Risk assessment of roof water inrush in No. 8 coal seam of Jurassic system Yan'an Formation in the first mining area of Xinzhuang Coal Mine in Ningzheng Mining Area
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摘要:
针对新庄矿井水文地质条件特别是矿井水的涌（突）水水源和机理认识不清，直接影响新庄煤矿的安全、高效、绿色开采这一问题，通过水质分析和计算导水裂隙带发育高度，判定新庄矿井8号煤层顶板涌（突）水水源；同时在含水层的厚度、单位涌水量、物探含水层富水异常区、钻孔消耗量、岩芯采取率、地层脆塑性比6个主控因素的含水层富水性分析和综放开采条件下冒裂安全性分析基础上，通过多结果叠合对首采区8号煤层顶板涌（突）水危险性进行评价。结果表明：矿井顶板涌（突）水水源为下白垩统志丹群洛河组砂岩孔隙−裂隙含水层和中侏罗统直罗组、延安组上、中部(煤8层顶板以上)砂岩复合承压含水层，其中下白垩统志丹群洛河组砂岩孔隙−裂隙含水层是主要致灾水源。首采区内8号煤层导水裂隙带发育高度均能沟通洛河组砂岩含水层，首采区全区域为冒裂危险区。8号煤层顶板涌（突）水危险区中Ⅰ区主要分布在首采区的北部及中西部，Ⅱ区主要分布在首采区的中部及中西部，Ⅲ区主要分布在首采区的中东部及南部，Ⅳ区主要分布在首采区的东部及南部。
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关键词:
- 新庄煤矿 /
- 8号煤层 /
- 顶板水害 /
- 叠加分析 /
- 涌(突)水危险性评价
Abstract:The unclear understanding of the hydrogeological conditions of Xinzhuang Coal Mine, especially the water source and mechanism of mine water inrush, directly affects the safety, efficiency, and green mining of Xinzhuang Coal Mine.This time, through water quality analysis and calculation of the development height of the water conducting fracture zone, it is determined that the water source of the roof of the No.8 coal seam in Xinzhuang Coal Mine is water inrush; At the same time, based on the analysis of aquifer water abundance based on six main control factors: aquifer thickness, unit water inflow, geophysical exploration aquifer water abundance anomaly area, borehole consumption, core recovery rate, and formation brittleness plasticity ratio, and based on the safety analysis of caving under fully mechanized top coal caving mining conditions, the risk of water inrush from the roof of No. 8 coal seam in the first mining area was evaluated through multiple results superposition.The results show that the source of water inrush from the roof of the mine is the sandstone pore fissure aquifer of the Luohe Formation of the Lower Cretaceous Zhidan Group and the composite confined aquifer of the upper and middle sandstone of the Middle Jurassic Zhiluo Formation and Yan'an Formation (above the roof of the 8th coal seam). The sandstone pore fissure aquifer of the Luohe Formation of the Lower Cretaceous Zhidan Group is the main source of disaster.The development height of the water conducting fracture zone of the No. 8 coal seam in the first mining area can communicate with the sandstone aquifer of the Luohe Formation, and the entire area of the first mining area is a risk area of cracking.In the roof water inrush danger zone of Coal Seam 8, Zone I is mainly distributed in the north and central west of the first mining area, Zone II is mainly distributed in the middle and central west of the first mining area, Zone III is mainly distributed in the middle and south of the first mining area, and Zone IV is mainly distributed in the east and south of the first mining area.
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0. 引 言
我国煤炭开采方法已经逐步普及自动化并进入智能化开采发展阶段[1-2]。近年来，我国煤炭开采工况条件和地质环境趋于复杂化，传统的记忆截割法已经无法满足煤层突变工况的开采需要，煤岩界面的预先、精准识别成为实现智能化开采，提高开采效率和降低成本的关键技术之一[3-5]。目前，“三机”（工作面采煤机、刮板输送机、液压支架）控制精度已达厘米级，但现有煤岩界面探测方法无法满足煤矿开采的精度要求[6-7]，而在煤岩界面的直接和间接探测方法中，钻孔测量方法由于能直接（穿层孔测量）或间接（顺层孔测量）探测煤岩分界面，且相对其它采前探测方法，测井方法的测量精度较高（能够达到厘米级的界面划分精度），其仪器发展和资料解释对煤岩识别意义重大[8]。
方位电磁波电阻率测井仪在钻孔测量方法中具有一定优势。相对于自然伽马（探测范围浅，约50 cm）、密度（对人体有一定的伤害，放射源安全管理复杂，使用不便）[9]、雷达（目前未发现具有方位分辨能力的孔中装备）、视频方法（测量孔必须穿过煤岩界面）、声波方法（存在声耦合问题，干孔中应用效果较差，且现有声波测井方法很难分辨岩性界面方位）等孔中探测方法，方位电磁波电阻率方法具有探测范围大（根据所使用的源距和频率，探测范围可达3～30 m），能够分辨方位，探测岩性分界面和用于随钻工况环境，其在石油地质导向中取得较好应用效果，但针对煤矿测量环境的方位电磁波研究较少[10-11]，而相对于油田测量环境，煤田测量环境具有：煤层电阻率高、仪器直径较小、仪器作业的安全要求高等特点。因此，发展适用于煤田测量环境的方位电磁波仪器，能够利用超前钻孔、探放水孔和瓦斯抽放孔探明煤岩分界面，为采煤工作面的透明化提供有力勘探资料。同时能够减少瓦斯突出、水害等地质灾害的发生、提高生产效率和降低生成成本。
方位电磁波仪器由常规电磁波仪器发展而来，常规电磁波电阻率仪器由NL公司率先提出，其发射和接收均为轴向线圈，不具有方位分辨能力[12]。2005年，Schlumberger公司率先提出了随钻方位电磁波测井仪器PeriScope，仪器组合使用轴向线圈和倾斜线圈，具有方位分辨和岩性分界面探测能力[13]。随后各大油服公司也相继推出了各自的方位电磁波测井仪器，如Baker Hughes公司的AziTrak，Halliburton公司的ADR和Weatherford公司的GUIDEWAVE等[14-18]，尽管仪器参数有所不同，但岩性边界探测能力大致相同[19]。
笔者针对煤层电阻率的情况，使用广义反射系数法，以PeriScope仪器为基础，分析了其线圈系组合在煤田测量环境中受电阻率对比度、频率、源距、层厚等因素的影响；并使用有限元方法，分析了PeriScope仪器受煤田测井环境中的孔中流体的影响和仪器对采空区探测性能。
1. 岩性边界探测原理
1.1 方位电磁波探测原理
PeriScope方位电磁波电阻率仪器结构示意图如图1所示，仪器的两种线圈系能够测量地质信号（也即岩性分界面信号）和电阻率信号，通过计算电磁信号衰减来反应地层电阻率和岩性变化。其中电阻率信号由轴向发射线圈T和轴向接收线圈
$ {R}_{1} $ 和$ {R}_{2} $ 组成，电磁波信号的衰减与地层电阻率有关，通过测量2个接收处的电势$ {V}_{{{\rm{R}}}_{1}} $ 和$ {V}_{{{\rm{R}}}_{2}} $ ，将其转化为幅度比和相位差后可计算地层电阻率，计算公式如下：$$ {\rm{Att}}=20{\lg}\frac{\sqrt{{\left[{\rm{Re}}\left({V}_{{\rm{R}}_{1}}\right)\right]}^{2}+{\left[{\rm{Im}}\left({V}_{{\rm{R}}_{1}}\right)\right]}^{2}}}{\sqrt{{\left[{\rm{Re}}\left({V}_{{\rm{R}}_{2}}\right)\right]}^{2}+{\left[{\rm{Im}}\left({V}_{{\rm{R}}_{2}}\right)\right]}^{2}}} $$ (1) $$ {\rm{PS}}={{\tan}}^{-1}\frac{{\rm{Im}}\left({V}_{{\rm{R}}_{1}}\right)}{{\rm{Re}}\left({V}_{{\rm{R}}_{1}}\right)}-{{\tan}}^{-1}\frac{{\rm{Im}}\left({V}_{{\rm{R}}_{2}}\right)}{{\rm{Re}}\left({V}_{{\rm{R}}_{2}}\right)} $$ (2) 式中：
$ {\rm{Att}} $ 为幅度比，dB；$ {\rm{PS}} $ 为相位差，（°）；$ {\rm{Re}} $ 为取电压的实部信号，V；$ {\rm{Im}} $ 为取电压的虚部信号，V。地质信号由轴向发射线圈T和倾斜/径向接收线圈R组成（例如图1中的T5和R4），测量时发射线圈中通以交变电流，交变电流在周围介质中产生交变电磁场，交变电磁场在岩性界面处产生积累电荷并形成附加电磁场，附加电场在接收线圈中产生感应电流从而能够被测量，且接收线圈在仪器沿轴线旋转到不同角度时的法相方向不同，其测量的附加电场的强度也不同，实现对地层界面方位的分辨。在使用倾斜线圈或径向线圈测量地质信号时，较为常用的一种方法是测量倾斜线圈在仪器沿轴线转动到不同方位角
$ {\alpha }_{1} $ 和$ {\alpha }_{2} $ （或称工具面向角，$ {\alpha }_{1} $ 和$ {\alpha }_{2} $ 可取0°和180°）时的接收电动势，将其转化为幅度比和相位差地质信号，计算公式如下：$$ {{\rm{Att}}}_{{\rm{Geo}}}=20{{\rm{lg}}}\frac{\sqrt{{\left[{\rm{Re}}\left({V}_{{\alpha }_{1}}\right)\right]}^{2}+{\left[{\rm{Im}}\left({V}_{{\alpha }_{1}}\right)\right]}^{2}}}{\sqrt{{\left[{\rm{Re}}\left({V}_{{\alpha }_{2}}\right)\right]}^{2}+{\left[{\rm{Im}}\left({V}_{{\alpha }_{2}}\right)\right]}^{2}}} $$ (3) $$ {{\rm{PS}}}_{{\rm{Geo}}}={\mathrm{tan}}^{-1}\frac{{\rm{Im}}\left({V}_{{\alpha }_{1}}\right)}{{\rm{Re}}\left({V}_{{\alpha }_{1}}\right)}-{\mathrm{tan}}^{-1}\frac{{\rm{Im}}\left({V}_{{\alpha }_{2}}\right)}{{\rm{Re}}\left({V}_{{\alpha }_{2}}\right)} $$ (4) 式中：
$ {{\rm{Att}}}_{{\rm{Geo}}} $ 为幅度比地质信号，dB；$ {{\rm{PS}}}_{{\rm{Geo}}} $ 为相位差地质信号，(°)。1.2 方位电磁波典型响应特征
为研究PeriScope仪器在煤层水平井中的探测特性，建立如图2所示的地层模型（其中，
$ \theta $ 为井斜角，$ {\rho }_{{\rm{U}}} $ 为顶板电阻率，$ {\rho }_{{\rm{C}}} $ 为煤层电阻率，$ {\rho }_{{\rm{D}}} $ 为底板电阻率），并使用参数：发射匝数NT=100匝，接收匝数NR=100匝，线圈半径r=0.035 m，发射频率f=0.4 MHz，顶底板电阻率$ {\rho }_{{\rm{U}}}={\rho }_{{\rm{D}}}=20 $ Ω·m，煤层电阻率$ {\rho }_{{\rm{C}}}= 150 $ Ω·m。电阻率信号使用：井斜角$ \theta =\mathrm{0,45} $ ，85度，源距LTR1=0.889 m(35 in)和LTR2=1.092 2 m(43 in)；地质信号使用井斜角$ \theta =85 $ °，源距LTR=2.438 4 m(96 in)(1 in=0.025 4 m)。使用广义反射系数法计算的电阻率信号响应结果如图3所示，幅度比和相位差曲线在远离界面时为恒定值，且高阻煤层幅度比响应值小于低阻顶、底板，高阻煤层相位差响应绝对值小于低阻顶、底板；在井斜角较大时，相位差响应信号在界面处出现“犄角”；井斜角对电阻率信号影响可以忽略不计。地质信号模拟结果如图4所示，远离界面位置的地质信号幅度比和相位差响应值都接近0，仪器越接近岩性分界面响应幅值越大，在仪器到达岩性分界面处时幅值达到最大值，且由低阻进入高阻时，幅度比和相位差响应值为正值，由高阻进入低阻时，幅度比和相位差响应值为负值。可以根据地质信号的响应幅值大小，量化反演仪器与界面的距离。
2. PeriScope仪器探测性能分析
目前，未发现针对煤田测井环境设计的商用方位电磁波电阻率测井仪器，为分析方位电磁波测井在煤田测量环境中的探测特性，使用商用石油电磁波测井仪器PeriScope参数，在煤田测量环境中，分析不同影响因素对测量响应的影响，研究适合煤层使用的电磁测量仪器参数设计。
2.1 方位探测性能
如图1所示，PeriScope方位电磁波仪器存在两种线圈系组合方式，为分析其对煤岩界面的方位分辨能力，建立如图5所示的两层地层模型，图中
$ {\rho }_{{\rm{S}}} $ 为围岩电阻率，$ {\rho }_{{\rm{C}}} $ 为煤层电阻率，$ \theta $ 为井斜角，使用参数：发射匝数NT=100匝，接收匝数NR=100匝，线圈半径r=0.035 m，发射频率f=0.4 MHz，围岩电阻率$ {\rho }_{{\rm{S}}}=20 $ Ω·m，煤层电阻率$ {\rho }_{{\rm{C}}}=150 $ Ω·m，井斜角$ \theta = $ 0°、45°、85°，仪器沿轴线旋转的方位角度（也称方位面向角）$ \varphi = $ 0°～360°，电阻率信号使用源距LTR1=0.863 6 m(34 in)和LTR2=1.092 2 m(43 in)，地质信号使用源距LTR=2.438 4 m(96 in)。根据上述模型，计算了PeriScope仪器地质信号探测特性，如图6所示。可以看出，随井斜角增加电阻率信号强度有所减弱，但电阻率信号不随方位面向角变化，即电阻率信号不具有方位分辨能力，仅能用于测量地层电阻率；地质信号在井斜角为0°时，即在直井时没有地质信号，但随着井斜角的增大，信号在地层界面附近出现方位指向性，能够分辨岩性分界面的方位。由于煤田测井中主要关心的是煤岩界面的识别，下文主要分析Persicope仪器的地质信号的探测性能。
2.2 频率与源距对DTB的影响
煤矿钻井地质导向和岩性分界面测量，需要测量仪器具有一定的探测深度，而地质信号探测距离受频率和源距的共同影响[19]，为分析其影响，使用如图5所示的参数，并取井斜角
$ \theta =85 $ °，发射频率f=0.001～1 MHz，源距L=0.5～35 m。使用常用幅度比阈值0.25 dB，相位差阈值1.5°，地质信号最大探边距离DTB（仪器记录点与界面距离）随频率和源距变化的Picasso图如图7所示，图7a为幅度比DTB，图7b为相位差DTB。可以看出DTB随源距和频率的变化而变化，在频率和源距都较小时，DTB趋近于0，不同频率-源距组合的探测深度有所不同；DTB随源距的增加而增加；但随着频率的增加，DTB出现非线性变化。对于不同源距，能够获得最大探测深度的发射频率有所不同，在仪器设计时需要根据目标地层电阻率对比度计算Picasso图，进而合理选取频率和源距组合。![]()
图 7 最大探边距离随源距和频率关系Figure 7. Diagram of maximum probe distance with source distance and frequency2.3 电阻率对比度对探边距离的影响
方位电磁波电阻率DTB受电阻率对比度影响，煤层电阻率对比度较大，且煤层电阻率值较油层高，本文讨论了高阻情况下的电阻率对比度对方位电磁波的影响。使用图5所示的仪器参数，与围岩电阻率
$ {\rho }_{{\rm{S}}}=$ 1～1 000 Ω·m，煤层电阻率$ {\rho }_{{\rm{C}}}=$ 1～1 000 Ω·m，井斜角$ \theta =85 $ °，发射频率f=0.4 MHz，源距L=1.0922, 2.438 4 m (43,96 in)。使用幅度比阈值0.25 dB，相位差阈值1.5°，地质信号DTB随电阻率对比度变化的Picasso图如图8和图9所示，对于任一子图，左上角表示仪器处在高阻层中，右下角表示仪器处在低阻层中。可以看出，幅度比和相位差信号存在DTB趋近于0的测量盲区（电阻率对比度接近1），且幅度比的探测盲区比相位差大，也即相位差信号电阻率对比度的适应范围广。随电阻率对比度增加，幅度比和相位差信号DTB增加。对于同一源距和频率，幅度比信号的DTB比相位差信号大。发射频率为0.4 MHz时，96 in源距的地质信号电阻率适用范围比43 in源距大，且43 in源距地质信号不适用于围岩和目的层电阻率均大于20 Ω·m的情况（但可用于围岩或目的层电阻率其中之一大于20 Ω·m的情况），96 in源距地质信号不适用于围岩和目的层电阻率均大于200 Ω·m的情况（但可用于围岩或目的层电阻率其中之一大于200 Ω·m的情况），根据图7所示的结果，若要测量高阻地层，需要增加源距或选取合适的发射频率。
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图 8 43 in边界探测能力随电阻率对比度变化的“Picasso”图Figure 8. 43 in. Picasso map of geological signal boundary detection capability when resistivity varies![]()
图 9 96 in边界探测能力随电阻率对比度变化的“Picasso”图Figure 9. 96 in. Picasso map of geological signal boundary detection capability as resistivity contrast2.4 层厚影响
为对比方位电磁波在不同层厚条件下的响应特性，在煤层与围岩交替出现的地层模型中（图10中，灰色填充部分代表高阻煤层，白色填充部分代表低阻围岩层）使用如图5所示参数，与井斜角
$ \theta =85 $ °，发射频率f=0.4 MHz，源距L=1.0922，2.438 4 m ( 43,96 in)，煤层厚度为HC=0.1, 0.5, 1.0, 3.0, 5.0, 10.0 m，煤层间的低阻围岩厚度均为10 m。正演模拟结果如图10所示，可以看出，在电阻率对比度较高时，即使地层厚度为0.1 m，地质信号也有较为明显的幅值响应，且地质信号的在界面处的幅值随层厚的增加而增加，但当层厚增加至3 m时，界面处的地质信号幅值不再随层厚的增加而增加；仪器在煤层中进行测量时，当煤层厚度较小时，源距较大的地质信号将同时受煤层与顶、底板分界面的影响，而源距较小的地质信号由于探测深度较小，仅受单一煤岩界面的影响，在进行仪器设计时，需要根据目标区煤层的厚度合理选择源距组合。
2.5 钻孔流体的影响
油田钻井主要采用泥浆钻进的方式，煤田钻井有时也使用风钻等钻进方式。因此，有的井孔在测量时充满泥浆/水，有的井孔内没有泥浆而是空气，还有的井孔因煤层渗流出的地层水，井孔内一半是水一半是空气，本文讨论了钻孔内流体对方位电磁波测量响应的影响。
建立如图11所示的地层模型，并使用如图5所示的仪器参数，与钻孔半径rB=0.05 m，煤层电阻率
$ {\rho }_{{\rm{C}}}=150 $ Ω·m，钻孔中井斜角$ \theta =90 $ °，方位面向角$ \varphi =0 $ °，发射频率f=0.4 MHz，源距L=0.5588, 0.8636, 2.1336, 2.438 4 m (22,34,84,96 in)，煤层厚度H=5 m。当仪器居中时（偏心距Offset=0），无钻孔、充水孔、空气孔和一半为水一半空气孔的有限元方位信号响应模拟结果如图12所示，在模型所设置的参数情况下，当井径较小且仪器居中时，无论钻孔中填充的是水或空气，其对方位信号的影响可以忽略不计。![]()
图 11 含钻孔三层地层模型示意Figure 11. Schematic diagram of the three layer formation with drilling hole![]()
图 12 仪器居中时钻孔流体对地质信号的影响Figure 12. Influence of borehole fluid on geological signal when instrument is centered但当仪器偏心、且井眼较大时，由于钻孔中的流体相对仪器轴具有不对称性，其产生的磁场也将发生变化，其他参数不变时，取rB=0.10 m，offset=0.064 m，方位信号测量响应如图13所示，可以看出，相位差信号在远离界面位置处的响应值不趋近于0，给界面位置的判别和反演带来了一定困难，需要对测量信号做井眼影响校正，幅度比信号在此模型参数时受井孔流体的影响较小。
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图 13 仪器偏心时钻孔流体对地质信号的影响Figure 13. Influence of borehole fluid on geological signal when instrument is eccentric2.6 采空区
当矿区内存在采空区时，人员与机械设备都可能掉入采空区内部受到伤害，且遇到老窑水时有可能发生透水事故，使矿山生产面临安全风险，本文讨论了方位电磁波地质信号对采空区的探测性能。
建立如图14所示的采空区正演模拟地层模型，其中
$ {\rho }_{{\rm{C}}} $ 为煤层电阻率，$ {\rho }_{{\rm{E}}} $ 为采空区电阻率，T为发射线圈，R接收线圈，仪器保持水平姿态沿Z轴方向测量。使用如图5所示的仪器参数，与煤层电阻率$ {\rho }_{{\rm{C}}}=150 $ Ω·m，井斜角$ \theta =90 $ °，方位面向角$ \varphi =0 $ °，发射频率f=0.4 MHz，源距L=0.5588, 0.8636, 2.1336, 2.438 4 m (22,34,84,96 in)；采空区长度$ {L}_{{\rm{E}}}=10 $ m，高度$ {H}_{{\rm{E}}}=5 $ m，宽度$ {W}_{{\rm{E}}}=5 $ m（图14中宽度方向为纸面法线方向）。采空区电阻率分为3种情况讨论：
①采空区全被地层水填充，设置其电阻率为
$ {\rho }_{{\rm{E}}}=0.5 $ Ω·m，其方位信号响应如图15所示；②采空区坍塌但未充水，设置其电阻率为${\rho }_{{\rm{E}}}=1\;000$ Ω·m，其方位信号响应如图16所示。③采空区全被空气填充，设置其电阻率为$ {\rho }_{{\rm{E}}}={10}^{6} $ Ω·m，其方位信号响应如图17所示。![]()
图 15 采空区全充水时的方位电磁波响应Figure 15. Azimuth electromagnetic response of goaf filled with water![]()
图 16 采空区部分充空气时的方位电磁波响应Figure 16. Azimuth electromagnetic response of goaf partially filled with air![]()
图 17 采空区全充空气时的方位电磁波响应Figure 17. Azimuth electromagnetic response of goaf filled with air可以看出，在仪器距离采空区较远时，无论采空区是高阻或低阻方位信号响应均接近0。当采空区为低阻（充水）时，由高阻煤层进入低阻采空区时，幅度比响应信号幅值增大且为负值，由低阻水进入高阻煤层时，幅度比响应信号幅值增大且为正值，在界面处响应幅值达到最大值；在源距较短时（22 in, 34 in）相位差响应信号特征与幅度比相同，但当源距较大时（84 in, 96 in），相位差曲线在岩性界面附近出现震荡（信号的震荡给界面位置的反演增加了困难），因此，幅度比信号对低阻异常体的响应特征优于相位差。当采空区为高阻（充空气）时，幅度比和相位差信号在岩性界面处的幅值减小，也即地质信号对高阻异常体不敏感，且相对于低阻异常体，幅度比和相位差信号在高阻异常体边界附近的幅度均有所减小，但幅度比信号减小较相位差信号快，因此，相位差对高阻异常体的响应特征优于幅度比。综上所述，方位电磁波响应信号在高阻和低阻异常体岩性界面附近具有明显的响应差异性，且在低阻异常体界面附近的地质信号幅度较大。
2.7 分辨率
在如图5所示的两层地层模型中，使用幅度比阈值0.25 dB，相位差阈值1.5°，取有效信号强度的20%为仪器能够分辨的最小变化（也即0.05 dB和0.3°），在不同煤层、围岩电阻率，发射频率时，方位电磁波仪器PeriScope的最高分辨率见表1。
表 1 PeriScope仪器分辨率Table 1. PeriScope instrument resolution行号 围岩电阻率/（Ω·m） 煤层电阻率/（Ω·m） 发射频率/MHz 幅度比分辨率/cm 相位差分辨率/cm 源距
22 in源距34 in 源距84 in 源距96 in 源距22 in 源距34 in 源距84 in 源距96 in 1 5 50 0.1 — — 56.5 19.4 — 12.0 12.3 12.0 2 5 50 0.4 — — 13.7 11.2 4.0 5.4 6.3 5.2 3 5 100 0.4 — — 13.5 11.2 4.1 5.4 6.3 5.3 4 5 250 0.4 — — 12.2 11.0 4.0 5.5 6.2 5.3 5 5 500 0.4 — — 13.0 11.2 4.0 5.5 6.5 5.3 6 5 50 2.0 6.8 6.0 3.5 4.5 3.0 2.7 1.5 1.6 7 20 200 0.1 — — — — — — 15.2 15.9 8 20 200 0.4 — — 56.5 19.4 — 12.0 12.3 12.0 9 20 200 2.0 — — 11.5 9.2 3.8 5.2 5.5 4.3 10 20 2000 2.0 — 8.0 11.5 9.4 3.7 5.3 5.8 4.2 由表1的第2～5行可知，同一源距的幅度比和相位差信号分辨率随电阻率对比度的增加变化较小；由第1、2、6行可知，仪器的分辨率随发射频率的增加而增加，且相位差信号分辨率高于幅度比信号；在相同电阻率对比度下，随电阻率的增加，地质信号分辨率变化较小（如第1、2、6行与第8、9、10行对比）；分辨率与源距不具有简单的对应关系。综上可知，PeriScope在不含噪声和常用阈值的理想情况下具有较高分辨率，实际使用时，由于检测能力、噪声水平、环境因素等的影响，其分辨率将有所下降。
3. 结 论
1）方位电磁波仪器地质信号，在仪器由高阻进入低阻地层与低阻进入高阻地层时测量信号存在正、负值符号差异，具有方位分辨能力，能够用于识别煤岩分界面和采空区岩性界面。
2）仪器对煤岩界面的探测能力受源距、频率、层厚、电阻率对比度等影响，且当煤层和围岩电阻率均较高时，其他参数不变的情况下，地质信号在岩性分界面附近信号幅值减小，要对高阻情况进行测量，需要增加线圈系源距或合理选择发射频率。
3）电阻率对比度越大，仪器对煤岩界面的探测能力越强，对于同一电阻率对比度，围岩与目的层的电阻率越低，仪器对煤岩界面的探测能力越强。
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图 1 陇东盆地宁正矿区内含水岩组剖面示意
Figure 1. Profile diagram of water-bearing rock formation in Ningzheng Mining Area of Longdong Basin
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图 2 新庄井田矿井综合水文地质柱状图
Figure 2. Comprehensive hydrogeological histogram of Xinzhuang Mine Field
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图 3 新庄井田下白垩统志丹群洛河组含水层地下水piper图
Figure 3. Piper map of aquifer groundwater in luohe formation of lower cretaceous Zhidan Group in Xinzhuang Mine Field
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图 4 新庄矿井下白垩统志丹群洛河组地下水矿化度分布
Figure 4. Distribution map of groundwater mineralization in luohe formation of lower cretaceous Zhidan Group in Xinzhuang Coal Mine
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图 5 新庄井田178口钻孔8号煤层距洛河组底板距离及导水裂隙带发育高度对比
Figure 5. Comparison of the distance from No. 8 coal seam of 178 boreholes in Xinzhuang Coal Field to the floor of Luohe Formation and the development height of water conducting fracture zone
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图 6 新庄井田洛河组砂岩含水层富水性主控因素专题图
Figure 6. Thematic map of main control factors for water abundance of sandstone aquifer in Luohe Formation of Xinzhuang Mine Field
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图 7 新庄井田洛河组砂岩含水层富水性主控因素单因素归一化专题图
Figure 7. Single factor normalization thematic map of main control factors for water yield of sandstone aquifer in Luohe Formation of Xinzhuang Mine Field
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图 9 新庄矿井首采区洛河组砂岩含水层富水性综合分区
Figure 9. Comprehensive zoning map of water yield of sandstone aquifer in Luohe formation in the first mining area of Xinzhuang coal mine
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图 10 新庄矿井8号煤层顶板距洛河组距离与导水裂隙带发育高度对比
Figure 10. Comparison between the distance from the roof of Coal Seam 8 in Xinzhuang Coal Mine to the Luohe Formation and the development height of the water conducting fracture zone
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图 11 新庄矿井首采区8号煤层突水危险性分区
Figure 11. Water inrush risk zoning map of coal seam No.8 in the first mining area of Xinzhuang Min
表 1 导水裂隙带发育高度计算值与实测值对比
Table 1 Comparison between the calculated and measured values of the development height of the water conducting fracture zone
矿名 采厚/
m实测值/
m计算值/
m绝对误差 相对误差/% 亭南 3.5 121 127.27 6.27 5.18 大佛寺 3.9 150 134.76 −15.24 10.16 文家坡 7 171 174.56 3.56 2.08 玉华 8 165 183.07 18.07 10.95 胡家河 10.1 225.43 197.03 −28.40 12.60 大佛寺 11.22 189.05 202.92 13.87 7.34 大佛寺 11.6 211.7 204.73 −6.97 3.29 胡家河 12.1 194.1 206.98 12.88 6.64 大佛寺 12.55 191 208.89 17.89 9.37 雅店 12.6 214.2 209.09 −5.11 2.38 小庄 15.8 217.25 220.12 2.87 1.32 孟村矿 17.5 273.11 224.65 −48.46 17.74 
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表 2 方案层中要素对决策目标的排序权重
Table 2 The ranking weight of the factors to the decision goal in the scheme layer
方案 单位涌水量C5 消耗量C6 含水层厚度C4 脆塑性比C7 权重 0.2956 0.1911 0.1478 0.1204 方案 上部富水
异常区C1岩芯采取率
C8中部富水
异常区C2底部富水
异常区C3权重 0.0967 0.0758 0.0483 0.0242
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[1] 董书宁,姬亚东,王 皓,等. 鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田典型顶板水害防控技术与应用[J]. 煤炭学报,2020,45(7):2367−2375. DONG Shutong,JI Yadong,WANG Hao,et al. Prevention and control technology and application of roof water disasterin Jurassic coal field of Ordos Basin[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(7):2367−2375.
[2] 周全超,张洪清,焦 扬,等. 基于组合赋权法的煤层顶板突水危险性评价[J]. 科学技术与工程,2022,22(9):3497−3503. ZHOU Quanchao,ZHANG Gongqing,JIAO Yang,et al. Evaluation of the risk of water inrush from coal roof based on combination weighting method[J]. Science Technology and Engineering,2022,22(9):3497−3503.
[3] 曾一凡,刘晓秀,武强,等. 双碳背景下“煤-水-热”正效协同共采理论与技术构想[J]. 煤炭学报,2023,48(2):538−550. ZENG Yifan,LIU Xiaoxiu,WU Qiang,et al. Theory and technical conception of coal-water-thermal positive synergistic co-extraction under the dual carbon background[J]. Journal of China Coal Society,2023,48(2):538−550.
[4] 孙 魁,夏玉成,李 成,等. 综放开采条件下煤层顶板涌( 突) 水危险性评价[J]. 西安科技大学学报,2019,39(3):452−460. SUN Kui,XIA Yucheng,LI Cheng,et al. Risk assessment of water inflow( inrush) from coal seam roof under fully mechanized caving mining[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology,2019,39(3):452−460.
[5] 孙 魁,王 英,李 成,等. 巨厚煤层顶板离层水致灾机理研究[J]. 河南理工大学学报(自然科学版),2018,37(2):14−21. SUN Kui,WANG Ying,LI Cheng,et al. Mechanism of roof separation water disaster in thick coal seam[J]. Journal of Henan Polytechnic University(Natural Science),2018,37(2):14−21.
[6] 孙 魁. 煤矿水害致灾机理研究[D]. 西安: 西安科技大学, 2016. SUN Kui. Study on disaster-causing mechanism of coal mine flood[D]. Xi’an: Xi’an University of Science and Technology, 2016.
[7] 郭晋伟. 五龙煤矿水文地质特征及水害分析[J]. 江西煤炭科技,2020(1):39−43. GUO Jinwei. Analysis of hydrogeological characteristics and water hazard in Wulong colliery[J]. Jiangxi Coal Science & Technology,2020(1):39−43.
[8] 武 强,崔芳鹏,赵苏启,等. 矿井水害类型划分及主要特征分析[J]. 煤炭学报,2013,38(4):561−565. WU Qiang,CUI Fangpeng,ZHAO Suqi,et al. Type classification and main characteristics of mine water disasters[J]. Journal of China Coal Society,2013,38(4):561−565.
[9] 柳 宁,赵晓光,解海军,等. 榆神府地区煤炭开采对地下水资源的影响[J]. 西安:西安科技大学学报,2019,39(1):71−78. LIU Ning,ZHAO Xiaoguang,XIE Haijun,et al. Influence of coal mining on groundwater resources in Yushenfu Area[J]. Xi’anJournal of Xi’an University of Science and Technology,2019,39(1):71−78.
[10] 范立民. 保水采煤的科学内涵[J]. 煤炭学报,2017,42(1):27−35. FAN Limin. Scientific connotation of water-preserved mining[J]. Journal of China Coal Society,2017,42(1):27−35.
[11] FAN Limin,Ma Xiongde. A review on investigation of water-preserved coal mining in western China[J]. International Journal of Coal Science & Technology,2018,5(4):411−416.
[12] 范立民,马雄德,冀瑞君. 西部生态脆弱矿区保水采煤研究与实践进展[J]. 煤炭学报,2015,40(8):1711−1717. FAN Limin,MA Xiongde,JI Ruijun. Progress in engineering practice of water-preserved coal mining in western eco-environment frangible area[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(8):1711−1717.
[13] 武 强,黄晓玲,董东林,等. 评价煤层顶板涌(突)水条件的“三图-双预测法”[J]. 煤炭学报,2000,25(1):60−65. WU Qiang,HUANG Xiaoling,DONG Donglin,et al. “Three maps-two predictions” method to evaluate water bursting coditions on roof coal[J]. Journal of China Coal Society,2000,25(1):60−65.
[14] 武 強,许 珂,张 维. 再论煤层顶板涌(突)水危险性预测评价的“三图-双预测法”[J]. 煤炭学报,2016,41(6):1341−1347. WU Qiang,XU Ke,ZHANG Wei. Further research on “three maps-two predictions”method for prediction on coal seam roof water bursting risk[J]. Journal of China Coal Society,2016,41(6):1341−1347.
[15] WU Q,LIU Y Z,ZHOU W F,et al. Assessment of water inrush vulnerability from overlying aquifer using GIS-AHP-based “three maps-two predictions” method: A case study in Hulusu coal mine, China[J]. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology,2015,48(3-4):234−243. doi: 10.1144/qjegh2015-014
[16] WU Q,LIU Y Z,ZHOU W F,et al. Evaluation of water inrush vulnerability from aquifers overlying coal seams in the menkeqing coal mine, China[J]. Mine Water and the environment,2015,34(3):258−269. doi: 10.1007/s10230-014-0313-5
[17] 曾一凡,武 强,赵苏启,等. 我国煤矿水害事故特征、致因与防治对策[J]. 煤炭科学技术,2023,51(7):1−14. ZENG Yifan,WU Qiang,ZHAO Suqi,et al. Characteristics, causes, and prevention measures of coal mine water hazard accidents in China[J]. Coal Science and Technology,2023,51(7):1−14.
[18] 任晓波,吴瑞芳. 基于煤层顶板充水含水层水压的“修正三图-双预测法”研究[J]. 煤炭工程,2016,48(S2):131−133. REN Xiaobo,WU Ruifang. A modified three graphics-two predictions method based on hydraulic pressure of aquifers above coal seam roof[J]. Coal Engineering,2016,48(S2):131−133.
[19] 马雄德,范立民,贺卫中,等. 浅埋煤层高强度开采突水危险性分区评价[J]. 中国煤炭,2015,41(10):33−36. MA Xiongde,FAN Limin,HE Weizhong,et al. Zoning and evaluation on water inrush risk in shallow coal seam with high intensity mining[J]. China Coal,2015,41(10):33−36.
[20] 张海荣,周荣福,郭达志,等. 基于GIS复合分析的煤矿顶板水害预测研究[J]. 中国矿业大学学报,2005,34(1):112−116. ZHANG Hairong,ZHOU Rongfu,GUO Dazhi,et al. Investigation on predicting roof water gush in coal mines based on multi-factor analysis[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2005,34(1):112−116.
[21] 许 武,夏玉成,杜荣军,等. 导水裂隙带预计经验公式的“三性”探究[J]. 矿业研究与开发,2013,33(6):63−67. XU Wu,XIA Yucheng,DU Rongjun,et al. Study on three properties of the empirical formula for estimating the height of water-flowing fractured zone[J]. Mining Research and Development,2013,33(6):63−67.
[22] 张子祥. 甘肃省宁正矿区新庄井田煤质及工业用途评价[J]. 甘肃地质,2022,31(1):36−40,55. ZHANG Zixiang. Coal quality characteristics and industrial uses of coal in Ningzheng mine area, Gansu[J]. Gansu Geology,2022,31(1):36−40,55.
[23] 牛永强. 宁正矿区白垩系砂岩水文地质特征及煤层顶板涌水危险性评价[D]. 邯郸: 河北工程大学, 2013. NIU Yongqiang. Hydrogeology features of cretaceous sandstone and evaluation on water inrush danger of roof in Ningzheng mining area[D]. Handan: Hebei Engineering University, 2013.
[24] 吴铁卫. 宁正矿区洛河组含水层水文地质特征及防治对策[J]. 中国煤炭地质,2021,33(S1):65−68. WU Tiewei. Luohe Formation aquifer Hydrogeological features and control countermeasures in Ningzheng mining area[J]. Coal Geology of China,2021,33(S1):65−68.
[25] 崔俊峰,李 媛,王大龙,等. 宁正矿区深埋含水层地下水水化学特征研究[J]. 中国煤炭地质,2022,34(8):60−67. CUI Junfeng,LI Yuan,WANG Dalong,et al. Study on groundwater Hydrochemical characteristics of deep aquifers in Ningzheng mining area[J]. Coal Geology of China,2022,34(8):60−67.
[26] 杨小全. 宁正矿区顶板水害防治技术探索研究[J]. 内蒙古煤炭经济,2020(17):121−122. YANG Xiaoquan. Research on roof water hazard prevention technology in Ningzheng mining area[J]. Inner Mongolia Coal Economy,2020(17):121−122.
[27] 曹小永. 宁正矿区三维地震试验资料品质分析研究[J]. 内蒙古煤炭经济,2019(23):213−221. doi: 10.3969/j.issn.1008-0155.2019.23.149 CAO Xiaoyong. Study on the quality analysis of 3D seismic test data in Ningzheng mining area[J]. Inner Mongolia Coal Economy,2019(23):213−221. doi: 10.3969/j.issn.1008-0155.2019.23.149
[28] 董宗兵. 甘肃省庆阳市宁正矿区煤层瓦斯分析研究[J]. 甘肃科技,2018,34(20):20−22. DONG Zongbing. Analysis and research on coal seam gas in Ningzheng mining area, Qingyang city, Gansu province[J]. Gansu Science and Technology,2018,34(20):20−22.
[29] 中国煤炭地质总局. 鄂尔多斯盆地聚煤规律及煤炭资源评价[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1996. China National Administration of Coal Geology. Coal Accumulating and coal resource evaluation of Ordos Basin. [M]. Beijing: China Coal Industry Publishing House, 1996.
[30] 刘亚南,崔旭东. 陇东盆地白垩系环河组水文地质条件[J]. 地下水,2009,31(1):55−57. LIU Yanan. Hydrogeological conditions of the cretaceous Huanhe formation in the Longdong Basin[J]. Ground Water,2009,31(1):55−57.
[31] 宫厚健,曾一凡,刘守强,等. 基于改进模糊层次分析法的含水层富水性评价[J]. 煤炭技术,2018,37(1):158−159. GONG Houjian,ZENG Yifan,LIU Shouqiang,et al. Evaluation of water-richness of aquifer based on improved fuzzy analytical hierarchy process[J]. Coal Technology,2018,37(1):158−159.
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