用了地质与物探相结合的手段,在地质调查的基础上,应用了测氡、瞬变电磁法和直流电法对测区内的采空区进行了探测,作出了综合解释,并通过地质力学计算分析,为采空区对1#隧洞的影响作出了科学的评价。
一、取得的成果
1、通过野外实地调查,没有发现与采空区相关的地表变形或裂缝;
2、通过走访、调查的形式,落实了崔家岭煤矿、石崖湾煤矿和马蹄沟煤矿的开采情况;
3、应用测氡、瞬变电磁法和直流电法综合物探方法查明了测区内两个采空区和一条断层的空间分布,Ⅰ采空区与山西水利设计院调查研究的情况基本相符,Ⅱ采空区为新查明采空区。各种方法对采空区的解释吻合较好,可信度较高,对断层解释以测氡为主,与井下揭露的情况吻合较好;
4、收集了测区岩石的物理力学参数;通过计算得出了最大沉降量为3581.2mm,残余沉降量为265mm,导水裂隙带高度约为55.6米,及隧洞稳定性相关的参数;
5、根据物探的探测成果和地质计算分析的结论,目前所探测的采空区对1#隧洞的影响不太明显。建议在施工时密切监视采空区上方(隧洞下方)受工程施工影响而造成岩体内部的活化。
6、桩号42+889.342~43+609.342的未批采区,在煤炭资源日趋减少情况下,可能成为煤矿越界超采的对象,应与当地政府联系,加强对1#隧洞附近煤矿的管理,控制越禁采线开采的现象。
二、存在的问题
1、工作区地形复杂,如公路、铁路及建筑物,对本次野外工作存在一定的影响;
2、高压线、公路和安太堡露天矿排土场对测量数据存在一定的影响,如在高压线附近瞬变电受干扰较严重,安太堡露天矿排土场处测氡数据偏高,但通过多方法的互补性可以弥补这方面的不足;
3、施工期内雨水较多,使得工期延迟近十几天。
4、由于本次工作量大,时间紧,探测工作难免有不详尽之处。
鸣谢:本次探测工作得到了引黄工程总公司、山西水利设计院、平鲁煤管局、安家岭露天煤矿、安太堡露天煤矿、山西煤田水文地质二二九队以及太原理工大学矿业工程学院领导的大力支持,在此表示衷心的感谢。
 
山西煤炭地质工程勘察研究院
二○○三年八月
测线中心点21#坐标及高程表
                   
测线中心点21#坐标及高程表
                                 
(略)
测线中心点21#坐标及高程表
(略)
测线端点坐标及高程表
(略)
测线端点坐标及高程表
 
(略)
测线端点坐标及高程表
(略)
测线端点坐标及高程表
(略)
测线端点坐标及高程表
(略)
 
附    图 
附图1:综合勘察成果图(1:2000)
附图2:实际材料及成果图(1:2000)
附图3:4#煤层底板等高线图(1:5000)
附图4:Ⅰ-Ⅰ’综合推断地质剖面图(1:2000)
附图5:Ⅱ-Ⅱ’、Ⅲ-Ⅲ’、Ⅳ-Ⅳ’综合地质剖面图(1:2000)
附图6:3#钻孔柱状图(1:200)
附图7:529#钻孔柱状图(1:200)
附图8:测氡等值平面图(1:2000)
 
 
 引黄工程北干线1#隧洞崔家岭段煤矿采空区
综合地质勘察报告
 
 
山西煤炭地质工程勘察研究院
二○○三年八月十日
 
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