瞬變電磁和高密度電法在淺埋房柱式采空區(qū)探測中的應(yīng)用

楊 勇

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

瞬變電磁和高密度電法在淺埋房柱式采空區(qū)探測中的應(yīng)用

楊 勇1,2

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

隱性淺埋房柱式采空區(qū)是陜北侏羅紀(jì)煤田許多煤礦下部煤層開采的重大安全隱患。針對(duì)這一問題，在對(duì)勘探區(qū)地球物理特性研究分析的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用瞬變電磁和高密度電法，對(duì)陜北某礦計(jì)劃開采區(qū)域的上部淺埋房柱式采空區(qū)進(jìn)行綜合勘查。經(jīng)施工鉆孔驗(yàn)證，綜合探測成果基本查明了隱性采空區(qū)的埋藏深度、分布范圍和積水情況。研究結(jié)果表明：瞬變電磁和高密度電法的綜合物探方法在采空區(qū)探測和綜合解釋方面精度和準(zhǔn)確度較高，具有廣泛的應(yīng)用前景，能夠?yàn)轭愃频V井下部煤層的安全回采和采空區(qū)的綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

瞬變電磁法；高密度電法；房柱式采空區(qū)；綜合探測

煤礦采空區(qū)是指煤炭資源被開采出來后在井下煤巖體內(nèi)殘留的空洞，由于資源賦存條件、開采方法和開采時(shí)間的不同，煤礦采空區(qū)大小不同、形態(tài)特征各異、次生災(zāi)害復(fù)雜多變[1]。特別是早期的小煤窯多采用巷采或房柱式開采，缺乏科學(xué)規(guī)劃和有效管理，導(dǎo)致許多隱性老采空區(qū)，無法確定其位置、層位、邊界和影響范圍等，對(duì)后期的資源開采和綜合治理帶來了極大安全隱患[2-4]。因此，為了防止和減少采空區(qū)引起的次生災(zāi)害事故，必須對(duì)老空區(qū)進(jìn)行超前探測。物探方法作為快捷、有效、經(jīng)濟(jì)的探測手段，在煤礦采空區(qū)探測中得到了廣泛應(yīng)用。但隨著探測精度和可靠性的要求不斷提高、采空區(qū)復(fù)雜性和探測難度的不斷增加，單一物探方法已不能夠滿足新形勢的需要，多種方法相結(jié)合的綜合物探技術(shù)成為煤礦采空區(qū)探測的必然要求[5-10]。本文根據(jù)勘探區(qū)地球物理特征，綜合運(yùn)用瞬變電磁法和高密度電法，對(duì)某礦計(jì)劃開采區(qū)域的上部淺埋房柱式采空區(qū)進(jìn)行綜合勘查，通過2種方法相互印證，基本查明了采空區(qū)的位置、埋藏深度、分布范圍和積水情況，為下部煤層的安全回采和采空區(qū)的綜合治理提供了依據(jù)。

1 勘探區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

1.1 勘探區(qū)地質(zhì)概況

勘探區(qū)地表絕大部分被第四系、新近系沉積物覆蓋，僅沿各支溝兩側(cè)有基巖出露，地層由老至新依次為：三疊系上統(tǒng)永坪組(T2y)、侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、新近系上新統(tǒng)靜樂組(N2j)、第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l)，全新統(tǒng)河流沖積層(Q4al)及風(fēng)積沙(Q4eol)。侏羅系中統(tǒng)延安組是勘探區(qū)的含煤地層，主要可采煤層為3-1，3-2，5-2煤層。其中，3-1煤層平均厚度為1.85m，埋藏深度在0～100m之間，存在小煤窯開采的現(xiàn)象，開采范圍不詳，區(qū)內(nèi)可能存在房柱式采空區(qū)，影響下部煤層的規(guī)劃設(shè)計(jì)和安全回采。

1.2 房柱式采空區(qū)工程特性

從勘探區(qū)周邊礦井已揭露采空區(qū)的賦存情況和地表踏勘成果分析，本區(qū)小煤窯多采用房柱式炮采采煤方法，系統(tǒng)簡單、不正規(guī)，具有較大的隨意性，以及采深淺、開采尺寸大、留設(shè)煤柱小且形狀不規(guī)則等特點(diǎn)。采空區(qū)內(nèi)遺留大量煤柱，少部分已失穩(wěn)垮塌，大部分尚未失穩(wěn)，采空區(qū)處于欠充填或垮落巖塊壓密程度差的狀態(tài)，地表移動(dòng)小，沒有明顯的下沉跡象。但由于殘留煤柱尺寸較小且不規(guī)則，受荷載或外部動(dòng)載因素影響，殘留煤柱會(huì)發(fā)生蠕變變形破壞，難以保持長期的穩(wěn)定性，失穩(wěn)或垮塌的發(fā)生時(shí)間和持續(xù)時(shí)間難以估測，對(duì)下部煤層開采和地面安全影響極大。

1.3 地球物理特征

從侏羅系煤系地層測井曲線和附近鉆孔電性柱狀圖分析，第四系和新近系整體表現(xiàn)為高阻；延安組上部主要煤層為3-1號(hào)煤，表現(xiàn)為低阻電性特征；延安組下部為主要含煤地層，巖性主要為砂巖和煤互層，表現(xiàn)為高阻電性反映。綜合分析認(rèn)為：勘探區(qū)煤系地層具有層狀分布的特點(diǎn)，如果沒有采空區(qū)或其他地質(zhì)構(gòu)造，則電性在沿層橫向上呈現(xiàn)規(guī)律均一的響應(yīng)特征。當(dāng)煤層中存在采空區(qū)且基本不含水時(shí)，采空區(qū)的視電阻率通常會(huì)高于正常煤層；如果煤層存在采空區(qū)且充水時(shí)，采空區(qū)視電阻率通常會(huì)低于正常煤層；但若采空區(qū)范圍過小，周圍裂隙發(fā)育充水，就會(huì)產(chǎn)生低阻屏蔽，形成低阻異常區(qū)。上述電性差異為瞬變電磁和高密度電法的應(yīng)用提供了良好的地球物理前提。

2 物探方法原理及適用條件分析

2.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法是一種建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的電磁探測方法，也稱時(shí)間域電磁法(簡稱TEM)。它利用一個(gè)不接地的回線源(也可以用接地線源)向地下發(fā)射脈沖電磁波作為激發(fā)場源，脈沖電磁波結(jié)束以后，大地在激發(fā)場的作用下，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感生的渦流，電流關(guān)斷后激發(fā)新的磁場(稱為“二次場”)。通過觀測和研究“二次場”的空間分布特性和時(shí)間特性，推測解譯地質(zhì)異常體或地層幾何和物性特征[11-13]。在煤礦采空區(qū)探測中，如果采空區(qū)頂板垮落或充水，則在電性剖面上會(huì)表現(xiàn)為低電阻率異常反映，如果采空區(qū)為不充水的空洞，則會(huì)表現(xiàn)為高電阻率異常反映。

2.2 高密度電法

高密度電法是淺埋煤層采空區(qū)勘查的主要方法之一，其基本原理與傳統(tǒng)的電阻率法完全相同。與傳統(tǒng)的電阻率法不同之處在于高密度電法在觀測時(shí)測點(diǎn)設(shè)置的密度較高，一次性完成所有電極的布設(shè)，具有同時(shí)進(jìn)行深度測量和剖面測量2種功能[14]。與其他物探方法相比，高密度電法具有勘探能力高、實(shí)施效率高、成本低、探測信息量大、解釋過程方便、快捷等特點(diǎn)[15]。

3 采空區(qū)綜合勘查分析

3.1 現(xiàn)場施工布置

3.1.1 瞬變電磁法現(xiàn)場施工布置

本次瞬變電磁法探測使用的是加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8多功能電磁法探測儀。探測采用大定源回線裝置；發(fā)射外框大小240m×240m；發(fā)射頻率25Hz；發(fā)射電流為施工中采用盡量大的供電電流；測線N90°E，網(wǎng)格密度20m×40m。

3.1.2 高密度電法現(xiàn)場施工布置

本次高密度電法數(shù)據(jù)采集使用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的WDJD-3型多功能數(shù)字直流激電儀(包括測量系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換開關(guān)系統(tǒng))。由于勘查區(qū)地表水土流失嚴(yán)重、溝壑發(fā)育、地形起伏較大，高密度電法測點(diǎn)布設(shè)受到一定限制。本次探測采用三極裝置，供電時(shí)間250ms?？偟牟荚O(shè)原則是在滿足任務(wù)要求的前提下，根據(jù)現(xiàn)場地形特點(diǎn)靈活決定測線長度及方向，滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的測點(diǎn)密度及工作量要求，測點(diǎn)間距為10m，線距則靈活變化，每平方公里內(nèi)測線總長度約5km，跑極范圍視探測深度而定。

3.2 物探結(jié)果分析

3.2.1 瞬變電磁法探測結(jié)果分析

瞬變電磁法的探測結(jié)果主要依據(jù)單點(diǎn)數(shù)據(jù)(視電阻率-反演解釋)結(jié)合整條測線的視電阻率斷面圖對(duì)測區(qū)內(nèi)采空區(qū)及積水情況進(jìn)行解釋。圖1為瞬變電磁法T13線部分區(qū)段視電阻率剖面圖。

從圖1中可以看出，勘探區(qū)整體地層在縱向由淺至深電阻率總體上呈“高阻—低阻—高阻”的變化趨勢，與實(shí)際地質(zhì)層位的電性變化特征吻合；在目標(biāo)煤層3-1號(hào)煤附近，橫向上電性整體表現(xiàn)為“左側(cè)低，右側(cè)高”。圖中在目標(biāo)煤層附近發(fā)現(xiàn)1處低阻異常，1號(hào)低阻異常位于0～19號(hào)測點(diǎn)之間的目標(biāo)地層中，該區(qū)域內(nèi)電阻率值較低。由已知資料可知，該區(qū)域內(nèi)煤層等高線總體表現(xiàn)為左低右高，且該區(qū)域內(nèi)存在3-1號(hào)煤采空區(qū)，因此該低阻異常區(qū)應(yīng)為采空積水區(qū)的電性反映，推斷為采空積水區(qū)。根據(jù)以上解釋原則對(duì)其他測線進(jìn)行成果解釋，綜合形成瞬變電磁法探測成果。

圖1 T13 瞬變電磁測線視電阻率剖面

3.3.2 高密度電法探測結(jié)果分析

本次高密度電法勘探的設(shè)計(jì)初衷，主要是以補(bǔ)充和驗(yàn)證瞬變電磁法資料為目的，其分析解釋原則與瞬變電磁法資料的解釋原則相同。圖2為高密度電法H14線視電阻率剖面圖。

H14線線長600m，地表高程+1254～+1296m，3-1號(hào)煤埋深100m。從圖2上看，探測最大深度在100m左右，可以控制深度100m以上的采空區(qū)分布情況，達(dá)到本次勘探任務(wù)要求。斷面中發(fā)現(xiàn)低阻異常2處，測點(diǎn)范圍5～23，37～ 50，高程在+1180m附近，該2處異常區(qū)與瞬變電磁探測1號(hào)低阻異常區(qū)位置吻合，整條斷面的異常位置與瞬變電磁資料吻合較好。

圖2 H14高密度電法測線電阻剖面

3.3.3 綜合探測成果分析

采空區(qū)和異常區(qū)的劃分主要以瞬變電磁法資料為主，確定異常區(qū)大的框架；高密度電法資料為輔，進(jìn)行驗(yàn)證補(bǔ)充解釋。經(jīng)過對(duì)瞬變電磁和高密度電法綜合勘探數(shù)據(jù)的處理及綜合對(duì)比分析解釋，基本查明了勘查區(qū)內(nèi)3-1煤采空區(qū)及采空積水區(qū)分布范圍(具體見圖3)。從圖3可以看出，勘探區(qū)內(nèi)解釋推斷采空積水區(qū)1處、采空區(qū)1處、富水區(qū)1處。

圖3 綜合物探勘查解釋成果平面

為進(jìn)一步確認(rèn)3-1煤采空區(qū)及積水采空區(qū)探測的準(zhǔn)確性及保證下部煤層的安全開采，在勘探區(qū)施工了4個(gè)驗(yàn)證鉆孔(編號(hào)ZK01，ZK02，ZK03，ZK04及位置見圖3)，其中有2個(gè)鉆孔(ZK01和ZK03)在相應(yīng)層位揭露3-1煤采空區(qū)，并發(fā)現(xiàn)有富水現(xiàn)象，基本驗(yàn)證了本次探測的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

(1)綜合運(yùn)用瞬變電磁法和高密度電法對(duì)淺埋房柱式采空區(qū)分布進(jìn)行了綜合勘查，后期通過施工鉆孔驗(yàn)證了物探成果的準(zhǔn)確性，說明采用綜合物探方法進(jìn)行探測和解釋具有較高的準(zhǔn)確性。

(2)瞬變電磁和高密電法相結(jié)合的探測技術(shù)也存在受環(huán)境噪聲干擾、探測深度與分辨率矛盾等問題，建議條件允許情況下應(yīng)加大數(shù)據(jù)采集量，同時(shí)開展相關(guān)正反演方法技術(shù)研究，進(jìn)一步提高探測效果。

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[責(zé)任編輯：王興庫]

Application of Transient Electromagnetic and High Density Resistivity on Room and Pillar Goaf Exploration in Shallow

YANG Yong1,2

(1. Safety Institute，Coal Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2.Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization State Key Laboratory，Beijing 100013，China)

Recessive room and pillar goaf in shallow was large potential safety hazard for downward coal seams mining of many coal mine of Jurassic coal field in Shanbei，to this problem，based on geophysical characteristic of exploration area，transient electromagnetic and high density resistivity were applied，room and pillar goaf that upward of mining area in planning of one coal mine in Shanbei was explored synthesize.Then the burden depth and distribution scope and hydrocele of recessive goaf were ascertained by it，the results was verified by practical drilling hole.The results showed that the synthesize exploration method of transient electromagnetic and high density resistivity has high precision and accuracy rate on goaf exploration and synthesize illustration，it has a very wide range of applications,it references for similar situation.

transient electromagnetic；high density resistivity；room and pillar goaf；synthesize exploration

2016-12-14

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.022

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2016ZX05045-001-004)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( 51404139)

楊 勇(1976-)，男，安徽淮南人，碩士，副研究員，主要從事工程地質(zhì)及災(zāi)害治理方面的研究與技術(shù)咨詢工作。

楊 勇.瞬變電磁和高密度電法在淺埋房柱式采空區(qū)探測中的應(yīng)用[J].煤礦開采，2017，22(4)：87-89，74.

TD163

A

1006-6225(2017)04-0087-03