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中國礦井物探網 - 礦井地質 - 淮南礦區底板灰巖水電法探測模擬實驗研究
 
 
淮南礦區底板灰巖水電法探測模擬實驗研究
信息來源:網站編輯部   添加日期:2016-2-14   瀏覽次數:3803
摘 要:在淮南礦區,A組煤底板灰巖水一直是威脅煤炭生產的主要安全隱患,因此準確探、放底板灰巖水對該區煤礦安全生產具有重要指導意義。通過分析淮南礦區前期地質勘查資料,以潘二礦V東02孔和C3-Ⅲ孔典型剖面為依據建立了三層狀數值模型,模擬該區底板含水異常體。在改變裝置類型及測線極距條件下,利用電阻率及極化率兩個電性參數進行數值模擬研究。數值模擬結果表明:異常體深度相對較深或電極數量有限時,優先選用三極裝置;采用小電極距可以有效提高垂直分辨率;極化率對異常體響應程度弱于電阻率。同時為提高研究程度,建立了室內工程場地模型,并選擇溫納三極裝置進行實驗,結果表明,視電阻率和視極化率的大小與水量的關系比較明顯,該方法有助于對底板灰巖水的評價。
關鍵詞:物理模擬;數值模擬;底板灰巖水;電阻率;極化率;直流電法
0 前言
    我國能源結構的特點是“以煤為主”。煤炭在我國一次性能源生產和消費中占主導地位。煤礦的安全生產問題是煤炭工業發展的制約因素,其中礦井水害是常見的礦井地質災害之一,特別是水文地質條件類型為復雜類型的礦井,易于發生礦井突水等事故,嚴重威脅煤礦的安全生產,甚至造成人員傷亡。當開采煤層底部直接與水壓、富水量大的底板灰巖含水體相連,或者煤層與底部的灰巖含水層之間的隔水層較薄時,在礦井采動的影響下,容易發生礦井底板突水,導致礦井涌水量猛增甚至淹井事故的發生。準確地查明巷道底板水特別是底板灰巖水賦存分布范圍,對工作面進行防治水工作、消除突水威脅、保障工作面安全合理開采,具有重要的指導意義[1-5]
    目前物探技術是礦井防治水主要技術之一,礦井水文物探方法[6,7]主要有直流電法、瞬變電磁法、音頻電透視法、無線電波透視法等。通過對在開采區采前和采動過程巾的地電場響應變化特征的分析,對探測區域導水地質構造及水量進行實時動態探測或監控,可以預測預報礦井災害水源的水量的大小。
1 礦區地質概況
    淮南煤田位于華北平原南緣,為近東西向的復向斜構造盆地。區域地質構造屬秦嶺緯向構造帶的東部傾伏端,復向斜盆地南北兩翼殘丘起伏,零星裸露奧陶、寒武系以石灰巖為主的地層。水文地質條件受區域構造及新構造運動的控制,深、淺層地下水存在明顯的差異[8]。
    根據水文地質條件的不同,可將本區劃分為南、北、中三個水文地質分區。南區地處復向斜南翼推覆構造的前緣,位于阜鳳與舜耕山逆沖斷層之問,屬其上沖異地系統,包括八公山和舜耕山等低山丘陵。淮南老區生產礦井全部集中在南區,南區是以石灰巖為主的巖溶裂隙含水層裸露區,接受大氣降水補給;北區包括明龍山與上窯兩個丘陵地區,受尚塘集~明龍山逆沖斷層制約,水文地質條件與南區近似;中區是復向斜的主體,分布有陳橋背斜和潘集背斜,包括東自潘集西至謝橋、劉莊各井田,因上覆有巨厚的新生界松散層,又受南北兩翼逆沖斷層和斜切斷層的切割,構成了淮河以北特有的水文地質單元,地下水以儲存量為主,水質屬C1-K+Na型,礦化度2g/L左右。
    根據淮南礦區A組煤開采底板灰巖水文地質綜合柱狀圖及測井資料,基本掌握了淮南礦區A組煤底板地質情況,圖1是潘二礦V東02孔和C3一Ⅲ孔鉆孔剖面圖。分析可知,3煤和1煤底板下的C31灰巖和C32灰巖巖層厚度小,平均厚度1.5~1.8m左右,富水性相對較弱,而C33上。灰巖和C33下灰巖巖層厚度較大,平均厚度4.5~5.5m,是淮南礦區A組煤開采的直接充水含水層,存在突水隱患。
2 數值模擬
2.1 參數設置
    根據潘二礦V東02孔和C3-Ⅲ孔鉆孔剖面圖,利用loke(Rapid 2D and 3D Resistivity &IP in -version)軟件建立層狀模型模擬底板含水異常體,在改變裝置類型(溫納三極、溫納四極、溫納偶極及溫納微分)及測線極距條件下,利用電阻率及極化率兩個電性參數展開數值模擬研究。共計算有效數據240組,成圖360張。層狀模型電阻率設定為第一層電阻率40Ω•m,第二層電阻率80Ω•m,第三層電阻率60Ω•m、極化率(第一層極化率l%,第二層極化率0.5%,第三層極化率0.1%);低阻富水異常體電阻率5Ω•m、極化率5%。每條測線上設置64個電極,異常體大小10m×l0m。圖2是loke層狀正演模型圖。
2.2 數值模擬結果分析
    將裝置類型(溫納三極、溫納四極、溫納偶極及溫納微分)和測線的電極距d當做因變量,得到不同裝置類型分別在不同極距時的電阻率、極化率反演剖面圖,如圖3~5所示。通過分析得到以下結論。


    ①當目標體所在位置深度相對較深或電極數量有限時,優先選片J極裝置(單偶極裝置);當要求垂直分辨率較高時,推薦選用溫納偶極、溫納四極、溫納微分裝置。
    ②在保證有效勘探深度的前提下,采用小電極距可以提高對異常體勘探的水平和垂直分辨率;為增加測線長度增大有效勘探深度,當異常體的橫向尺寸大于電極距d時,可選用較大電極距;在不受現場施工條件影響下,電極距較小時,為提高有效勘探深度,可適量增加電極數量。
     ③極化率反演對異常體的響應敏感程度弱于電阻率反演對異常體的響應程度。
3 物理模擬
3.1 物理模型參數
    室內物理模型材料選取以河砂為骨料,水泥、石膏為膠結物的相似材料,同時參照前人研究配制砂、水泥、石膏相似材料時的配比方式建立室內工程場地模型。同時,材料在混合時采用攪拌機均勻攪拌,在模型填料過程使用棒式振搗器進行密實,模型如圖6所示,具體模型參數如下。
模型體積(m³),2.048; 砂(kg),3280;
模型質量(kg),4273.84;硼砂(kg),9.84;
石膏(kg),196.8; 水(kg),328;
水泥(kg),459.2; 配比,3:7:50:0.15:5


     實驗采用網絡并行電法儀[9-11]進行數據采集,為提高效率數據采集方式選用AM法,恒流時間0.5s,采樣間隔50ms,裝置形式選擇溫納三極。
3.2 實驗結果分析
    通過室內物理模擬實驗,由圖7可知,視電阻率剖面圖對水的響應敏感度較好,從5-7-18:00開始注水到5-7-2l:30水槽注滿水,隨著水槽內水量的增加,物理模型左側面的視電阻率值逐漸降低,當水槽注滿時,視電阻率值最低;然后隨著放水時間(5-8~5-9)的增加,視電阻率值逐漸升高。圖8是視電阻率平均值與水量關系曲線圖,由圖可知,隨著水量的增加,視電阻率平均值逐漸降低。極化率效果整體不是很明顯,此次實驗未達到理想效果,分析原因一是本身模型阻值較高,極化效果差;二是電極選取問題,本次實驗并沒采用一開始預想的硫酸銅溶液不極化電極,采用石墨棒代替,對極化效果存在一定影響。


圖7 室內物理模型左側面剖面圖
4 結論
     根據淮南礦區地質資料,利用loke軟件對不同裝置類型不同電極距進行正反演數值模擬,在理論上得到直流電法勘探裝置類型及測線電極距的選擇依據。分析室內物理模型實驗結果可知,直流電法及激電法參數(視電阻率、視極化率)可用于底板灰巖水的探測。本文實驗僅為基礎研究,下一步將根據實際地質問題,在相似條件下建立地質模型數據處理分析和探測儀器優化改進中加以解決。并且礦井中的全空間問題導致時間域電磁法勘探產生的體積效應影響,也需要加強理論方面的研究。
參考文獻:
[1]蔣宗霖.礦井瞬變電磁法低阻體的全空間響應影響研究[J].煤炭科學技術,2012.
[2]于景邨.礦井瞬變電磁法勘探[M].徐州:中國礦業大學出版社,2007
[3]Yu Jjngcun,LIU zhixjn.Research on fu -ll space transient electromagnetic techniq -ue for detecting flqueous structures in co -al mines[J].Journal of China University of Mining&Technology,2007.
[4]劉志新,于景郵,郭棟.礦井瞬變電磁法在水文鉆孔探測中的應用[J].物探與化探,2006.
[5]廖俊杰.礦井瞬變電磁超前探測數據處理與顯示技術[J].物探與化探,2011.
[6]楊綠剛.葛泉礦東井煤層底板突水注漿治理技術[J].煤炭科學技術,2009.
[7]許云磊.瞬變電磁法對工作面底板注漿工程的穩定性評判[J].中國煤炭,2011.
[8]黃小廣.注漿效果檢測方法的評價[J].煤礦安全,2001.
[9]辛金山.注漿加固在深部礦井中應用的探討[J].煤礦支護,2003.
[10]李建國,李金花.瞬變電磁法在煤礦采空區注漿效果檢測方面的應用[J].中國煤炭地質,2012.
[11]徐魯勤,黃澎濤,馬瑞華,等.瞬變電磁法在新集一礦水文地質勘探中的應用[J].中國煤炭地質,2009.
[12]葉劍湘.瞬變電磁測探法找煤效果研究[J].中國煤炭地質,2000.
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