瞬變電磁法在探測(cè)采空區(qū)灌漿范圍中的應(yīng)用

牛 宏，陳連城

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

1 工程概況

大同煤田為“雙系”煤田,上部賦存侏羅系煤層,煤田面積772 km2；下部賦存石炭二疊系煤層。大同礦區(qū)侏羅系含煤地層屬于內(nèi)陸盆地河湖沼澤相沉積,煤層多、間距近,煤層分叉合并現(xiàn)象較為普遍,煤層傾角為1～8°。煤系地層總厚度為234 m,其含煤15個(gè)層組,22個(gè)煤層,煤層總厚度22.5 m,含煤系數(shù)為9.6%。煤層賦存特征分為三段,上部為中厚煤層,中部主要為薄煤層,下部主要以厚煤層為主。下部煤層層間距較近,埋藏深度為220～360 m?，F(xiàn)在生產(chǎn)礦井的開(kāi)采大部分已經(jīng)進(jìn)入下部煤層的開(kāi)采,上部為采空區(qū)。由于侏羅系煤層為易自燃發(fā)火煤層,在井田內(nèi)已出現(xiàn)了大量的火區(qū)。目前大同地區(qū)主要以黃泥灌漿為防滅火手段,取得了明顯的效果。但是,在灌漿的過(guò)程中,由于漿液在采空區(qū)內(nèi)呈擴(kuò)散狀況,對(duì)于泥漿的擴(kuò)散范圍和具體層位的確定是非常困難的?，F(xiàn)在的衡量標(biāo)準(zhǔn)就是灌滿為止,所以,經(jīng)常出現(xiàn)跑漿、串漿現(xiàn)象,造成大量的漿液浪費(fèi),嚴(yán)重影響了防滅火效果。目前還沒(méi)有比較好的方法測(cè)定漿液的擴(kuò)散情況,本項(xiàng)目利用瞬變電磁探測(cè)技術(shù)對(duì)灌漿范圍進(jìn)行跟蹤探測(cè)研究,通過(guò)計(jì)算機(jī)分析,能夠比較準(zhǔn)確的圈定出擴(kuò)散范圍,在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果[1－2]。

2 瞬變電磁法勘探原理[3]

瞬變電磁法的勘探原理是利用人工在發(fā)射線圈加以脈沖電流,產(chǎn)生一個(gè)瞬變的電磁場(chǎng),通過(guò)不接地回線向勘探目標(biāo)發(fā)送一次磁場(chǎng),該磁場(chǎng)垂直發(fā)射線圈向兩個(gè)方向傳播,通常是在地面布設(shè)發(fā)射線圈,依據(jù)半空間的傳播原理,利用接收線圈測(cè)量接收到的感應(yīng)二次磁場(chǎng)電動(dòng)勢(shì)V2。該電動(dòng)勢(shì)包含了地下介質(zhì)電磁性特征,通過(guò)二次磁場(chǎng)衰減變化的信號(hào)特征來(lái)解釋和反演地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的形狀。當(dāng)?shù)叵麓嬖诹紝?dǎo)體時(shí),良導(dǎo)體在一次場(chǎng)的激勵(lì)下產(chǎn)生較大的感應(yīng)渦流,在脈沖磁場(chǎng)斷掉后渦流磁場(chǎng)緩慢按照指數(shù)規(guī)律衰減;若地下存在隱伏高阻介質(zhì),產(chǎn)生的感應(yīng)渦流二次場(chǎng)的幅度較小,二次磁場(chǎng)很快衰減。根據(jù)二次場(chǎng)的特征可以判斷被探測(cè)地質(zhì)體的大小和導(dǎo)電性,并可推斷出賦存位置、深度及產(chǎn)狀特征。黃泥灌漿的漿液土水比一般為1:3～5,水是主要的,因?yàn)樗橇紝?dǎo)體,探測(cè)時(shí)反映的特征比較明顯。所以,可以利用瞬變電磁法來(lái)進(jìn)行灌漿擴(kuò)散范圍的測(cè)定。

3 探測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

探測(cè)所采用的儀器是西安強(qiáng)源物探研究所生產(chǎn)的EMRS－3型瞬變電磁勘探儀,工作裝置重疊回線,供電線圈:3 m×3 m,供電電流1 200 A,接收線圈:6匝8次疊加。采樣程序:分22道,80 ms～19.4 ms,22測(cè)道。使用小型線圈,保證測(cè)點(diǎn)中心位置對(duì)應(yīng)的地質(zhì)體響應(yīng)最佳。1 000 A以上的供電電流,保證了V2信號(hào)的信噪比。

通過(guò)廣泛收集和深入研究灌漿區(qū)域及鄰近地區(qū)的有關(guān)地質(zhì)、水文、物探、測(cè)繪等資料,并組織現(xiàn)場(chǎng)踏勘。為了能夠圈定出漿液范圍,盡量減少探測(cè)工作量,測(cè)點(diǎn)采用以灌漿孔為中心的“十字”型布置。物探測(cè)線點(diǎn)的布設(shè)遵循應(yīng)盡可能垂直于探測(cè)對(duì)象的走向,測(cè)點(diǎn)距應(yīng)能良好反映探測(cè)目的層(物),主要圍繞“能有效的檢測(cè)采空區(qū)的注漿效果”的目的任務(wù)要求,并考慮地形的影響以及盡量垂直采空區(qū)、巷道的走向、斷裂走向等諸多因素,共布設(shè)約2條測(cè)線,見(jiàn)圖1。兩條測(cè)線以鉆孔為中心垂直布置,測(cè)線1走向?yàn)楸睎|38°展布,測(cè)點(diǎn)數(shù)41個(gè),點(diǎn)距為20 m；測(cè)線2走向?yàn)楸睎|118°展布,測(cè)點(diǎn)數(shù)41個(gè),點(diǎn)距為20 m。兩條測(cè)線及主要測(cè)點(diǎn)均由課題組測(cè)量人員實(shí)際施工,物探測(cè)點(diǎn)由礦用經(jīng)緯儀結(jié)合皮尺定位進(jìn)行布放,點(diǎn)位精度均較高[4]。

圖1 采空區(qū)灌漿瞬變電磁法展點(diǎn)圖

4 數(shù)據(jù)處理[5]

瞬變電磁的室內(nèi)解釋工作是在地質(zhì)體地球物理特征和區(qū)內(nèi)地質(zhì)概況的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,礦體采空后,本區(qū)潛水面埋深較大,采空區(qū)內(nèi)無(wú)積滿水的可能,一維反演電阻率剖面圖上表現(xiàn)為局部的高阻異常。采空區(qū)注漿后,相對(duì)增強(qiáng)了采空區(qū)的導(dǎo)電性,高阻異常相對(duì)降低,相對(duì)低阻。根據(jù)兩者的電性差異特性可以檢測(cè)出采空區(qū)灌漿的范圍。

室內(nèi)數(shù)據(jù)的處理解釋推斷應(yīng)遵守從已知到未知、從點(diǎn)到面、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從局部到全區(qū)的原則。電法解釋在依據(jù)地球物理規(guī)律分析電法觀測(cè)資料和地電斷面參數(shù)間關(guān)系的同時(shí),綜合分析研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)規(guī)律,分析地電斷面和地質(zhì)斷面之間的聯(lián)系。綜合考慮地質(zhì)理論、勘探區(qū)內(nèi)的地質(zhì)規(guī)律以及電法資料所反映的某些客觀異?，F(xiàn)象做出客觀的推斷。數(shù)據(jù)處理遵循野外采集數(shù)據(jù)的原始性,按照數(shù)據(jù)瀏覽(N文件去掉文件頭)－－建立多道剖面(定性解釋)－－正演模型建立和數(shù)據(jù)校正－－對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的有效測(cè)道進(jìn)行編輯(選擇有效測(cè)道)－－一維反演處理(建立初始模型,迭代計(jì)算)的處理程序?qū)γ恳粋€(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。室內(nèi)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果看出:野外采集的V2響應(yīng)值曲線,各條測(cè)線的多測(cè)道剖面圖,和一維反演電阻率剖面圖各個(gè)圖件所反映的高低阻異常電性特征基本吻合,因此可以解釋地質(zhì)體的電性特征,采空區(qū)內(nèi)灌入的泥漿可以作為特殊的低阻體,泥漿的組份中含有大量的水,相比圍巖的電阻率明顯減小,呈現(xiàn)低阻異常。

通過(guò)單點(diǎn)一維視電阻率反演處理,結(jié)合采空區(qū)的深度和大致的賦存范圍,煤層采空區(qū)的深度大概60～100 m處,可以得到灌漿范圍的一維反演圖。

一維反演處理需要合適的初始參數(shù),如果參數(shù)選擇的不合理,會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)果(多解性)。一般要考慮目標(biāo)層的電性和厚度合理選擇。由于試驗(yàn)前沒(méi)有獲得更多的詳細(xì)參考資料,參考研究區(qū)內(nèi)已知的鉆井資料,而本次處理的采空區(qū)目標(biāo)層煤層深度約60～100 m,厚度為2 m,考慮到煤層開(kāi)采后的頂板垮落,因此采空區(qū)的范圍大致為3～4 m。煤層開(kāi)采目標(biāo)層很薄,其體積效應(yīng)很小,處理的精度受影響。本次研究結(jié)合該區(qū)現(xiàn)有的地質(zhì)地球物理模型,對(duì)兩條測(cè)線的各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行一維反演。通過(guò)這兩條測(cè)線的一維反演的剖面圖較準(zhǔn)確的推斷采空區(qū)灌漿大致范圍。

根據(jù)一維反演剖面圖可以得出區(qū)內(nèi)地層的電阻率值大致范圍:

第1層第四系黃土覆蓋層,電阻率5～20 Ω·m；

第2層煤層采空區(qū),電阻率150～350 Ω·m;

第2層采空區(qū)灌漿層,電阻率500～900 Ω·m。

因?yàn)槊簩硬煽諈^(qū)與采空區(qū)灌漿區(qū)的電性差異較大,可以根據(jù)其高低阻測(cè)出灌漿范圍大小。從一維視電阻率反演處理結(jié)果,可以看出在高、地阻異常點(diǎn)的位置以及大致深度,根據(jù)一維反演剖面圖可以看出1線、2線綠色相對(duì)低阻區(qū)分布范圍,則是采空區(qū)灌漿大致范圍。

圖2 大同煤田采空區(qū)灌漿瞬變電磁法第一測(cè)線一維反演電阻率剖面圖

圖2 為第一測(cè)線一維反演電阻率剖面圖,一維反演電阻率剖面圖上8點(diǎn)～35點(diǎn)表現(xiàn)為相對(duì)低阻異常,電阻率等值線緊密閉合,異常中心電阻率ρ＝350 Ω·m,經(jīng)鉆孔驗(yàn)證此處已注漿,注漿效果較好。一維反演電阻率剖面圖上1點(diǎn)～7點(diǎn)異常中心電阻率ρ＝950 Ω·m,表現(xiàn)為相對(duì)高阻。 經(jīng)鉆孔驗(yàn)證此處無(wú)注漿,為采空區(qū)。

圖3 大同煤田采空區(qū)灌漿瞬變電磁法第二測(cè)線一維反演電阻率剖面圖

圖3 為第二測(cè)線一維反演電阻率剖面圖,一維反演電阻率剖面圖上9點(diǎn)～35點(diǎn)表現(xiàn)為相對(duì)低阻異常,電阻率等值線緊密閉合,異常中心電阻率ρ＝350 Ω·m,經(jīng)鉆孔驗(yàn)證此處已注漿,注漿效果較好。一維反演電阻率剖面圖上1點(diǎn)～6點(diǎn)異常中心電阻率ρ＝950 Ω·m,表現(xiàn)為相對(duì)高阻。 經(jīng)鉆孔驗(yàn)證此處無(wú)注漿,為采空區(qū)[6]。

5 結(jié)論建議

1)瞬變電磁法不僅能有效的探查采空區(qū),而且能有效的檢測(cè)采空區(qū)的注漿效果,通過(guò)瞬變電磁法對(duì)注漿區(qū)進(jìn)行的檢測(cè),在瞬變電磁法的一維反演電阻率剖面圖上,高阻異常等值線表現(xiàn)為采空區(qū)、裂隙發(fā)育等異常特征。灌漿后,異常特征明顯發(fā)生變化,剖面圖上反應(yīng)為低阻。

2)已探明的采空區(qū)如果作了回填、灌漿等加固處理后,要進(jìn)行加固處理效果檢測(cè),是否還有空洞等不密實(shí)區(qū)。利用瞬變電磁法與原探測(cè)采空區(qū)瞬變電磁資料作一對(duì)比,就能很清楚的看出處理后的效果。

[1]徐永圻.采礦學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[2]李增學(xué).煤礦地質(zhì)學(xué)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2009.

[3]曹靜,吳燦燦,李雪等.瞬變電磁法的原理及野外工作技術(shù)簡(jiǎn)介[J].科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng),2009(06):9-10.

[4]薛國(guó)強(qiáng),宋建平,李貅.用瞬變電磁法識(shí)別地下電性分界面[J].煤田地質(zhì)與勘探,2003(05):49-51.

[5]康文獻(xiàn),張東闊,李海曉.瞬變電磁法在采空區(qū)戡察中的應(yīng)用[J].中州煤炭,2009(04):26-27.

[6]于泰鵬,張首波.采空區(qū)瞬變電磁探測(cè)方法分析[J].中國(guó)煤炭工業(yè),2011(01):50-51.