同煤集团忻州窑矿采空积水区探测研究

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1、应用型硕士学位论文 同煤集团忻州窑矿采空积水区探测研究Research on coal goaf aquifer detection of Xinzhouyao belongs to Datong Coal Mine Group作 者：武俊文 导 师：刘志新副教授中国矿业大学二一二年五月学位论文使用授权声明本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理：作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文的部分使用权，即：学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和

2、汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）。作者签名： 导师签名：年 月 日 年 月 日中图分类号 学校代码 10290 UDC 密 级 公开 中国矿业大学应用型硕士学位论文同煤集团忻州窑矿采空积水区探测研究Research on coal goaf aquifer detection of Xinzhouyao belongs to Datong Coal Mine Group作 者 武俊文 导 师 刘志新

3、 申请学位 工程硕士专业学位 培养单位 资源学院 学科专业 地质工程 研究方向 地球物理 答辩委员会主席 评 阅 人 二一二年五月论文审阅认定书研究生 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签字： 年 月 日致谢在研究生学习期间，无论在学习上还是生活上，自始至终得到导师刘志新副教授的指导和无私帮助。导师严谨的治学精神、实事求是的工作态度和诲人不倦的育人作风是我一生学习的榜样。这篇论文从选题、实地工作

4、一直到定稿都浸透着导师的智慧和汗水。在论文交付之际，我谨向导师致以最崇高的敬意！同时要感谢我的校外导师许新刚博士、姜志海副教授，他们在我的课题的具体研究过程中都给予了细心指导。特别是在进行实地工作，以及论文的编写过程中，给我提出了宝贵的建议。感谢师兄卢海，师弟许云磊、王东伟的大力帮助。也感谢我的同学、师兄和师弟们给我的帮助和关心。感谢我的父母以及我的姐姐对我无私的照顾和鼓励，我将以加倍的努力来回报他们的关爱。感谢所有曾关心和帮助过我的人们，向他们致以最诚挚的敬意！摘 要同煤集团忻州窑矿11-2#煤层开采工作面上覆3#煤层被地方煤矿开采，采空区采掘现状不清、积水情况不清，为了保证煤矿的开采安全，

5、准确探测生产工作面上覆采空区是否有积水，为矿井防治水提供科学、客观的探放水地质资料，采用物探方法探查勘探区域内3#层采空及积水情况，为施工地面探放水钻孔提供较为准确、可靠的位置。论文在总结同煤集团忻州窑矿3#煤层浅埋煤层采空区地球物理特征的基础上,分析了瞬变电磁在探测煤层采空区方面的可行性。然后通过野外施工试验，研究如何选取瞬变电磁勘探参数，试验工作遵循由已知到未知、由简单到复杂的原则进行；试验线选在勘查区里的已知采空区内具有代表性的地段进行，确定发射线宽，点距，线距，频率等基本参数。在瞬变电磁数据处理方面采用了电阻率单支曲线、多测道、视电阻率拟断面图、Inloop反演图、Winglink反演

6、图、IX1D反演图等多种图件分析采空积水区，在一些重点区域采用TEM，CSTEM两种探测资料重点分析异常区域。在瞬变电磁资料异常提取方面首次采用了标准偏差圈定方法，有效避免了由于人为原因造成的异常缺失或增加，为以后瞬变电磁资料异常提取提供借鉴。通过对实际采空区的瞬变电磁、可控源瞬变电磁法资料的分析和研究，总结出在同煤集团忻州窑3#煤层采空区在瞬变电磁探测结果中表现为相对低阻异常；综合本次采空区探测工程实践过程，最终取得了良好探测效果，证明了本次勘探采用方法和参数的合理性和在煤层采空区勘查中合理的采用综合地球物理勘查技术的有效性和优势。该论文有图38幅，表5个，参考文献55篇。关键词：瞬变电磁法

7、；可控源瞬变电磁法；标准偏差；采空区；AbstractCovered with 3# coal seam Coal Xinzhouyao mines 11-2# coal seam has been extracted by the local. On the present situation, stagnant water is not clear, to ensure the safety of coal mining, accurately detect the production face contains water or not, and to provide a scient

8、ific, objective exploration of water geological data for the Mine Water Control, we took the geophysical methods to explore the water content of 3# layer. Finally aim to the construction of ground-water drilling more accurate and reliable location. This paper summarized the geophysical characteristi

9、cs with the Coal Xinzhouyao mine 3# coal seam in shallow seam goaf, based on which we analyze the feasibility of TEM in detecting goaf. Then through the field construction test, experimental work follows from the principle of simple to complex, from known to unknown, selecting the transient electrom

10、agnetic exploration parameters. At last, the test line is selected in the most representative exploration area of the known gob area to determine the basic parameters of line width, the point to point, point to line spacing, frequency and so on. In the TEM processing uses the single curve of the res

11、istivity, multi-measured, apparent resistivity sectional drawing, Inloop inversion figure, Winglink inversion figure, IX1D inversion figure and so on to analyze the gob aquifer. And in some key areas both TEM and CSTEM are used to analyze abnormal area.This is the first time to use standard deviatio

12、n method in TEM data anomaly extraction, which can effectively avoid the anomalies increasing or deletion due to human, providing a reference for future transient electromagnetic data anomaly extraction.Based on the actual goaf information analysis and research of TEM, CSTEM and controlled source tr

13、ansient electromagnetic method, summed up in the Datong Coal Mine Group of Xinzhouyao mine 3# coal seam goaf the TEM detection results are shown a relatively low resistivity anomalies performance.Combining the engineering practice of goaf detection process and ultimately achieved good detection resu

14、lts proving the validity of the exploration methods, parameters and the effectiveness, advantage of goaf exploration reasonable integrated by geophysical prospecting techniques.Keywords: TEM; controlled source transient electromagnetic method; standard deviation; goaf目 录摘 要I图清单VII表清单IX变量注释表X1 绪论11.1

15、现实背景及选题意义11.2国内外现状21.3研究内容32研究区地质概况与地球物理特征52.1 矿区地质概况52.2 采空区的地球物理特征92.3 采空区地面调查102.4 小结103采用的物探技术及其可行性113.1 瞬变电磁法113.2可控源瞬变电磁法183.3 小节194电磁法勘探基本参数分析214.1野外施工试验研究214.2试验结论274.3测线、测点的布置284.4工作量284.5 仪器设备314.6小结325勘探资料分析335.1瞬变电磁数据处理技术335.2瞬变电磁法探测资料解释425.3可控源瞬变电磁勘探资料解释455.4两种勘探方法资料对比455.5小结466、结论476.1

16、结论476.2建议47参考文献49作者简历52学位论文原创性声明53学位论文数据集55ContentsAbstractContentsVList of FiguresList of TablesList of VariablesX1 Introduction11.1 Background and significance of the topic11.2 Situation domestic and international21.3 Research contents32 Geological setting and geophysical characteristics52.1 Geolo

17、gy of Mine52.2 Geophysical characteristics of mined areas92.3 Geological Survey of gob102.4 Summary103 Geophysical techniques used and its feasibility113.1 Transient Electromagnetic Method113.2 CSTEM183.3 Summary194 Basic parametersofelectromagnetic exploration214.1 Experimental studyofthefield work

18、214.2 Testconclusions274.3 The layoutofthemeasuring line, measuring point284.4 Workload284.5 Equipment314.6 Summary325 Analysisofexploration data335.1 Transient Electromagnetic information processing methods335.2 Results ofcomparisonofthe variousexploration methods425.3 CSTEM explorationdata interpr

19、etation455.4 Datacomparisonoftwoexploration methods455.5 Summary466 Conclusions476.1 Conclusions476.2 recommendations47References49Authors Resume52Declaration of Thesis/Dissertation Originality55Thesis/Dissertation Data Collection53图清单图序号图名称页码图3-1矩形框磁力线11Figure 3-1the magnetic field lines of rectang

20、le11图3-2穿过Tx中心的横断面内电流密度等值线12Figure 3-2Tx center cross-section through the current density within the contour12图3-3瞬变电磁场13Figure 3-3Figure3-3TransientElectromagnetic Fields13图3-4固定发射移动接收装置示意图15Figure 3-4fixedlaunchmobilereceiving deviceschematic15图3-5可控源瞬变电磁法工作装置19Figure 3-5working deviceofthe CSTEM1

21、9图4-1试验方案121Figure 4-1Pilot program121图4-2试验方案222Figure 4-2Pilot program222图4-3 试验方案322Figure 4-3Pilot program322图4-4不同发射线圈边长感应电位曲线23Figure 4-4Side length oftheinductionpotential curvesintransmit coil23图4-5不同边长发射回线视电阻率-时间曲线23Figure 4-5side lengthtransmitter loopapparent resistivity-time curve23图4-6不

22、同边长发射回线视电阻率-深度曲线24Figure 4-6differentside lengthemissionloopapparent resistivity-depthcurve24图4-7频率不同时感应电位曲线24Figure 4-7FrequencyInductionpotentialcurve24图4-8不同探头在同一测点测量的感应电位曲线25Figure 4-8differentprobepotential curvesmeasuredat the samemeasuring pointinduction25图4-92030号主机与1745号主机一致性试验26Figure 4-92

23、030hostandthe1745hostconformance testing26图4-10试验点位置图26Figure 4-10testpointlocation map26图4-11试验测线视电阻率拟断面图27Figure 4-11The test line isapparent resistivity diagrams27图4-12TEM测点布置图29Figure 4-12TEMtest point arrangementdiagram29图4-13CSTEM测量点布置29Figure 4-13CSTEMthemeasurementpointlayout29图4-14加拿大产V8多功能

24、电法仪31Figure 4-14CanadianproductionV8multi-functionpowerlawinstrument31图4-15V8主机示意图32Figure 4-15V8hostschematic32图5-113线视电阻率断面图（原始）34Figure 5-113 line in the apparent resistivity section ( the original )34图5-213线视电阻率断面图（滤波后）34Figure 5-213 line in the apparent resistivity section ( filter )34图5-3V/I值时

25、间切片图37Figure 5-3V / I time slice map37图5-4V/I值异常切片图（异常下限为+S）38Figure 5-4V / I value anomaly slice map ( the abnormal lower limit of+S )38图5-5V/I值异常切片图（异常下限为+2S）39Figure 5-5V / I value anomaly slice map ( the abnormal lower limit of + 2S )39图5-6测线单点视电阻率曲线图40Figure 5-6line single point of apparent res

26、istivity curve40图5-7多测道剖面图40Figure5-7more measured profile40图5-8视电阻率拟断面图40Figure 5-8apparent resistivity section map40图5-9Inloop反演图41Figure 5-9Inloop inversion chart41图5-10Winglink反演图41Figure 5-10Winglinkinversionmap41图5-11IX1D反演图41Figure 5-11IX1Dinversionmap41图5-1229线电压多测道剖面图42Figure 5-1229line vol

27、tagemeasurementRoadsection42图5-1325线电阻率断面图43Figure 5-1325-wireresistivity section43图5-14H=1100m深度电阻率平面等值线图43Figure 5-14H=1100mdepthresistivityplanecontourmap43图5-15V/I值等值线随时间切片图及高电压异常切片图44Figure 5-15V/I valuethecontourwiththetimeslicesand high voltageabnormalslices44图5-1610线可控源瞬变电磁断面图45Figure 5-1610

28、-lineCSTEM sectional map45图5-17TEM和可控源瞬变电磁断面图46Figure 5-17TEM andcontrolledsourceelectromagneticsectional drawing46表清单表序号表名称页码表3-1 不同线圈探测深度表16Table 3-1coilprobedepth gauge16表3-2不同深度所需采样时间表17Table 3-2depth ofsamplingschedule17表4.1完成工作量一览表30Table4.1Listofworkload30表5-1不同时间段V/I值异常下限值36Table 5-1effect o

29、f different time period V / I value abnormal limit36表6-1 建议钻孔位置47Table6-1suggestthatthedrillinglocation47变量注释表 电导率磁导率S线圈面积阶跃电流t供电时间r“烟圈”半径d“烟圈”深度a发射线圈半径v“烟圈”传播的速度为h某一时刻地下最大涡流所在深度电阻率x收发距c光速地下介质的相对介电常数551绪论1 绪论1 Introduction1.1现实背景及选题意义（Background and significance of the topic） 1.1.1现实背景 我国煤炭资源丰富，煤矿开采

30、历史悠久。煤炭工业作为我国国民经济的支柱产业，而且煤炭在我国能源结构中占有重要地位，其能否健康、稳定、持续发展将直接影响我国国民经济发展2。随着国民经济的发展，要求煤炭的产量不断提高，然而煤矿采空区(小煤窑和古空区，尤其是充水的采空区)等问题不同程度的制约着煤炭生产，因此探明煤矿采空区(小煤窑和古空区)的准确位置与范围是在煤矿安全生产迫切需要解决的问题。此外，我国煤炭开采量居世界第一，随着煤炭资源的大规模开采，造成了大量的采空区。我国煤矿累计采空塌陷面积超过了70万公顷，损失逾500亿元。煤层采出后，所遗留下大量的采空区，不仅造成大面积地表沉陷、地面建(构)筑物、交通设施、生活基础设施、土地严

31、重破坏又水资源漏失、水土流失加剧、生态环境恶化等灾害，而且危害到矿区人民的正常生活和各类生产活动。采空区塌陷是因矿体（层）采空、覆岩破坏引起的。在煤层采空区，煤层被全部或部分挖掉，上部覆岩的力学平衡就会被打破，在重力和应力作用下，便产生裂隙和断移，引起岩层和地表移动，最终形成了采空塌陷区。塌陷区不仅会导致地下水枯竭、耕地破坏、生态环境恶化，还会使当地房屋受损、道路变形，还使高速公路、铁路、机场等重大工程以及城市建筑因处理采空区塌陷而增加建设难度和费用。此外，地表裂缝会为地下自燃煤层提供充足氧气，地下煤火会使采空区顶板承压减弱，冒落加剧，地裂缝加宽、加长，最终形成“地裂火区地表裂陷”的恶性循环。

32、我国每开采1万吨煤，造成采空塌陷灾害直接经济损失6600元。采空区严重影响了区域内经济可持续发展和社会稳定。据调查，全国有一半以上的煤矿采空区没有经过处理，有的不规范开采煤矿形成的采空区、煤矿古空区的位置和范围很难确定，存在很大的安全隐患。采空区引起的严重问题已经引起中国政府的高度重视，塌陷区的治理工作正在全面展开。但是采空区的治理能不能“未雨绸缪”，在采空区塌陷引起地表沉陷以前，有效而经济地利用地球物理方法对采空区域进行勘探和作出评价，并提出适宜的防治措施有着良好的经济效益和社会效益。因此，探测采空区成为地质勘探的一个重要任务。同煤集团忻州窑矿11-2#煤层开采工作面上覆3#煤层被地方煤矿开

33、采，采空区采掘现状不清、积水情况不清，为了保证煤矿的开采安全，准确探测生产工作面上覆采空区是否有积水，为矿井防治水提供科学、客观的探放水地质资料，同煤集团公开向社会招标采用物探方法探查勘探区域内3#层采空及积水情况，为施工地面探放水钻孔提供较为准确、可靠的位置。中国矿业大学依靠雄厚的科技实力中标忻州窑矿11-2#层上覆3#采空探测物探工作，双方就忻州窑矿地面物探项目的技术服务（该项目属大同煤矿集团公司2011年矿井防治水安全费用物探工程项目计划）签订了合同，承担了本次探测任务。1.1.2选题意义 探测地下采空区的物探方法众多，且各有优势：瞬变电磁法因为其施工方便，而对低阻异常能准确的定位，探测

34、成本比较低。但是分辨高阻异常和分层能力弱；高密度电阻率法对高阻异常和低阻异常都有比较高的分辨能力，也有一定的分层能力，但是随着目标深度增大，电极距相应增大，体积效应影响越来越严重其分辨率就会大大降低，施工周期较长，对于地形起伏大地区，准确布极非常困难。探地雷达的分辨率和准确率都非常高，但是受电磁波趋肤效应影响其探测深度非常浅，在几十米以内；地震勘探的理论和技术都非常成熟，但是在山区施工难度比较大，地形影响很大，成本也很高。在满足勘察精度和安全生产的需要的前提下，对各种方法进行研究以及成本考虑，最终选择瞬变电磁进行勘查。地面瞬变电磁数据处理、异常提取、资料解释技术方面还存在很多问题，在本次报告中

35、使用是包括电压单支曲线、多测道、视电阻率、Inloop反演、Winglink反演、IX1D反演等方法对勘探瞬变电磁数据进行处理和分析。在异常提取方面首次采用了标准偏差估计法，为以后瞬变电磁异常提提供借鉴。1.2国内外现状(Situation domestic and international)1.2.1国外探测技术 采空区引起的问题早己被人们所注意。从十八世纪开始，人们就开始通过各种各样的方式去研究和处理采空区。在这个阶段，欧洲工业大发展，使矿产开采大幅增加，在欧洲各主要工业国形成了大量的采空区，如著名的德国鲁尔矿区的采空区问题一度非常严重。为此西方国家投入了大量精力对煤矿采空区进行勘查和处

36、理研究。这些研究都是建立在经验和调查的基础上，如收集资料和调查访问、钻探、室内试验、数值模拟等，直接通过地球物理方法勘探采空区并没有系统和普遍应用。美国、前苏联、日本及欧洲一些国家为了军事、交通等目的利用各种地球物理方法对下伏空洞进行探测。目前常用的地球物理方法主要有电法勘探、电磁法勘探、地震勘探、重力测量、放射性测量等。1.2.2国内主要探测技术国内近年来在利用地球物理勘察技术查明地下采空区方面作了大量的工作，发展了多种方法，有些技术甚至超过了国外水平，如瞬态瑞利波法、高密度电法、地质雷达、弹性波CT、超声成象测井、卫星遥感技术和地理信息系统技术等。但是由于煤矿开采缺乏资料、和长期以来小煤窑

37、的乱采乱挖，使得采空区形态复杂，无章可循，通过资料调查和钻探无法查明采空区确切的形态和位置。虽然目前我国对空洞、采空区的探测仍以钻探为主，但近年来已逐渐认识到应用工程物探方法探测采空区、空洞的重要性和优越性。如山东煤田地质队用地震法探测采空区(充水或不充水)，取得了勘探精度高、速度快和节省工作量的效果; 山西省地勘局物化院运用瞬变电磁、浅层地震、高密度电法相结合的综合物探方法在山西阳煤集团煤矿采空区的勘探研究。中科院地质与地球物理研究所采用高密度电法在内蒙古乌海煤矿采空区的勘探研究。山西煤田地质勘查工程公司采用瞬变电磁对左权县平王煤矿采空区、左云县东周窑煤矿采空区的勘探。山西煤田地质综合普查队

38、采用三维地震勘探在长治和大同的煤矿采空区进行勘探。山西煤田地质综合普查队采用面波勘探方法在山西晋城凤凰山煤矿采空区的勘探研究。也有部分专家学者对其它物探方法，如地质雷达、测氡等方法在采空区中的勘探效果进行了研究。1988年国家地震局研究所和兰州铁路局合作，利用微重力法有效地查明了青藏铁路察尔汗盐湖区的地下溶洞;太旧高等级公路采空区地基勘察处治科研课题组，在太旧高速公路的柏井、冶西、宋家庄等工区联合运用高密度电法、瞬变电磁法、地质雷达、无线电波透视法、瑞利波法、弹性波CT法、高分辨率地震、微重力法。卡法等方法在探测溶洞、老窑区及采空区取得良好的效果。1.3研究内容(Research conten

39、ts)本课题主要研究深部采空区的特点和勘查方法，研究内容主要有以下几个方面：（1）对深部空区的特点进行分析和讨论，指出深部采空区同常规采空区的异同和对勘查工作的影响；一般情况下，冒落带的高度一般在十几米左右，其内部充填的松散物的视电阻率明显高于周围介质，裂隙带的高度一般在几十米，主要是由于采空区塌陷造成岩石出现裂隙，岩石的电阻率明显变大，而当采空区充水较多时，由于水的存在，导电性变强，采空区的电阻率明显变小。由此可见，采空积水区的视电阻率明显区别于采空区和未采区的视电阻率，是本次电法探测采空积水区的物理前提。（2）首先从理论上确定电磁勘探参数，然后通过野外施工试验研究瞬变电磁勘探参数，野外试验

40、研究工作是优秀勘察成果的前提，试验工作的主要目的是了解勘查区的地电条件、施工条件、干扰背景以及煤层采空、采空积水区的地球物理特征等，通过有效试验，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；试验线选在勘查区里的已知采空区内具有代表性的地段进行，确定发射线宽，点距，线距，频率等基本参数。（3）一般物探方法对于异常的提取都是采用经验圈定一个定性的异常，在异常的提取比较模糊且没有一个可以定量的原则，随意性很强，资料解释因人而异，对比性差。寻找一个可以定量提取异常的方法很有必要，本次勘探采用了标准偏差圈定方法作个有益的尝试，通过该方法提高异常圈定的准确率和可信度。

41、本次工作中将标准偏差估计应用到瞬变电磁探测异常圈定中，希望通过该有益的尝试，提高物探解释的水平。2研究区地质概况与地球物理特征2研究区地质概况与地球物理特征2 Geological setting and geophysical characteristics2.1 矿区地质概况（Geology of Mine）2.1.1 矿区地层 井田内的地层自老至新有：(1) 太古界集宁群(Ar3jn)由肉红色、浅灰色花岗片麻岩、暗灰色角闪片麻岩及黑色云母片麻岩组成。(2) 寒武系()下部为紫色页岩，厚度130-160m，中上部为灰色、灰褐色竹叶状灰岩及黄褐色板状与淡紫色块状灰岩，厚度30-450m。与下

42、伏太古界为角度不整合接触。(3) 石炭系(C)a、本溪组(C2b)：厚10-25m，以灰白、灰褐色砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩互层为主。底部和下部常含有褐色鸡窝状铁矿及杂色铝土质泥岩。往北至忻州窑、大北沟一带尖灭。与下伏寒武系为平行不整合接触。b、太原组(C3t)：本组地层平均厚21m，由灰白色、灰褐色石英粗砂岩及深灰、灰黑色粉砂岩、砂质泥岩、细砂岩、炭质泥岩和薄煤层组成。在煤田南部含煤可达九层，在本区仅赋存一层，且多不可采。基底为灰白色砂岩，含砾石(K2)，厚2-5m。与下伏地层本溪组呈平行不整合接触。(4) 二叠系下统山西组(P1s)本组地层厚3-7m,由砂质泥岩、粉砂岩、中粗砂岩及煤层组成，

43、该组地层在十里河以北尖灭。与下伏太原组地层呈平行不整合接触。具唇三角孢、膨胀凹边孢等。(5) 侏罗系(J)a、永定庄组(J1y)：厚17-51m，由灰紫、紫红色粉砂岩、砂质泥岩、浅灰色粗砂岩、中砂岩、细砂岩组成。其基底为灰白色砂砾岩、含砾粗砂岩(K8)，与下伏地层为角度不整合接触。该组地层在井田北部尖灭。b、大同组(J2d)：厚130.01-273.45m，平均191.18m。由灰、灰白、深灰色砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩、砂岩及煤组成。含煤19层，以7、11号分为上、中、下三段。该组地层在井田西部出露。上段：为灰色粉砂岩、细砂岩、中砂岩、灰黑色砂质泥岩、薄层中砂岩。含、号煤层。本段平均厚61.8

44、7m。中段：为灰色砂质泥岩、细砂岩和灰白色中、粗砂岩组成。含7、8、9、10号煤层，本段平均厚66.17m。下段：为灰色细砂岩、灰白色粗砂岩、灰黑色砂质泥岩组成，含11、12、14、15号煤层，本段平均厚63.14m。地层厚度呈南厚北薄的变化趋势，其基底为一层灰白色厚层状砂砾岩、粗砂岩(K11)，厚4.65m，成分以石英、长石为主，分选差。砾石成分为石英，砾径一般1-3mm，钙质胶结，较坚硬，与下伏永定庄组地层平行不整合接触。c、云岗组（J2y）：划分为上、下两段。青磁窑段（J2y1）：厚0-134m，一般厚110m，以灰白、灰黄色中、粗砂岩、砂砾岩为主。砂岩磨园度和分选性差，多为次棱角状，交

45、错层理发育。下部含薄层泥岩和不稳定的煤层。底部标志层K21，厚8-11m，成分以石英、燧石为主、长石次之，硅质胶结，坚硬，分选差，次棱角状。砾径一般4-6cm，大小不等，与下伏大同组呈平行不整合接触。石窟段（J2y2）；厚0-140m，一般厚80m。由灰紫、紫红色粉砂岩、砂质泥岩、泥岩与灰黄色中粗砂岩、砂砾岩组成。下部砂岩厚度变化大，透镜体发育。上部砂质泥岩常有断续球状结核，交错层理发育。该组地层在井田内大面积出露。(6) 白垩系（K）厚0-152.2m，平均35m左右，在井田北部沟谷中大面积出露，岩性主要由砂砾岩及粉细砂岩组成。与云岗组地层呈角度不整合接触。(7) 第四系（Q）一般厚15m左

46、右。包括中、上更新统和全新统两部分。a、中、上更新统（Q2+3）：厚0-30m，一般厚10m。上部为浅黄、褐黄色松散状黄土，既马兰期黄土；下部以棕红色亚粘土、亚砂土为主，含有钙质结核，垂直节理发育，分布广泛。b、全新统（Q4）：为现代河流沉积物，一般厚5m，多分布与河床和沟谷中。覆盖土广布于井田内的地表。第四系地层与下伏地层呈角度不整合。2.1.2 矿区煤层本井田勘探历史悠久，早在50年代即开始了大规模的地质勘探。多年来进行了各种勘探工作，据地质报告统计，在不同勘察期，井田内、外钻孔资料169个，包括井下33个、区外30个，总工程量为48845.61m，按现在井田面积计算每平方公里达7.7个孔

47、。勘探工作和完成的地质资料为本次物探工作奠定了地质基础，对本次物探工作有极大的参考价值。忻州窑煤矿为解放前旧矿井改建而成，开采历史悠久，上部煤层在井田的东部埋深较浅的范围内，据矿方调查有古人采的古空区，但已无法考证。解放后到70年代末由于受国家政策的制约，井田内及井田周边没有小煤窑的非法采掘，但随着国民经济的飞速发展，特别是80年代中、后期，一些乡镇和村办煤矿在宽松政策的扶持下迅速崛起；井田内及周边曾分布有各类小窑约17座，大部分开采上部2-1、2-3、3-2号煤层，后因资源的枯竭和有关政策的颁布，使得部分小窑报废关闭。据矿方调查，目前未发现有地方煤矿越层越界乱采。由于关闭的小煤窑年代较长，经

48、该矿多处调查，仍未查到其原始采掘工程平面图，采空区范围和采空区积水无法确定，但该矿上部一水平2-1、2-3、3-2、7-3号煤层1979年已开采结束，延深至二水平后，对上部采空区打有放水孔，据调查日放水量小于初期放水量的一倍以上。井田内侏罗系中统大同组含煤地层厚65.13-262.75m，平均厚211.95m，共含煤约22层，煤层平均总厚19.26m，含煤系数9.08%，各层分布不均，下部煤层有合并分叉现象，层间距变化大，但井田内可采煤层与局部可采煤层均已被揭露，正在有序的进行开采。井田内可采与局部可采煤层有2-1、2-3、3-2、7-3、8、9、10、11-1、11-2、12-1、12-2、

49、14-2、15号，计13层，其余仅零星赋存。可采煤层平均总厚16.50m，含煤系数7.78%。现将各主要煤层（批采）分述如下： 2-1号煤层：系大同组最上部一层煤，可采可采范围赋存于井田的东北部，厚度为0-2.65m，平均1.12m，偶含一层夹矸，属不稳定煤层，该层79年已开采结束，仅残留小而不经济和煤柱、蹬空的部分储量，其顶板为砾岩、砂砾岩，底板为粉砂岩。 2-3号煤层：上距2-1号煤层2.58-33.49m，平均11.22m，赋存于井田东北部，煤层厚0-2.65m，平均0.95m，偶含一层夹矸，属不稳定煤层，该层79年已开采结束，仅残留小而不经济和接近可采边界的部分，其顶板为粉砂岩、细砂岩

50、互层，底板为粉砂岩。 3-2号煤层：为该矿原主采层，上距2-3号煤层12.95-49.35m，平均30.39m，全井田除个别点为零外，均有赋存，但可采范围仅在井田的东部、西北部，煤厚0-8.90m，平均1.41m，属较定煤层，结构单一，西部偶有一层夹矸，西 北部可采范围批给小窑，东部该矿开采79年已结束，仅残留小而不经济及保护煤柱部分，其顶板为细砂岩、中砂岩，底板为粉砂岩、砂质泥岩。 7-3号煤层：上距3-2号煤层24.20-54.57m，平均35.02m，赋存于井田的东北部并可采，煤层厚0-2.44m，平均0.81m，结构简单，偶含一层夹矸，属极不稳定煤层，该层79年已开采结束，仅残留小而不

51、经济部分，其顶板为粉砂岩、砂质泥岩、底板为粉砂岩、细砂岩。 8号煤层：上距7-3煤层10.12-24.29m，平均14.85m，赋存于全井田，仅个别区域为零，但可采范围仅限于扩区内，煤厚0-1.66m，平均0.52m，结构简单，属极不稳定煤层，其顶板为粗砂岩，底板为粉砂岩。9号煤层：上距8号煤层7.11-34.37m，平均20.59m，全井田除个别点为零外，均赋存，可采范围在东部、南部地区，煤层厚0-3.20m，平均1.07m，偶有一层夹矸，属大部可采较稳定煤层，该矿目前在东三盘区作业，西一、东一、东二盘区开采已结束。其顶板为细砂岩、粉砂岩，底板为粉砂岩、细砂岩。10号煤层：上距9号煤层3.5

52、5-29.07m，平均14.02m，全井田均赋存，仅一个点为零，煤层自东向西逐渐变薄，可采范围在井田东部、东北部，煤层厚0-2.00m，平均0.82m，结构单一，偶见一层夹矸。目前该矿在东三盘区作业，东一、二盘区开采结束，属不稳定煤层，其顶板为细砂岩，底板为粉砂岩。11-1号煤层：上距10号煤层4.83-26.74m，平均11.85m，赋存于井田东部、东北部的少部分地区，煤层厚0.20-3.65m，平均0.87m，结构单一。54353、53355、52379号孔以西与11-2号煤层合并，合并后平均煤厚4.01m，该煤层属极不稳定煤层，顶板为粉砂岩、炭质泥岩，底板为粉砂岩、细砂岩。11-2号煤层

53、：为该矿主采煤层之一，上距11-1号煤层0.65-18.63m，平均5.32m，赋存于井田北东，该层东三盘区部分与121-2号煤层合并，煤层平均厚6.11m，中南部11-1号与该层合并，平均煤厚4.01m，北西的西二盘区为111-2-121-2号合并区，煤层平均厚8.74m。该层分布区煤层厚0.10-5.30m，平均2.39m，结构单一，合并区除合并分叉处夹一层夹矸外，其它均为结构简单，属稳定型煤层，西一、东一、东二盘区开采已结束，西二盘区区大部采空，其顶板为细砂岩，底板为粉砂岩。 12-1号煤层：上距11-2号煤层4.00-30.15m，平均13.59m，赋存于井田的中部、东北部并可采，煤厚

54、0-3.40m，平均1.06m，局部有1-2层夹矸。与11-2号合并区位于井田北东，与111-2号煤层合并位于井田西北，合并后一般煤厚分别为5.50m、8.74m。该层煤属不稳定煤层，其顶板为粉砂岩，底板为粉砂岩、细砂岩。 12-2号煤层：上距12-1号煤层0.87-24.90m，平均7.56m，除上所述合并区外，本层赋存于井田的东南大部，可采范围在井田中部，以北东南西展布，煤层厚0.10-2.54m，平均0.99m，采空区分别位于井田的西一、西二、东二盘区。该层结构简单，属不稳定煤层，其顶板为细砂岩、中砂岩，底板为细砂岩、砂质泥岩。14-2号煤层：上距12-2号煤层0.95-23.35m，平

55、均6.96m，全井田除个别点为零，均赋存，可采范围分布在井田的西南、北东地区，为该矿目前生产层，煤层厚0-4.62m，平均1.44m，西南比北东厚，一般分别为5.61m、2.20m，大部分含一层夹矸，局部地带含三层夹矸，采空区分别位于西二盘区，属不稳定煤层，其顶板为粉砂岩、中砂岩，底板为薄层炭质泥岩、粉砂岩。 15号煤层：上距14-2号煤层1.30-26.33m，平均13.49m，赋存于井田的东部，可采范围呈北东展布，于井田中部，除此之外，东三、西二盘区有零星可采范围分布，煤层厚0-10.20m，平均3.03m，结构简单，一般含1层夹矸，属不稳定煤层，其顶板为粉砂岩、细砂岩，底板为薄层炭质泥岩

56、。2.1.3 区域构造本井田位于大同煤田的东北部，大同煤田主向斜轴的西翼，距煤田东部边缘NW向的青磁窑逆掩断层较近，地层总体走向为NW向，倾向SE，除较大断层及褶曲附近地层较陡，倾角达11-30外，其余井田内广大地区为2-6，井田内断裂及褶曲构造较为发育，陷落柱亦较多，井田内未发现岩浆岩活动。井田地质构造较为简单。本次物探勘查区内构造简单，未发现较大断层；勘查区周边，在勘探区北侧有落差在1315米的F3断层，走向南北向，未进入本勘查区；勘查区西南外侧有3条断距在2m以内的小断层通过，走向东西向。除此之外，并无大的断裂和褶曲存在，根据采煤揭露的断层多为小断层，断距在0.55.0米。勘查区外北侧有

57、半径约70米的陷落柱。2.2 采空区的地球物理特征（Geophysical characteristics of mined areas）煤层赋存于成层分布的煤系地层中，煤层被开采后形成采空区，破坏了原有的应力平衡状态。当开采面积较小时，且煤层顶板为塑性岩石并保存完整，由于残留煤柱较多，压力转移到煤柱上，未引起地层塌落、变形，采空区以充水或不充水的空洞形式保存下来；但多数采空区在重力和地层应力作用下，顶板塌落，形成冒落带、裂隙带和弯曲带。这些地质因素的变化，使得采空区及其上部地层的地球物理特征发生了显著变化，主要表现为：(1)、煤层采空区冒落带与完整地层相比，岩性变得疏松、密实度降低，即单位体

58、积内介质的密度降低，同时使得传播于其中的导电性降低，在电性上表现为高阻异常；(2)、煤层采空区裂隙带与完整地层相比，岩性没有发生明显的变化，但由于裂隙带内岩石的裂隙发育，同时使得传播于其中的导电性变差，岩石的电阻率明显变大。一般情况下，冒落带的高度一般在十几米左右，其内部充填的松散物的视电阻率明显高于周围介质，裂隙带的高度一般在几十米，主要是由于采空区塌陷造成岩石出现裂隙，岩石的电阻率明显变大，而当采空区充水较多时，由于水的存在，导电性变强，采空区的电阻率明显变小。由此可见，采空积水区的视电阻率明显区别于采空区和未采区的视电阻率，是本次电法探测采空积水区的物理前提。2.3 采空区地面调查（Ge

59、ological Survey of gob）忻州窑煤矿为解放前旧矿井改建而成，开采历史悠久，上部煤层在井田的东部埋深较浅的范围内，据矿方调查有古人采的古空区，但已无法考证。解放后到70年代末由于受国家政策的制约，井田内及井田周边没有小煤窑的非法采掘，但随着国民经济的飞速发展，特别是80年代中、后期，一些乡镇和村办煤矿在宽松政策的扶持下迅速崛起；井田内及周边曾分布有各类小窑约17座，大部分开采上部2-1、2-3、3-2号煤层，后因资源的枯竭和有关政策的颁布，使得部分小窑报废关闭。据矿方调查，目前未发现有地方煤矿越层越界乱采。由于关闭的小煤窑年代较长，经该矿多处调查，仍未查到其原始采掘工程平面图

60、，采空区范围和采空区积水无法确定，但该矿上部一水平2-1、2-3、3-2、7-3号煤层1979年已开采结束，延申二水平后，对上部采空区打有放水孔，据调查日放水量小于初期放水量的一倍以上。2.4 小结（Summary）本章简述了矿区井田内的自老至新地层、矿区煤层和区域构造。重点简述了采空区地球物理特征。采空区主要是由于煤层采空后冒落塌陷造成的，岩石出现裂隙，岩石的电阻率明显变大，而当采空区充水较多时，由于水的存在，导电性变强，采空区的电阻率明显变小。采空积水区的视电阻率明显区别于采空区和未采区的视电阻率，是本次电法探测采空积水区的物理前提。3采用的物探技术及其可行性3采用的物探技术及其可行性3 Geophysical techniques used and its feasibil