林场煤矿TVLF煤矿探水雷达探测工程设计书.docx
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林场煤矿TVLF煤矿探水雷达探测工程设计书
右江矿务局有限公司林场煤矿
四煤可采范围水害普查
TVLF煤矿探水雷达地面探测设计书
编写：
梁恒声
审核：
探放科科长：
梁恒声
副总工程师：
总工程师：
矿长：
林场煤矿探放水科
二O一四年二月二十七日
汇签表
审批
签名
意见
探放科
生产科
安通科
机电科
生产副矿长
安全副矿长
总工
矿长
序言
一、任务来源
TVLF煤矿探水雷达的基本原理是利用人工超低频电磁波的良好的穿透能力及现代弱信号处理技术，利用矿山水体反射的某些特征信号来反演其在地层中的有无及位置信息，通过提取特征信号的特征参数，完成地层地质信息的立体反演。
林场煤矿准备开采四煤，第一个为2401工作面。
根据工作需要，秉着“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的探放水原则，我矿拟于2014年3月份采用TVLF矿用探水雷达在地面对准备开掘的2401工作面及周围区域进行针对性探测，查明工作面周围的积水情况，为林场煤矿准备开掘的2401工作面以及四煤其它工作面的设计及探放水布置提供参考依据。
此次探测,我们选取林场煤矿中央水仓作为已知区域，使设备自主学习本地地质信息。
之后对准备开掘的2401工作面（未知区域）进行探测，以探明2401工作面及四周的含水或积水情况。
二、探测区概况
探测的已知区域是林场煤矿的中央水仓，中央水仓标高-30m，地面标高+131m，垂深约161m。
地面地势较为平坦，无较大起伏，落差在5m左右,为旱地。
中央水仓的探测布置两条测线，各十个测点。
探测的未明区域在林场煤矿准备开掘的四煤可采范围，分别由4块相邻的300米×300米的测区构成。
四煤的开采标高为-10～-108m，地面标高+110～+115m，地面地势较为平坦，无较大起伏，落差在5m左右,为水田地。
三、探测执行规范及标准
施工前认真做好实验工作，确定统一的采集参数。
在执行过程中，严格遵照相关物探规范及标准，严格控制资料的质量。
执行的规范及标准有：
1、《煤炭电法勘探规范》（MT/T898-2000）；
2、《地面探水雷达技术规程》；
3、原煤炭部颁布《煤炭资源勘探工程测量规程》；
4、《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314-2001）。
四、矿区地质和水文地质条件
1、以往地质和水文地质工作评述
矿区勘探到建井至今已有近48年历史，工作从1966年元月15日至8月12日竣工，广西150勘探队对矿区进行精查。
一共施工35个钻孔，总工作量为6017.27m。
矿井田以第四系松散冲积层（即砂砾层和卵石层）为主要含水层，该含水层水量较丰富，但埋藏很浅。
第三系含水层含水性弱，对开采影响不大。
井田内断层影响带附近无地下活动富集带形成，断层透水性很差。
井田整体水文地质属简单类型。
相邻的新州一号井开采多年的矿井涌水量均在100m3/h以下。
经过近四年的开采，目前林场煤矿矿井正常涌水量在8m3/h，最大涌水量在12m3/h左右。
矿井补给水主要是主、副井筒主要含水砂砾层和卵石层沿井筒下流补给，该水量随雨季降水量增大而增大；另外一方面的矿井补给水是煤层局部顶、底板含水砂层受开采影响而局部涌出。
控制矿井涌水量的关键措施，是留设适当的防水煤柱，避免采空区冒落造成的导水裂隙带勾通上覆第四系卵石含水层。
2、矿区概况
林场煤矿于2008年12月28日正式投产，矿井设计能力15万吨/年，一个开采水平，标高为-30米。
主采煤层甲五、甲四煤层。
现矿井主要延伸东翼开拓巷道-28轨道大巷、-20皮带大巷。
3、位置、范围及交通
林场煤矿井田位于百色煤田中部南翼，地理位置位于田阳县百育镇境内，隶属百色市田阳县百育镇管辖。
南（宁）～百（色）二级公路从井田东北部通过，西距百色市区约50km，东至南宁210km。
矿井距南（宁）昆（明）铁路线约2km。
南宁～百色高速公路从右江南岸通过。
右江河流经井田南面（距井田边界1～2km），一年四季可通汽轮，逆水上行可达百色，顺流而下可至南宁、广州，水陆交通相当方便。
1、井田范围
东以第110勘探线与新州一号井为界；西以100勘探线为界；南以煤层露头线为界；北以树标－陆浓正断层为界。
矿井井田区域共由以下15个拐点坐标连线圈定。
点号
1954北京坐标系
1980西安坐标系
X坐标
Y坐标
X坐标
Y坐标
A
2620090
36396697
2620031.768
36396623.470
B
2621000
36395813
2620941.780
36395739.467
C
2622312
36394754
2622253.796
36394680.464
D
2622445
36394894
2622386.796
36394820.466
E
2622621
36394689
2622562.799
36394615.465
F
2622607
36394515
2622548.800
36394441.463
G
2623110
36394110
2623051.806
36394036.462
H
2623190
36393860
2623131.808
36393786.460
I
2623550
36393540
2623491.812
36393466.459
J
2623664
36393134
2623605.815
36393060.456
K
2622675
36392360
2622616.810
36392286.445
L
2622320
36392850
2622261.805
36392776.448
M
2621627
36393968
2621568.794
36393894.454
N
2619510
36394940
2619451.771
36394866.452
O
2619120
36396050
2619061.763
36395976.460
面积
6.851km2
6.851km2
开采标高
+149.4m至－200m
+149.575m至－199.825m
2、邻近区域情况
林场煤矿井田东面附近，右江矿务局有限公司已先后建设了长岭、州景、里拉、塘内、小龙等矿井，西面、北面尚未有正规矿井开采。
据了解，林场煤矿井田浅部曾有非法小煤窑进行开采，多数小煤窑开采地点及范围不详，矿井浅部开采前须予以查清。
4、地形地貌
1、地形、地势
井田范围内以平原地貌为主，西部分布有少量低山丘陵，广覆第四系，地面标高+102m～+143.5m，地形起伏不大。
2、河流、气象
右江河是百色盆地、也是林场煤矿井田范围内的主要河流，因井田附近及田阳县没有水文站，目前缺乏本区域准确的水文资料。
据井田上游百色市右江区拉域水文站记载：
当地最高洪水位为+123.48m，最低水位为+109.10m；下游田东水文站记载：
当地最高洪水位为+102.28m，最低水位为+88.44m。
位于林场煤矿井田下游方向广西田东县境内的右江鱼梁枢纽工程2011年11月开始蓄水，首次蓄水高程为H=+97.00m，最终蓄水高程为H=+99.50m，井田西北部有百育水库，井田影响范围内蓄水面积及蓄水量都较少，且位于边缘，其水体对煤层开采无影响，但水库大坝须予以保护，除右江之外，本井田内只有一些流量很小的河沟。
林场煤矿井田区域属亚热带气候，温和潮湿，雨量充沛，全年无霜冻期。
月平均最低气温9.8℃，月平均最高气温33.8℃。
每年5～9月为雨季，年最大降雨量为1626.6mm，年最小降雨量为821.0mm，降雨量多集中在5～8月。
5、地层
林场煤矿井田位于百色煤田中部。
百色煤田聚煤期为新生代晚第三世，属湖沼相含煤建造。
根据岩相及聚煤情况，可分为那读组、田东组、新州组以及仓圩组。
多为砂岩、粉砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩等碎屑岩类组成。
林场煤矿井田系属新州含煤组，所见地层从下到上主要有田东组、新州组、仓圩组及第四系，从下到上将其主要岩性分述如下：
（1）、田东组
为林场煤矿井田含煤组下伏地层。
主要为褐灰色泥岩，厚层，极致密，节理颇发育，稍含螺蚌壳化石碎片。
顶部多含砂质，成为砂质泥岩，均呈褐灰色，是与上覆岩层之区别。
本组厚度不详。
（2）、新州组
该组厚200～320m，平均260m。
主要由浅灰绿色的泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩等组成，林场煤矿甲4、甲5两层可采煤层，均赋存于本组下部。
从下往上岩性如下：
a、砂质泥岩、泥质砂岩、粉砂岩、细砂岩层：
以前者为主，构成甲5煤层直接底板。
有时为泥岩，岩性渐变或互层状，浅灰绿色，可与田东组相区别。
粉砂岩、细砂岩层为新州组的含油层位。
b、甲5——甲4煤层段：
甲五煤层结构比较简单，其间多为浅黄灰色、灰色、灰绿色的白垩质砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩。
含丰富的螺蚌壳化石。
c、甲4煤层——甲4煤层结构比较复杂,标志层段：
为砂质泥岩、泥岩、粉砂岩等岩层。
呈灰、砖灰及浅灰绿色。
以砂质泥岩为主，中含钙质结核。
偶有薄层泥灰岩，中夹有炭质页岩及薄煤数层。
d、标志层：
为煤、炭质页岩、白垩质砂岩互层。
顶板及煤中夹有小螺蚌壳化石薄层，为本层之特征。
厚度从0.05m～6.00m，发育普遍，为百育探区施工中指导见煤及对比之依据。
e、标志层——甲1煤层段：
为泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩及粉砂岩等岩层。
以泥岩为主。
呈褐黄、紫红、灰绿等杂色是本段岩性特征，中夹数层炭质页岩及薄煤层。
本段顶部甲1煤层在108线以东普遍发育，个别达到可采。
为新州组与苍圩组之分界线。
甲1煤层往下6m左右，发育有菱铁矿之油页岩，暗草绿色，刻划具油之痕，易于辨认，厚0.17～0.97m，可作对比与指导见煤依据。
（3）、苍圩组：
上部为浅灰、砖灰色，下部为褐黄、紫红、灰绿等杂色。
由厚层状之泥岩、泥质砂岩、砂质泥岩等组成。
岩性渐变，含钙之结核。
有时夹粉砂、细纱岩层及薄层泥灰岩。
本组不含可采煤层，仅夹薄层炭质页岩或煤线。
（4）、第四系
表土层为土黄、黄褐、褐红、灰白、深灰等杂色之粘土为主，致密具可塑性。
中下部含砂逐渐增多，成为亚粘土、亚砂土或细砂层，含腐植质，具臭味。
厚度2m～20.6m。
卵石层：
普遍发育，不整合覆盖于下伏第三系地层之上。
主要为石英砾，半滚圆度，粒径一般3～6cm，大者可达10cm以上。
充填物为大量泥沙及粘土，稍固结，偶有铁质胶结薄层，坚硬，呈饱和状，为第四系含水层。
厚度0.30～21.65m。
6、地质构造
林场煤矿井田位于百色煤田向斜盆地南翼中段，地层走向北西——南东，倾向北东，倾角平缓，浅部一般7°，深部一般12°。
断层较多，并有次一级的褶曲，现分述如下：
（1）、断裂构造
井田内发育有四条断层，从北到南分别为：
树标－陆浓大断层、坡雷岭断层、百鸾断层和那兰断层，具体特征见下表。
井田主要断层一览表
断层
名称
位置
产状（度）
长度
（km）
断层
类型
断距
（m）
走向
倾向
倾角
树标－陆浓大断层
井田北部边界
北东－南西
北东
65
7
正断层
38～138
坡雷岭断层
井田西南浅部
北西－南东
北东
65
1
正断层
0～68
百鸾断层
井田中心浅部
北西－南东
北东
60
0.8
正断层
0～40
那兰断层
井田东南边界
北西－南东
东北
70
3
正断层
46～70
（2）、褶皱构造
a、井田西部沿倾向倾伏的背、向斜褶曲构造。
向斜轴部为102勘探线，左、右毗邻的101、103勘探线则分别为背斜轴部，构成了甲5煤层浅部沿走向的波状起伏，规模小，对煤层影响不大。
b、那兰背斜：
轴向北东－南西，大致沿10961、10962等孔分布，沿倾向倾伏。
此背斜东南翼被那兰正断层破坏，对煤层影响不大。
7、区域水文地质概况
1、主、副井筒主要含水砂砾层和卵石层水沿井筒下流补给，该水量随雨季降水量增大而增大。
2、煤层顶、底板局部含水砂层受开采影响而局部涌出。
3、本矿井浅部煤层与地表相距30～60m，开采浅部煤层时保护煤柱留设不合理会导致导水裂隙带穿透第四系含水卵石层，发生水砂溃进回采工作面。
4、旧巷水、采空区水、断层含水破碎带水也构造成矿井涌水之一。
8、含水层
林场煤矿井田以第四系松散冲积层（即砂砾层和卵石层）为主要含水层，该含水层水量较丰富，但埋藏很浅根据不同分布特征，该含水层可分为一级阶地含水层和二级阶地含水层。
1、一级阶地含水层：
地面标高多在106-109m左右，第四系堆积物最大厚度为23.4m，又上而下可分为：
（1）、亚粘土：
土黄色，粘接性较好，厚度在1.59-14.46m，多不透水。
（2）、亚砂土：
上部为深黄色，下部为灰黄色，主要由细砂组成，含少许粘土，松散，透水厚度为1.59-9.11m。
（3）、卵石层：
主要由粗细砾的石英组成，其中充填有粗砂、细砂和少量粘土，颗粒直径最大可达10cm，一般在3-8cm，次圆状结构松散，富水性强；一般厚2.17-15.78m；据10862孔抽水资料，单位涌水量为0.091L/Sm。
2、二级阶地含水层：
地面标高为109-120m，主要由斑状红土和砂砾层组成，最大厚度33.94m最小厚度为1.91m，平均厚度为11.41m，亦为探区主要含水层，含孔隙潜水，透水性稍差，常在阶地前缘和地形低洼处有泉水出露，泉水的流量一般在1.0L/秒米左右，为水量中等的含水层。
9、隔水层
百育探区煤层所在的第三系，岩性主要为泥岩、粉砂岩、细砂岩等，根据钻孔资料，煤层的顶板多为泥岩，少量为粉砂岩、细砂岩；泥岩结构致密，透水性差，为良好的隔水层；细砂岩、粉砂岩层位不稳定，多呈透镜体夹在泥岩中，为弱含水层，补给条件差，相互间的水力联系也不密切；今后煤层开采受矿坑充水影响的主要因素将是这些砂岩透镜体，但总体含水性较弱，对开采有一定的影响。
相邻的长岭矿井开采多年的矿井涌水量均在100m3/h以下。
控制矿井涌水量的关键措施，是留设适当的防水煤柱，避免采空区冒落造成的导水裂隙带勾通上覆第四系卵石含水层。
根据相邻矿井实际涌水情况，林场煤矿初步设计中确定的矿井正常涌水量为75m3/h，最大涌水量为150m3/h。
10、矿井充水条件
1、根据钻孔资料及已掘露的巷道看，煤层的顶、底板多为泥岩，少量为粉砂岩、细砂岩，细砂岩、粉砂岩层位不稳定，多呈透镜体夹在泥岩中，为弱含水层，补给条件差，相互间的水力联系也不密切，今后煤层开采造成矿坑充水的主要因素将是这些砂岩透镜体，但总体含水性较弱，对开采有一定的影响。
2、由于探区被第四系广泛覆盖，第四纪含水层直接接受大气降水和地表水的补给；今后对探区浅部煤层的开采影响较大的含水层为第四纪含水层。
11、井田及周边地区老窑水分布状况
林场煤矿井田浅部曾有非法小煤窑进行开采，其开采地点及范围概述如下：
1、井筒西边
（1）、小煤窑1，坐标为X：
2621792，Y：
36393990；在采空区1501工作面回风巷外侧21米处，96年建成，采用立井开拓，井筒支护方式为全圆拱红砖砌碹，直径均为￠1200mm；出煤两个月左右，约700吨煤，因水太大及当时设备落后而停产，小窑井已塌陷并填平，无明显储水。
（2）、小煤窑2，坐标为：
X：
2621828，Y：
36393878；在采空区1501工作面原切眼外侧44米，于88年建成，后因矿主意见不统一停产。
属斜井开拓，由于时间较长压力大小窑井已塌陷并填平，无明显储水。
（3）、小煤窑3，坐标为X：
2621978，Y：
36393789；位于地表油库围墙边；为斜井开采，于98年开采出煤，但出煤不多，因工人受伤停产；地表已填平，无明显储水。
（4）、小煤窑4，坐标为X：
2622111，Y：
36393541；位于驮岂屯村口左侧小路约150米处，地表旱地，井口标有“1997年12月26日平果班建成”字样。
立井开拓，红砖砌体全圆拱Φ2000mm，村民反映该井出煤较多，且从井口丢下石头听见水体声响清晰，存有一定的矿井水。
但小煤窑4位于村庄和油库保安煤柱内，因此对矿井的开采不受影响。
以上小煤窑1、2、3，分布在原1501采面煤层露头附近，该工作面于2009年6月底回采完并进行封闭，小煤窑4位于油库和村庄保护煤柱范围内，上述四个小煤窑均对矿井开采未构成威胁。
2、井筒东边
林场煤矿在靠煤层露头附近的那话屯小河边发现有三处小煤窑开采痕迹，其情况如下：
（1）、小煤窑（3号井）位于那话屯村口往鱼塘大约138m处，在河沟边附近开采，井口标高+110m，开采深度100m，已停采2年。
据现场巡查没有明显裂隙和塌陷。
（2）、小煤窑（2号井）距3号井180m，在河沟边附近开采，井口标高+108m，开采深度100m，已停采2年半。
据现场巡查没有明显裂隙和塌陷。
（3）、小煤窑（1号井）距2号井230m，在河沟边附近开采，井口标高+102m，开采深度100m，已停采2年。
据现场巡查没有明显裂隙和塌陷。
12、探区岩层地球物理条件
不同的岩层具有不同的电阻率，电法勘探就是通过测定地下不同地点不同深度的电阻率的差异来达到寻找目标地质体的目的。
理论上讲，干燥的岩石的电阻率为无穷大，但实际上岩石孔隙、裂隙总是含水的，并且随着岩石的湿度或者含水饱和度的增加，电阻率急剧下降。
岩层完整时其电阻率较高，受构造运动等地质作用的影响岩层中常发育有破碎裂隙，破碎程度及其含水的饱和度越大，岩石的导电性会显著增强，地层电阻率明显降低。
垂直方向上由于地层岩性的不一致以及向下地层沉积年代增加，致使它在垂向上有较明显的电性差异，总体形式是由浅到深电阻率逐渐增大。
由于沿水平方向上地层沉积基本稳定，通常情况下测区地层横向电性差异变化不大，在所测地层电性剖面上电阻率值也将显示出层状分布特征。
但若在个别地段由于地质因素使得该处地层内富水性大大增强时，其电阻率值将会急剧下降，甚至降低到正常值的1/10-1/20左右，使得该地段电阻率值的层状分布特征发生显著改变，所产生的明显差异正是利用探水雷达法进行水文地质勘探的地球物理前提。
四、TVLF煤矿探水雷达探测
1、TVLF煤矿探水雷达探测方法原理
利用地下不同物质电阻率不同的原理，结合超低频电磁波的良好的穿透能力及现代弱信号处理技术，通过对矿山灾害水体反射的某些特征信号的反演，确定其在地层中的有无及位置信息。
通过提取特征信号的特征参数，再结合相关证据理论融合算法，完成对地层地质信息的立体反演。
雷达所起的作用和眼睛和耳朵相似，当然，它不再是大自然的杰作，同时，它的信息载体是无线电波。
事实上，不论是可见光或是无线电波，在本质上是同一种东西，都是电磁波，传播的速度都是光速，差别在于它们各自占据的频率和波长不同。
其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息（目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等）。
测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。
测量目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量。
测量仰角靠窄的仰角波束测量。
根据仰角和距离就能计算出目标高度。
测量速度是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应原理。
雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。
从多普勒频率中可提取的主要信息之一是雷达与目标之间的距离变化率。
当目标与干扰杂波同时存在于雷达的同一空间分辨单元内时，雷达利用它们之间多普勒频率的不同能从干扰杂波中检测和跟踪目标。
2、TVLF煤矿探水雷达探测工作方法
4.2.1发射系统连接
把布好发射线缆的两个总部接头分别接到发射机的发送回线AB,用4芯转4芯的连接线把直流稳压电源的AC输出端口和发射机的交流器插头连接，用2芯转2芯的电源＋连接线把直流稳压电源的VO＋接口和发射机电源＋，用2芯转2芯的电源－连接线把直流稳压电源的VO－接口和发射机电源－，用8芯转8芯的同步线把发射机的同步接口和同步仪的同步接口连接。
4.2.2接收系统连接
用4芯转USB接口的连接线把接收机的USB接口和笔记本电脑连接；用15芯转4芯的连接线把接收机天线接口和接收天线连接；用8芯转8芯的同步线把接收机同步接口和同步仪同步接口连接。
3、对比验证工作
4.3.1自主学习探测布置设计
对比实验工作是在矿区已知地区用TVLF煤矿探水雷达进行仪器自主学习，使仪器对探测地区地层等情况有自主学习的过程，此次自主学习的对象是林场煤矿的中央水仓，中央水仓标高-30m，地面标高+131m，垂深约161m。
地面地势较为平坦，无较大起伏，落差在5m左右,为田地。
现布置两条测线，每条测线10个测点。
测线间距和测点间距均为20米。
4．3.3未知区域的探测
探测的未明区域在林场煤矿准备开掘的四煤可采范围，分别由4块相邻的300米×300米的测区构成，分别命名为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区块（见井上下对照图）。
四煤的开采标高为-10～-108m，地面标高+110～+115m，地面地势较为平坦，无较大起伏，落差在5m左右,为田地。
Ⅰ区块布置16条测线，各16个测点；Ⅱ区块布置15条测线，各16个测点；Ⅲ区块布置15条测线，各15个测点；Ⅳ区块布置16条测线，各15个测点。
4.4各区块测线坐标对照表
区块Ⅰ：
1、测线1
测点
测点号
坐标值
X
Y
1
0
29345542.5
21686598.3
2
20
29345562.5
21686598.3
3
40
29345582.5
21686598.3
4
60
29345602.5
21686598.3
5
80
29345622.5
21686598.3
6
100
29345642.5
21686598.3
7
120
29345662.5
21686598.3
8
140
29345682.5
21686598.3
9
160
29345702.5
21686598.3
10
180
29345722.5
21686598.3
11
200
29345742.5
21686598.3
12
220
29345762.5
21686598.3
13
240
29345782.5
21686598.3
14
260
29345802.5
21686598.3
15
280
29345822.5
21686598.3
16
300
29345842.5
21686598.3
区块Ⅰ：
2、测线2：
测点
测点号
坐标值
X
Y
1
0
29345542.5
21686618.3
2
20
29345562.5
21686618.3
3
40
29345582.5
21686618.3
4
60
29345602.5
21686618.3
5
80
29345622.5
21686618.3
6
100
29345642.5
21686618.3
7
120
29345662.5
21686618.3
8
140
29345682.5
21686618.3
9
160
29345702.5
21686618.3
10
180
29345722.5
21686618.3
11
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