基于礦井瞬變電磁法探測巖層裂隙富水性研究

吳超凡邱占林陳 棟

(1.龍巖學院資源工程學院,福建省龍巖市,364012; 2.龍巖學院礦井水害防治研究所,福建省龍巖市,364012)

基于礦井瞬變電磁法探測巖層裂隙富水性研究

吳超凡1,2邱占林1,2陳 棟1,2

(1.龍巖學院資源工程學院,福建省龍巖市,364012; 2.龍巖學院礦井水害防治研究所,福建省龍巖市,364012)

為了查明武平縣某礦巖層裂隙富水性,采用多通道改進小線框礦井瞬變電磁法探測技術對該礦＋350巷道側幫100 m、頂板50 m范圍內巖層進行3條測線實際探測。該方法能夠提高巷道周圍含水異常探測的準確率,有助于增強其對含水體的敏感響應,并對研究巷道全空間渦流電場的分布特征規(guī)律均有重要意義。

礦井瞬變電磁法 裂隙水 富水性 小線框

近年來,礦井水害已位列福建省各類礦山地質災害的首位,對安全采掘構成極大的威脅。而福建省礦井水害類型主要包括棲霞灰?guī)r巖溶水、老窯積水、斷層導水、裂隙水、雨季地表水水害等,從水害發(fā)生空間一般可劃分為頂板水害、底板水害、老空水水害、斷層及陷落柱水害、封閉不良鉆孔水害等。武平縣某礦位于福建省武平縣大禾鄉(xiāng)帽布村北,巖層裂隙發(fā)育,裂隙富水性強,存在突、涌水的可能,對礦井安全生產造成嚴重威脅。

目前,礦井水害探測方法較多,地質推斷作為一種最基礎的分析方法,主要利用水文地質等基礎地質資料進行綜合判別,往往存在因資料不足或人為因素造成誤差;水文地球化學分析是礦井水害防治的一種快速、經濟、實用、有效手段,尤其在礦井突水水源判斷方面地質效果明顯,但在尋找不同含水層標準組分過程中存在較大難度;鉆探的直接有效性、直觀性使其成為最常用的地面或井下的探測手段,但存在“一孔之見”,不能反映較大范圍內的水文地質情況,且費時費力,成本投入較大;而瞬變電磁法作為礦井水害主要的探測手段,越來越多地得到應用,而適合福建復雜地質條件的礦井瞬變電磁法(MTEM)探測技術也得到長足發(fā)展,并應用于各種礦井水害探測中,且技術日臻成熟,地質效果良好。相應的儀器裝備也不斷得到改進,已由單通道發(fā)展為全方位的多通道,與傳統(tǒng)礦井瞬變電磁技術相比,多通道MTEM具有采集數據量更大、質量更高、體積效應影響更小和勘探分辨率更高等優(yōu)點。

因此,查清礦區(qū)巖體裂隙富水性,為礦井防治水工作提供可靠技術資料,為探放水設計提供科學依據及確保該礦采掘活動安全實施就顯得至關重要。為此,在該礦采用改進的1.5 m×1.5 m多匝小線框裝置的本安型YCS360礦用多通道瞬變電磁儀查明＋350采掘巷道側幫100 m、頂板50 m范圍內巖層視電阻率異常,以此判斷掘進巷道工作面內的巖體裂隙賦含水情況,為回采工作面防治水工作提供有效的水文地質技術參數。

1 瞬變電磁法探測基本原理及地球物理響應特征

1.1 瞬變電磁法探測原理

礦井瞬變電磁法的基本探測原理是在通以一定脈沖波形電流的發(fā)射線圈周圍空間會產生向下的一次場,在其激勵下,地下導電地質體可產生渦旋感應電流,斷電后不會馬上消失,所產生二次場感應電流由于熱損耗等原因而隨時間逐漸衰減,衰減過程一般分為早、中、晚三個時期。早期電磁場頻率域中的高頻成分衰減快,趨膚深度小;中期次之;而晚期成分則相當于頻率域中的低頻成分,衰減慢,趨膚深度大?；跍y試斷電后不同時間的二次場隨時間的變化規(guī)律,方可得到不同深度的地電場特征,據此可判斷異常地質體的賦存位置、形態(tài)和電磁性特征。MTEM一次場和二次場波形分析見圖1,該圖較好地反映了瞬變電磁場響應機理。

由于多通道MTEM探測是在井下巷道內實施的,其MTEM裝置接收線圈中的感應電位為井下巷道全空間范圍內的有效探測數據,是所有圍巖導電性的綜合響應,其視電阻率計算公式為:

式中:C——全空間響應系數;

S——接收回線線圈面積,m2;

N——發(fā)射線圈匝數,匝;

V——感應電位,V;

I——供電電流強度,A;

V/I——歸一化二次場電位值,V/A;

t——二次場衰減時間,ms;

μ0——介質在真空中的磁導率,一般取值4π×10－7H/m。

圖1 MTEM一次場和二次場波形分析

1.2 巖層裂隙富水性的地球物理響應特征

瞬變電磁在礦井探水、探測構造中的解釋原則是以分析不同地層電性分布規(guī)律異同為基礎。若存在巖層裂隙等不良地質構造發(fā)育,無論其是否含水,均將打破地層電性在橫、縱向上的變化特征和規(guī)律,引發(fā)巖石導電性的變化。一般而言,當發(fā)育構造裂隙帶時,若裂隙帶內不含水,則其導電性較差,局部電阻率值增高;若裂隙帶內含水,因其導電性好,相當于存在局部低阻體,可以解釋為相對賦水。

本次瞬變電磁試驗在該礦井的采掘巷道中進行,工作面水文地質條件較復雜,影響掘進巷道的主要充水水源為頂板裂隙含水。通過MTEM可觀測到電性不均勻體中的渦流變化情況,進而查明巖層裂隙或頂底板的導水、富水性,就可圈定采空區(qū)范圍并勘查其積、含水情況。

2 現場測點布置

本次探測試驗采用本安型YCS360礦用多通道瞬變電磁儀,使用改進的小線框裝置(邊長1.5 m×1.5 m),共采集3條測線數據:其中1＃測線布置6個測點,從迎頭開始以0.2 m間距沿側幫順層方向采集數據,其觀測系統(tǒng)如圖2所示;2＃測線布置12個測點,從＋350巷道開口向里4 m開始采集數據,測點間距為3 m,探測方向為頂板30°和順層方向,如圖3(a)和3(c)所示; 3＃測線布置5個測點,從＋350巷道西開口向里5 m開始采集數據,測點間距為3 m,探測方向為頂板30°和順層方向,如圖3(b)、3(c)所示。

圖2 1＃測線觀測系統(tǒng)設計圖

圖3 2＃、3＃測線觀測系統(tǒng)設計圖

3 數據處理及成果解釋

3.1 成果解釋

本次探測所采集的數據經過數據室內回放、數據的預處理(轉化、拆分)、曲線剖面分析、濾波處理、視電阻率計算、維正反演、ρ－h(huán)剖面繪制等過程處理后,經視電阻率計算與深度轉換,選用克里格法對數據網格化,對扇形數據體一般采用自然零點法進行等值線成圖,可得到較為直觀的MTEM視電阻率擬斷面圖,綜合礦區(qū)已有的相關基礎地質、水文地質資料,可確定橫向、縱向和水平、垂向深度電性變化情況,進而得到該礦＋350巷道瞬變電磁法探測成果圖(視電阻率剖面):1＃測線順層探測視電阻率圖見圖4;2＃測線順層、2＃測線頂板30°探測視電阻率圖見圖5;3＃測線順層、3＃測線頂板30°探測視電阻率圖見圖6。下圖中橫坐標為測點坐標,縱坐標為沿探測方向距離。

由圖4可知,1＃測線順層方向探測區(qū)域內視電阻率值相對較高,右側附近有一面積約為36 m2的相對低阻區(qū)域C1－YC1(坐標系中為X＝0.8～1.2 m,Y＝0～100 m),初步分析為低阻異常區(qū),因右側巷道含裂隙水影響所致,或采空區(qū)附近前期因采動效應誘發(fā)的應力場改變而導致出現的離層,并經后期裂隙水滲透充滿所致。

圖4 1＃測線順層探測視電阻率圖

由圖5(a)可知,2＃測線順層方向探測區(qū)域視電阻率值相對較高,探測正前方有一面積約為201.5 m2的相對低阻區(qū)域C2－YC1和C2－YC2 (坐標系中為X＝0～6 m,Y＝75～100 m;X＝24～33 m,Y＝70～100 m),分析為采空區(qū)下方裂隙帶導水影響所致;由圖5(b)可知,2＃測線頂板30°探測區(qū)域視電阻率值相對較高,探測正前方有一面積約為500 m2的相對低阻區(qū)域C2－YC1、C2－YC2和C2－YC3(坐標系中為X＝0～6 m,Y＝80～100 m;X＝21～33 m,Y＝70～100 m;X＝12～15 m,Y＝50～80 m),分析為采空區(qū)下方裂隙帶導水或采空區(qū)積水影響所致。

圖5 2＃測線探測視電阻率圖

圖6 3＃測線探測視電阻率圖

由圖6(a)顯示,3＃測線順層方向探測區(qū)域視電阻率值相對較高,沿探測方向前方有一面積約為190.5 m2的相對低阻區(qū)域C3－YC1(坐標系中為X＝0～12 m,Y＝70～100 m),分析為采空區(qū)下方裂隙帶導水影響所致;由圖6(b)所示,3＃測線頂板30°方向探測區(qū)域視電阻率值相對較高,沿探測方向前方有一面積約為196 m2的相對低阻區(qū)域C3－YC2和C3－YC3(坐標系中為X＝0～4 m,Y＝75～100 m;X＝7～12 m,Y＝60～100 m),分析為采空區(qū)下方裂隙帶導水或采空區(qū)積水影響所致。

3.2 后期跟蹤驗證

礦方根據探測結果進行跟蹤驗證,先沿順層向前掘進70 m后對物探低阻異常區(qū)進行了鉆探驗證,發(fā)現X＝1～4 m范圍內存在水體,涌水量較小,但往前再掘進2 m處,涌水量明顯增大。同時,發(fā)現該處頂板淋水,礦方對頂板30°方向進行工程鉆探,發(fā)現水量較大。據物探視電阻率成果圖,再向前跟蹤3～8 m,實施第二次探測,發(fā)現順層和頂板30°方向涌水量繼續(xù)增大,與物探結果基本吻合。至此礦方停止探測,采取工程措施進行放水處理。

4 結論與建議

(1)通過分析驗證,在巷道側幫100 m范圍內,巷道在采掘過程中頂板可能出現局部滴、淋水現象,1＃測線視電阻率低阻異常區(qū)主要受巷道右?guī)土严端绊?在2＃、3＃測線頂板低阻異常區(qū)范圍內,在排除為采空區(qū)積水引起的低阻異常情況下可解釋為存在局部富水巖體裂隙發(fā)育或巖性變化。

(2)多匝改進小線框裝置MTEM技術具有較高的橫向異常分辨能力、較強的適應能力、較大的數據采集能力,勘探體積小、成本低、效率高、方便觀測等優(yōu)點。但還存在反演的視電阻率及視深度偏小,由瞬態(tài)現象引起的異常畸變不明顯等問題,需要在后續(xù)反演中得到進一步改進,如增加修正系數等來調整視電阻率和視深度計算值等。

(3)在探測實踐中發(fā)現重疊回線裝置方法技術探測深度較傳統(tǒng)理論深度大得多,但在現場采集數據時,一定要有數據采集記錄,記錄每個物理測點的背景情況,特別是對具有干擾因素的物理測點一定要注明干擾的類型,以便在數據處理時進行校正,這樣得出的結果就更接近真實的地質信息,解釋結果更為合理、準確。

[1] 牟義.切片技術在煤礦回采工作面瞬變電磁法探測中的研究與應用[J].中國煤炭,2014(3)

[2] 徐白楊,郭昌放,楊真等.基于電磁波三維技術探測工作面異常構造[J].中國煤炭,2016(10)

[3] 吳超凡,邱占林,金其中.灰?guī)r巷道中礦井瞬變電磁法探水效果分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2013(5)

[4] 張平松,劉盛東,李培根等.礦井瞬變電磁探測技術系統(tǒng)與應用[J].地球物理學進展,2011(3)

[5] 劉盛東,劉靜,岳建華.中國礦井物探技術發(fā)展現狀和關鍵問題[J].煤炭學報,2014(1)

[6] 于景邨.礦井瞬變電磁法勘探[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2007

[7] 于景邨,劉志新,劉樹才等.深部采場突水構造礦井瞬變電磁法探查理論及應用[J].煤炭學報, 2007(8)

[8] 張良,王心義,賈宏昭等.瞬變電磁技術在頂板砂礫巖富水區(qū)探測中的應用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保, 2011(1)

[9] 郭純,劉白宙,白登海.地下全空間瞬變電磁技術在煤礦巷道掘進頭的連續(xù)跟蹤超前探測[J].地震地質,2006(3)

[10] 張衛(wèi),吳榮新,付茂如等.三維并行電法在工作面頂板富水區(qū)探測中的應用[J].中國煤炭,2011 (2)

[11] 吳超凡,胡雄武,劉盛東等.巷道掘進工作面瞬變電磁超前探測模擬及應用[J].中國安全科學學報,2012(9)

[12] 于景邨,劉志新,劉樹才等.深部采場突水構造礦井瞬變電磁法探查理論及應用[J].煤炭學報, 2007(8)

[13] 李文峰.瞬變電磁技術在邢臺礦區(qū)防探水中的應用[J].中國煤炭地質,2008(8)

[14] 李文剛.瞬變電磁法在礦井防治水工作中的應用[J].中國煤炭,2015(12)

(責任編輯 郭東芝)

《能源行業(yè)信用體系建設實施意見(2016－2020年)》印發(fā)

國家能源局印發(fā)《能源行業(yè)信用體系建設實施意見(2016－2020年)》(以下簡稱《意見》),以加快推進能源行業(yè)信用體系建設。

能源行業(yè)是國民經濟的重要基礎,是國家的重要經濟命脈,也是社會信用體系建設的重要領域。能源行業(yè)信用體系建設一直缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和部署,相關工作任務不明晰,進度安排和職責分工也不明確,導致能源行業(yè)信用體系建設推進速度較慢。

近年來,能源行業(yè)信用體系建設逐步開展,對違規(guī)失信行為展開治理,整治和規(guī)范市場秩序,加強行業(yè)自律。為加快能源行業(yè)信用體系的建設進程,營造更為規(guī)范、健全的信用環(huán)境,國家能源局根據相關規(guī)定,研究出臺了這一文件,以營造良好行業(yè)信用環(huán)境,促進市場主體依法誠信經營。

安全生產領域、工程建設領域、節(jié)能環(huán)保領域、交易領域、統(tǒng)計領域、企業(yè)管理領域既是《社會信用體系建設規(guī)劃綱要(2014－2020年)》提出的社會信用體系建設的重點領域,也是能源行業(yè)失信問題較多、亟須加強信用建設的領域。

因此,《意見》將這6個領域劃為開展能源行業(yè)信用體系建設工作的重點領域,并通過加強組織領導、強化責任落實、加大人才和資金支持等保障措施,為能源行業(yè)信用體系建設提供有力的組織保障和人才資金支撐,促進能源行業(yè)健康、有序發(fā)展。

為滿足我國現有能源行業(yè)市場主體對信用評價的需求以及行業(yè)監(jiān)管的需要,《意見》提出,完善信用評價體系,建立健全信用評價制度,指導開展信用評價工作,規(guī)范信用評價機構管理,積極應用信用評價結果,以緩解當前能源行業(yè)信用評價活動缺乏統(tǒng)一指導、不規(guī)范等問題。

6項任務基本都是依據《社會信用體系建設規(guī)劃綱要(2014－2020年)》、《國務院辦公廳關于運用大數據加強對市場主體服務和監(jiān)管的若干意見》和《國務院關于建立完善守信聯合激勵和失信聯合懲戒制度加快推進社會誠信建設的指導意見》等文件的有關要求提出。

《社會信用體系建設規(guī)劃綱要(2014－2020年)》的規(guī)劃期為2014－2020年,因此《意見》也以2020年為限,將2020年之前能源行業(yè)信用體系建設工作分兩個階段進行。

由于能源行業(yè)信用體系建設基礎相對比較薄弱,因此計劃用2016－2018年的3年時間建立和夯實基礎,并逐步實現全面深入推進;2019－2020年,根據國家提出的最新要求和能源行業(yè)信用體系建設的新形勢繼續(xù)進行鞏固提升,以加快推進能源行業(yè)信用體系建設。

Study on detecting fissure water content of rock stratum based on MTEM

Wu Chaofan1,2,Qiu Zhanlin1,2,Chen Dong1,2
(1.School of Resource Engineering,Longyan University,Longyan,Fujian 364012,China; 2.Mine Water Disaster Prevention&Control Research Institute,Longyan University,Longyan,Fujian 364012,China)

In order to find out fissure water content of a mine＇s rock stratum in Wuping county,actual detection using three measuring lines was carried out by using MTEM with multi-channel small coil within 100 m to the side wall and 50 m to the roof of the＋350 roadway of the mine.This method could increase detecting accuracy rate of the water-bearing abnormal zone around roadway,and was able to enhance its sensitive response to water-bearing zone,it was significant for studying the distribution characteristics rule of full-space vortex electric field.

MTEM,fissure water,water content,small coil

P631

A

吳超凡(1964－),男,福建仙游人,碩士,教授,研究方向:工程地質、工程物探與地質災害防治。

福建省科技廳戰(zhàn)略性新興產業(yè)專項項目(2015Y0073),福建省教育廳JK類科技項目(JK2014050)

吳超凡,邱占林,陳棟．基于礦井瞬變電磁法探測巖層裂隙富水性研究[J]．中國煤炭,2017,43(1):45－49．Wu Chaofan,Qiu Zhanlin,Chen Dong．Study on detecting fissure water content of rock stratum based on MTEM[J]．China Coal,2017,43(1):45－49．