地面物探在采空區(qū)及積水勘查中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

衛(wèi)立剛

(山西西山晉興能源公司 斜溝煤礦，山西 興縣 033602)

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

地面物探在采空區(qū)及積水勘查中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

衛(wèi)立剛

(山西西山晉興能源公司 斜溝煤礦，山西 興縣 033602)

為了勘察斜溝煤礦13#煤層黃輝頭一帶可能存在的采空區(qū)和積水區(qū)，綜合采用瞬變電磁法和活性炭測氡法進(jìn)行地面物探。通過設(shè)備穩(wěn)定性分析及噪聲測試確定勘探設(shè)備及其參數(shù)，并設(shè)計(jì)勘探網(wǎng)絡(luò)?？碧浇Y(jié)果分析表明，勘探區(qū)中東部鄰近邊界側(cè)可能存在1處部分充水的采空區(qū)，此外，全區(qū)還可能零散分布著6個積水區(qū)。該結(jié)果可作為煤礦規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、進(jìn)行安全生產(chǎn)的理論依據(jù)。

地面物探；采空區(qū)分布；積水性評價(jià)；瞬變電磁法；活性炭測氡法

“物探”即地球物理勘探，是一種運(yùn)用物理學(xué)的方法和原理，對分布在地球的各種物理場進(jìn)行觀測的技術(shù)手段。經(jīng)過國內(nèi)外長達(dá)60多年的研究與應(yīng)用，一系列物探技術(shù)已趨于成熟[1，2].目前，對于煤礦井下物理場分布勘查而言，應(yīng)用較多的是地面物探中的地震勘探、電法勘探和磁法勘探等。本文采用瞬變電磁法與活性炭測氡法，通過合理布置測線和測點(diǎn)在斜溝煤礦黃輝頭一帶進(jìn)行勘探工作，研究其井下采空區(qū)分布和積水情況，為現(xiàn)場的安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 工程背景

斜溝煤礦位于呂梁山脈西北部，地表總體邊緣高中部低，大面積被第三、四系松散層覆蓋。本次勘探礦井主采的13#煤，13#煤層位于太原組下部，最大埋深280 m，平均厚度14.5 m. 井田內(nèi)賦存多個含水層，富水性弱～中等。

斜溝井田東部邊界外存在黃輝頭煤礦，該煤礦生產(chǎn)期間開采13#煤層，于2002年因暴雨引發(fā)淹井后關(guān)閉。因此，需在斜溝煤礦與黃輝頭煤礦交界一帶設(shè)計(jì)并布置探勘網(wǎng)，探明采空區(qū)分布及積水情況，避免小窯老空區(qū)積水事故的發(fā)生。

2 煤系地層電性分析

煤層開采后形成采空區(qū)，破壞了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，應(yīng)力向殘留煤柱上轉(zhuǎn)移。部分采空區(qū)未坍塌，以充水或空洞的形式保存下來；但多數(shù)采空區(qū)在重力和圍巖應(yīng)力的作用下變形、坍塌，這些地質(zhì)變化使得采空區(qū)上部地層的地球物理特征發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為：煤層采空區(qū)上方垮落帶、裂隙帶內(nèi)巖性疏松，導(dǎo)水系數(shù)增大，使其電阻率遠(yuǎn)小于周圍不含水巖層的電阻率[3].

根據(jù)上述機(jī)理，煤系地層有層狀分布的特點(diǎn)。在煤層未受采動影響的情況下，頂板巖層橫向上導(dǎo)電性相對均一，若順地層方向上局部地段出現(xiàn)破碎時(shí)，將呈現(xiàn)電阻率異常。因此，采用瞬變電磁法得到巖層水平方向上的電阻率后，通過對比、分析其變化，可推測出地質(zhì)異常狀況。

此外，采動破壞了原巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，導(dǎo)致巖體產(chǎn)生變形，改變了地層中氣體的聚集環(huán)境，主要表現(xiàn)為：采空區(qū)周邊為低應(yīng)力區(qū)，氣體通過大量裂隙向此區(qū)域運(yùn)移、富集[4]. 由于氡是一種廣泛賦存在巖石中的惰性氣體，且具有放射性，因此，可以通過測量地表氡元素的濃度(即測量氡及其子體衰變所釋放的γ射線的強(qiáng)度)來探明采空區(qū)的分布范圍。

3 方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 勘探設(shè)備及參數(shù)的確定

1) 瞬變電磁法。

選擇專業(yè)瞬變電磁勘探設(shè)備Terra TEM儀器，進(jìn)行設(shè)備穩(wěn)定性分析和噪聲測試。

設(shè)備穩(wěn)定性分析是指在同一位置使用相同的儀器，采用同一參數(shù)進(jìn)行重復(fù)觀測，計(jì)算兩組采樣數(shù)據(jù)的相對均方誤差，分析得出儀器的穩(wěn)定性。如圖1所示，Terra TEM儀器的兩次觀測曲線基本重合，經(jīng)計(jì)算所有時(shí)窗的均方相對誤差為5.04%，表明該儀器穩(wěn)定性良好。

圖1 瞬變電磁儀穩(wěn)定性試驗(yàn)對比曲線圖

噪聲測試是指在不發(fā)射一次場的情況下，記錄測區(qū)的背景噪音，從而在試驗(yàn)階段確定合適的噪音參數(shù)，確保在正式采集數(shù)據(jù)時(shí)，有效測道的感應(yīng)電壓值大于背景場值。如圖2所示，帶“·”曲線是正常區(qū)噪聲曲線，其余3條是高壓線下的噪聲曲線，相互間差別不大。

圖2 噪聲測試試驗(yàn)曲線圖

在此基礎(chǔ)上，對勘探裝置的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)和對比，包括線圈大小、增益、疊加次數(shù)、測量延時(shí)和測量時(shí)窗，最終確定瞬變電磁法裝置的各項(xiàng)參數(shù)，結(jié)果見表1.

表1 瞬變電磁法設(shè)備及參數(shù)表

2) 活性炭測氡法。

影響活性炭測氡法準(zhǔn)確性的因素包括采集器埋置時(shí)間和測量時(shí)間。因此，選擇2個試驗(yàn)點(diǎn)，分別在2處埋置一定數(shù)量的采集器，分別進(jìn)行埋置時(shí)間3天、4天、5天、6天和測量時(shí)間1 min、2 min、3 min的試驗(yàn)，結(jié)果分別見圖3，圖4.

圖3 測氡采集器埋置時(shí)間試驗(yàn)曲線圖

由圖3結(jié)果表明，同一測點(diǎn)的采集器埋置時(shí)間在3天、4天、5天、6天的差別不大，均在平均值上下浮動，在野外檢查觀測30%的限差內(nèi)，選擇埋置時(shí)間為4天。

圖4 測氡采集器測量時(shí)間試驗(yàn)曲線圖

圖4是同一個采集樣品測量時(shí)間1 min、2 min、3 min的試驗(yàn)曲線，氡濃度在3 880～4 370 Bq/m3變化，平均濃度4 077 Bq/m3，且均在20%的濃度范圍內(nèi)，因此選擇測量時(shí)間2 min.

3.2 勘探布置及施工

瞬變電磁法和活性炭測氡法一般垂直于地質(zhì)構(gòu)造走向布置，此時(shí)獲得的地電信號最佳，勘探效果最好。結(jié)合勘探區(qū)域?qū)嶋H地質(zhì)情況，采用走向布置，勘探網(wǎng)絡(luò)20 m(線距)×20 m(點(diǎn)距)，設(shè)計(jì)并完成瞬變電磁勘探線128條，物理點(diǎn)2 632個；活性炭測氡勘探線128條，物理點(diǎn)2 708個。勘探區(qū)域大致分布情況見圖5.

圖5 勘探區(qū)域分布圖

4 結(jié)果分析

4.1 采空區(qū)分布

本次勘探區(qū)域內(nèi)沒有已知的采空區(qū)，因此將已有鉆孔SK09作為參照，通過SK09孔柱狀圖和測井曲線分析得出該處沒有采空區(qū)，SK09孔附近感應(yīng)電壓比值為9.13，氡濃度為1 372 Bq/m3，從而得出以下推論：

1) 感應(yīng)電壓比值低于9.13或氡濃度高于1 372 Bq/m3的區(qū)域可能存在采空區(qū)。

2) 感應(yīng)電壓比值高于9.13或氡濃度低于1 372 Bq/m3的區(qū)域不存在采空區(qū)。

本次勘探得到全區(qū)瞬變電磁感應(yīng)電壓比值平面等值線圖和活性炭測氡氡濃度平面等值線圖分別見圖6和圖7. 其中，淺灰色代表感應(yīng)電壓比值大和氡濃度相對高，深灰色代表感應(yīng)電壓比值小和氡濃度相對低。

圖6 瞬變電磁感應(yīng)電壓比值平面等值線圖

圖7 活性炭測氡氡濃度平面等值線圖

圖6顯示，編號C1區(qū)域的感應(yīng)電壓比值小于9.13，該區(qū)域可能存在采空區(qū)。圖7顯示，編號C2、C3區(qū)域的氡濃度值大于1 372 Bq/m3，該區(qū)域也可能存在采空區(qū)。勘探區(qū)屬典型的黃土高原地貌，侵蝕沖刷劇烈，且受人文因素影響較大，單一物探方法圈定的異常區(qū)準(zhǔn)確性較差，因此，將二者成果綜合考慮，并結(jié)合勘探區(qū)的水文、地質(zhì)資料，分析認(rèn)為在勘探區(qū)的中東部靠近井田邊界附近存在一個采空區(qū)，即圖6中的C1區(qū)域。

4.2 積水性評價(jià)

勘探區(qū)內(nèi)13#煤層積水性評價(jià)主要通過瞬變電磁法進(jìn)行分析，煤層底板順層視電阻率富水性分析見圖8. 根據(jù)瞬變電磁法工作原理，煤層頂、底板附近含水將引起瞬變電磁異常，表現(xiàn)為視電阻率局部高或視電阻率急劇變化。因此，在圖8中推斷出7個積水區(qū)，根據(jù)小窯采空區(qū)計(jì)算公式：

W靜=KFM/cosα

式中：

W靜—采空區(qū)積水的靜儲量，m3；

M—采高，m；

F—小窯采空區(qū)平面積，m2；

α—煤層傾角，(°)；

K—采空區(qū)充水系數(shù)，取0.3～0.5.

計(jì)算得到采空區(qū)內(nèi)C1-1的積水量為832.48 m3.此外，在勘探區(qū)的非采空區(qū)推斷異常積水區(qū)6個，分別為S1、S2、S3、S4、S5和S6. 現(xiàn)將勘探區(qū)內(nèi)所有推斷異常區(qū)域進(jìn)行匯總，見表2.

5 結(jié) 論

1) 針對斜溝煤礦黃輝頭一帶13#煤層可能存在采空區(qū)和積水區(qū)的情況，本文采用瞬變電磁法和活性炭測氡法進(jìn)行地面物探，并通過試驗(yàn)確定了勘探設(shè)備及其參數(shù)。

圖8 煤層底板順層視電阻率富水性分析圖

編號推斷類型面積/m2積水量/m3C1采空區(qū)929198—C1-1采空積水區(qū)14830983248S1積水區(qū)928484—S2積水區(qū)1640091—S3積水區(qū)1538277—S4積水區(qū)3770067—S5積水區(qū)1748887—S6積水區(qū)824765—

2) 結(jié)合斜溝煤礦具體的地理、地質(zhì)狀況，在煤礦東部邊界緊鄰黃輝頭一帶規(guī)劃勘探網(wǎng)，設(shè)計(jì)并完成電磁勘探線128條，物理點(diǎn)2 632個；測氡勘探線128條，物理點(diǎn)2 708個，得到相關(guān)勘探圖像。

3) 根據(jù)勘探區(qū)內(nèi)已有鉆孔SK09的柱狀圖和測井曲線分析，該孔附近無采空區(qū)，因此將SK09孔的感應(yīng)電壓比值和氡濃度作為參考標(biāo)準(zhǔn)，采用對比法推斷全區(qū)內(nèi)是否存在采空區(qū)和積水區(qū)。結(jié)果表明，勘探區(qū)中東部鄰近邊界處可能存在一個采空區(qū)，且該采空區(qū)內(nèi)可能存在充水現(xiàn)象；此外，全區(qū)零散分布著6個可能積水區(qū)，其中位于勘探區(qū)中部的2個面積較大。

[1] 劉盛東，劉 靜，岳建華.中國礦井物探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵問題[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(1)：19-25.

[2] 王紅藝.地面物探的特點(diǎn)及在礦產(chǎn)勘察工作中的應(yīng)用[J].資源環(huán)境與工程，2011，25(6)：628-632.

[3] 李月雷，劉鴻福，王 凱.瞬變電磁法在河津福星煤業(yè)采空區(qū)的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2012(3)：162-165.

[4] 王鶴宇.采空區(qū)地球物理勘探方法[J].物探與化探，2012(10)：34-39.

Design and Application of Ground Geophysical Prospecting in Goaf and Water Logging Exploration

WEI Ligang

In order to investigate the potential goaf and water-logged zone of No.13 coal seam in Xiegou coal mine Huanghuitou area, the geophysical prospecting is carried out by using transient electromagnetic method and radon measurement with active carbon. The equipment and its parameters are determined by equipment stability analysis and noise testing, and the exploration network is designed. The analysis of exploration results shows that there may be a partially water filled gob near the boundary in the middle and east of the exploration area. In addition, there may be scattered water areas in the whole area. The results can be used as a theoretical basis for risk avoidance and safe production.

Ground geophysical prospecting; Goaf distribution; Water logging evaluation; Transient electromagnetic method; Radon measurement by activated carbon

2016-08-13

衛(wèi)立剛(1981—)，男，山西平陸人，2006年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，工程師，主要從事煤礦開采工作

(E-mail)233397337@qq.com

TD853.391

B

1672-0652(2016)09-0023-04