瞬變電磁法在煤礦不明采空區(qū)積水探測中的應(yīng)用

題正義，張小雙，喬 寧，遲 磊，潘 進，陳 鶴，張璐宇

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

瞬變電磁法在煤礦不明采空區(qū)積水探測中的應(yīng)用

題正義，張小雙，喬 寧，遲 磊，潘 進，陳 鶴，張璐宇

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

為了減少煤礦透水事故的發(fā)生，采用瞬變電磁法對不明采空區(qū)積水情況進行探測。瞬變電磁對低阻反映異常靈敏，能夠依據(jù)視電阻率的變化來判斷采空區(qū)的積水性，提高了對采空區(qū)及其積水情況的探測效果。在現(xiàn)場踏查以及資料分析的基礎(chǔ)上推測早期礦井對各個煤層的開采情況；根據(jù)瞬變電磁法工作原理以及采空積水區(qū)地球物理特征確定了對測試結(jié)果的解釋方法，然后對典型測線多測道電壓剖面圖、視電阻率擬斷面圖、典型測道等電壓值平面圖和等視電阻平面圖進行分析，確定2#和6#煤層的采空積水區(qū)的位置和范圍。

采空區(qū)；積水區(qū)；瞬變電磁法；視電阻率

0 引言

近年來，煤礦透水事故時有發(fā)生，嚴(yán)重威脅井下工作人員的生命安全。許多小煤礦和煤窯亂采亂掘，嚴(yán)重破壞了資源賦存狀況，在采掘過程中沒有保留下來采掘資料，形成了許多不明采空積水區(qū)，對礦井下采煤帶來了極大的安全隱患。為了確保安全生產(chǎn)，采用先進的探測手段探明不明采空區(qū)分布及積水情況是所需要解決的首要問題。目前常用的探測采空區(qū)的方法主要包括鉆探法、物探法、微重力勘探法、采空區(qū)三維激光掃描法。物探法主要包括電法[1-6]、地震法[7-11]、電磁法[12-15]。依據(jù)勝利礦的現(xiàn)狀，在現(xiàn)場踏查以及資料分析的基礎(chǔ)上推測早期礦井對各個煤層的開采情況，然后應(yīng)用瞬變電磁法對不明采空區(qū)積水情況進行探測分析。研究成果將對礦井的防治水具有實際應(yīng)用價值，同時也為開采其它具有類似情況的礦井帶來借鑒意義。

1 礦井概況

勝利礦井田由龍達飛煤礦和西郭煤礦的一部分重組而成。井田及周邊存在著開采年份和大小不等的小煤礦，井口數(shù)目高達45個之多。井田內(nèi)主要可采煤層為2#、6#和10#煤層，其中2#煤層為全區(qū)發(fā)育、基本采空的薄-中厚煤層；6#煤層為井田內(nèi)局部發(fā)育的薄煤層；10#煤層為全區(qū)發(fā)育的中厚-厚煤層，是礦井計劃開采的煤層。為了保證礦井對10#煤層的安全開采，避免發(fā)生礦井透水事故，探測2#和6#煤層采空區(qū)的位置及積水情況顯得尤為重要。

2 早期煤礦開采范圍推斷

龍達飛礦井只在2#層和10#層有采掘活動；井田范圍內(nèi)的2#煤層基本開采完畢；井田范圍內(nèi)的6#煤層并未進行采掘；10#煤層只掘進了部分采準(zhǔn)巷道，并未進行開采；2#煤層開采期間涌水量不大，形成積水的方式是逐漸積累，通道可能是斷層和煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶，補給水源是刁底河與融雪，以及上部含水層；采空區(qū)是否積水，何處積水及其水量不詳。

西郭煤礦主要開采10#煤層，且已開采完畢，井田范圍內(nèi)10#煤層都成為采空區(qū)；2#煤層基本未采；6#煤層可采邊界位于井田西部邊界附近，距離井田中央較遠(yuǎn)，單獨為少量儲量進行開拓布置不經(jīng)濟，因此，西郭礦應(yīng)該沒有開采6#煤層?；谝陨闲畔?，龍達飛煤礦和西郭煤礦對2#煤層的開采狀態(tài)初步推斷見圖1。

圖1 龍達飛、西郭煤礦對2#煤層開采狀態(tài)的推斷Fig.1 Inference on the mining state of 2# coal seam in Long Dafei and Xi Guo coal mine

3 瞬變電磁法原理及探測資料解釋方法

3.1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖電磁場，在一次脈沖電磁場間歇期間，利用不接地線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法[16]。其原理是：在地面或井下設(shè)置一定的波形電流發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時間衰減[17]。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小，而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。

在導(dǎo)電率為σ、導(dǎo)磁率為μ0的均勻各向同性大地表面上鋪設(shè)面積為S的矩形發(fā)射回線，在回線中供以階躍脈沖電流I(t)，其中：

(1)

在電流斷開之前，發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個穩(wěn)定的磁場。在t=0時刻，將電流突然斷開，由該電流產(chǎn)生的磁場也立即消失。一次磁場的這一劇烈變化通過空氣和地下導(dǎo)電介質(zhì)傳至回線周圍的大地中，并在大地中激發(fā)出感應(yīng)電流以維持發(fā)射電流斷開之前存在的磁場，使空間的磁場不即刻消失。由于介質(zhì)的熱損耗，直到將磁場能量消耗完畢為止[17-18]。

根據(jù)已有的研究結(jié)果得出，任一時刻地下渦旋電流在地表產(chǎn)生的磁場可以等效為一個水平環(huán)狀線電流的磁場。在發(fā)射電流剛關(guān)閉時，該環(huán)狀線電流緊挨發(fā)射回線，與發(fā)射回線具有相同的形狀。隨著時間推移，該電流環(huán)向下、向外擴散，并逐漸變形為圓電流環(huán)。等效電流環(huán)像從發(fā)射回線中“吹”出來的一系列“煙圈”，因此，人們將地下渦旋電流向下、向外擴散的過程形象地稱為“煙圈效應(yīng)”[18]?！盁熑Α钡陌霃綖閞、深度為d的表達式分別為：

(2)

(3)

式中：a為發(fā)射線圈半徑，c2=8/π-2。當(dāng)發(fā)射線圈半徑相對于“煙圈”半徑很小時，可得tanθ=d/r≈1.07，θ≈47°。故“煙圈”將沿47°傾斜錐面擴散，其向下傳播的速度為：

(4)

3.2 探測資料解釋方法

根據(jù)地面探測的各測線的多測道電壓剖面圖和擬視電阻率斷面圖，對2#煤層和6#煤層的賦存狀態(tài)進行分析和推斷。

本次解釋分析的目的主要包括兩個方面的內(nèi)容，一是積水區(qū)的存在與否，二是積水區(qū)的范圍，即各測線積水區(qū)的始點和終點位置。因此，基于對瞬變電磁法的理解，提出以下解釋方法。

3.2.1 積水區(qū)的推斷方法

在推斷是否存在積水區(qū)時，同時對多測道電壓剖面圖和擬視電阻率斷面圖進行觀察。

(1) 首先在擬視電阻率斷面圖上，沿煤層的一端向另一端搜索，尋找有無從高阻區(qū)向低阻區(qū)過渡，然后又從低阻區(qū)進入高阻區(qū)的現(xiàn)象；或者存在由低阻區(qū)向高阻區(qū)過渡，然后又進入低阻區(qū)的現(xiàn)象。若存在以上現(xiàn)象，則選擇出處于低阻區(qū)的區(qū)段，在多測道電壓剖面圖上觀察對應(yīng)區(qū)段煤層所處位置的電壓值，如果該處電壓值明顯高于兩端，則此段應(yīng)是積水區(qū)。

(2) 首先在多測道電壓剖面圖上，在煤層所在的位置(由測試結(jié)果可知，煤層位于16#測道附近)，從一端向另一端搜索，尋找有無電壓升高段。如果存在，就在擬視電阻率斷面圖上觀察對應(yīng)煤層段的視電阻率值。如果該段處于低阻區(qū)，那么就應(yīng)是積水區(qū)。

3.2.2 積水區(qū)邊界(端點)的確定

由探測方法的工作原理可知，某一特征區(qū)域兩端的電壓和電阻率不會出現(xiàn)急劇的變化，而是存在一個長度不一的過渡區(qū)，這就給積水區(qū)邊界的判斷帶來一定的困難。實際采空區(qū)積水的邊界基本有兩種情況，一是在有實體物隔阻時，邊界清晰；二是水深逐漸變淺，直至無水，邊界模糊。因此，邊界判斷通常與解釋人的經(jīng)驗和對礦井相關(guān)資料掌握程度有關(guān)。在本次解釋分析過程中，把過渡區(qū)內(nèi)視電阻率的平均值作為邊界判定的依據(jù)。

4 探測參數(shù)及探測結(jié)果分析

4.1 2#煤層探測參數(shù)及探測結(jié)果分析

4.1.1 2#煤層探測范圍及參數(shù)的確定

根據(jù)首采區(qū)范圍，確定勘探區(qū)為長1 840 m，寬700 m的長方形，勘查面積為1.288 km2(圖2)。

測線、測點以“由西向東，由南向北”的方向布置。測線和測點之間的間距皆為20 m。由西向東排列設(shè)置93條測線，測線長度為700 m，各測線上布置由北向東排列的36個測點?？傆嫴贾脺y點3 348個，測線總長度為65 100 m。

圖2 2#煤層測線測點工程布置圖Fig.2 Engineering plan of measuring line and point in 2# Coal Seam

4.1.2 探測區(qū)2#煤層采空積水區(qū)范圍分析

探測儀器為地礦部廊坊物化探研究所生產(chǎn)的IGGETEM-30B型瞬變電磁儀。在經(jīng)過探測參數(shù)試驗、定點定線測量、工作量及其質(zhì)量評價、根據(jù)采空積水區(qū)地球物理特征確定了測試結(jié)果解釋方法、典型測線多測道電壓剖面和視電阻率擬斷面圖分析、典型測道等電壓值平面圖和等視電阻平面圖分析、以及直流激電測富水性等工作之后，對探測區(qū)內(nèi)2#煤層的采空積水區(qū)的位置和范圍進行了分析，分析結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出，勘探區(qū)內(nèi)存在5處采空積水區(qū)，分別為1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)和5區(qū)。1區(qū)為41～47測線的1～22#點，面積為33 800 m2；2區(qū)為41～45測線的31～36#點，面積為5 400 m2；3區(qū)為71～77測線的20～31#點，面積為11 100 m2；4區(qū)為80～84測線的17～36#點，面積為34 400 m2；5區(qū)為75～88測線的1～15#點，面積為54 500 m2；其中，1區(qū)和2區(qū)的解釋可靠性高，3區(qū)、4區(qū)和5區(qū)的解釋可靠性為中等。

圖3 2#煤層瞬變電磁法物探采空積水區(qū)成果圖Fig.3 Results chart of geophysical prospecting in goaf water area through transient electromagnetic exploration method in 2# Coal seam

4.2 6#煤層探測參數(shù)及探測結(jié)果分析

4.2.1 6#煤層探測范圍及參數(shù)的確定

由于瞬變電磁法的反演深度最大可達200 m，而6#煤層埋深在80～180 m之間，6#煤層恰好為反演深度范圍內(nèi)，因此也可以對6#煤層進行探測。從探測得到的各測線多測道電壓剖面和擬視電阻率斷面圖可以看出，6#煤層附近的電壓和視電阻率變化仍能在一定程度上反映6#煤層的狀態(tài)。因此，為充分利用本次探測結(jié)果，根據(jù)瞬變電磁法測試原理嘗試對其采空積水區(qū)進行分析，為勝利礦在生產(chǎn)過程中提供參考。且6#煤層距勝利礦開采的10#煤層較近，若存在采空區(qū)積水，要大于2#煤層積水對10#煤層的安全開采威脅程度。各測線和測點在6#煤層的分布見圖4。

圖4 6#煤層測線測點工程布置圖Fig.4 Engineering plan of measuring line and point in 6# coal seam

4.2.2 6#煤層典型曲線分析

從位于6#煤層可采范圍內(nèi)的63條測線中選出3#測線進行分析。

多測道電壓剖面圖以測點為橫坐標(biāo)，歸一化電壓V(t)/I值為縱坐標(biāo)，將相同的V(t)/I值相連成線。圖中低值響應(yīng)部分為高阻層，高值響應(yīng)部分為低阻層。擬視電阻率斷面圖以測點為橫坐標(biāo)，深度為縱坐標(biāo)，將各測點不同采樣時間經(jīng)反演所得到的視電阻率值，經(jīng)網(wǎng)格化后繪制成圖。

在多測道電壓剖面圖上(圖5a)，中、晚期測道無明顯的“高電壓異常”，同時擬視電阻率斷面圖上(圖5b)，視電阻率由淺到深逐漸升高，等值線呈近水平層狀分布，并隨著地層的起伏而表現(xiàn)出高低變化，標(biāo)高690 m(6#煤層大致位置)左右時，無明顯的低阻異常，結(jié)合調(diào)查的煤礦采空區(qū)資料綜合分析認(rèn)為，該測線無采空積水反映。圖中加粗黑線和紅線表示煤層所在大致位置。

圖5 3#測線瞬變電磁法探測成果圖Fig.5 Detection results chart of transient electromagnetic method of 3# measuring line

4.2.3 探測區(qū)6#煤層采空積水區(qū)范圍分析

在逐一分析63條測線之后，把各測線上判定的屬于采空積水區(qū)的煤層與測線剖面相交的線段按其相應(yīng)的位置繪制到6#煤層底板等高線圖上，并將連成一片的線段端點用封閉的圓滑曲線連接起來，形成的各自獨立的區(qū)域即為探測到的采空積水區(qū)范圍。6#煤層采空積水區(qū)分布見圖6。

在6#煤層勘探區(qū)中，藍色區(qū)域代表采空積水區(qū)。共計探測到三處積水區(qū)，1區(qū)位于7～12測線的31～36#測點之間，積水面積7 800 m2；2區(qū)位于13～17測線的9～19#測點之間，積水面積11 800 m2；3區(qū)位于37～42測線的1～16#測點之間，積水面積25 600 m2。

圖6 6#煤層采空積水區(qū)分布Fig.6 Distribution of goaf water in 6# coal seam

5 結(jié)論

(1)在現(xiàn)場踏查與資料分析的基礎(chǔ)上，推測到了早期煤礦各煤層的開采范圍。

(2)根據(jù)瞬變電磁法工作原理，分別獲得了視電阻率和電壓值在未開采煤層、采空區(qū)、采空積水區(qū)的大小不同值，確定了對測試結(jié)果的解釋方法，然后對典型測線多測道電壓剖面、視電阻率擬斷面圖、典型測道等電壓值平面圖和等視電阻平面圖進行分析，確定2#和6#煤層的采空積水區(qū)的位置和范圍。

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Transient electromagnetic method applied to the detection of unknown goaf water in coal mine

TI Zhengyi，ZHANG Xiaoshuang，QIAO Ning，CHI Lei，PAN Jin，CHEN He，ZHANG Luyu

(LiaoningTechnicalUniversityCollegeofMiningEngineering，F(xiàn)uxin,Liaoning123000，China)

In order to reduce the happening of water inrush accident in coal mine, the transient electromagnetic method is adopted to explore unknown goaf water situation. Transient electromagnetic was sensitived to low resistivity anomalies reflect, could determine goaf water accumulated areas according to change of apparent resistivity, improved the detection effect of goaf and water accumulated areas. Through reconnaissant survey and based on the analysis of the data to speculate the mining state in the early of each coal seam mining; According to the working principle of the transient electromagnetic method and the geophysical characteristics of goaf water determined the analysis method of test results, and then analyzed the voltage profile and apparent resistivity profile on the typical line of more tests and equal voltage planar gragh and equal visual resistance planar graph on the typical test, determined 2# and 6# coal seam goaf water accumulated areas position and scope.

goaf; water accumulated areas; transient electromagnetic method; apparent resistivity

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.01.16

2016-06-05;

2016-06-28

題正義(1957-)，男，吉林舒蘭人，教授，主要研究方向為煤礦“三下”開采、礦井災(zāi)害防治、礦業(yè)系統(tǒng)工程等。E-mail:148178425@qq.com

張小雙(1990-)，男，河南南陽人，主要研究方向為礦井災(zāi)害防治。E-mail:1336538209@qq.com

TD163+.1

A

1003-8035(2017)01-0102-06