基于瞬變電磁法的采空區(qū)積水探測(cè)技術(shù)研究

題正義， 馬笑非， 張 峰， 秦洪巖， 李 洋， 喬 寧

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

0 引言

煤礦采空區(qū)積水一直是困擾煤礦安全生產(chǎn)的問題之一，不僅威脅井下人員的安全，也給后續(xù)開采提出了難題。由于小煤礦的亂采亂挖，缺少開采資料，導(dǎo)致在其被兼并重組后，不能確定其采空區(qū)的狀態(tài)及積水情況。為了保證煤礦的安全高產(chǎn)高效，采取高效的方法對(duì)采空區(qū)積水的狀況進(jìn)行探測(cè)及監(jiān)測(cè)是亟待解決的問題。張開元等[1]將瞬變電磁法運(yùn)用于北方某地區(qū)采空區(qū)范圍圈定及煤礦采空區(qū)的測(cè)量；譚慶炎[2]基于瞬變電磁法的理論建立了采空區(qū)的數(shù)值模型，對(duì)桑樹坪礦采空區(qū)積水的瞬變感應(yīng)電磁特征進(jìn)行了分析。但由于井下條件的多樣性和復(fù)雜性，物探工作被工作環(huán)境限制等因素，采空區(qū)物探理論和方法仍需進(jìn)一步研究與發(fā)展。基于此，筆者依據(jù)勝利煤礦現(xiàn)有的資料，首先對(duì)資料分析及現(xiàn)場觀測(cè)的基礎(chǔ)上判斷出煤層開采狀況，其次使用瞬變電磁法對(duì)煤層進(jìn)行物探施工，最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

勝利煤礦為兼并重組礦井，主要可采煤層為6#和10# 2個(gè)煤層，重組前受6#煤層開采資料缺失導(dǎo)致無法獲知井下具體采空區(qū)積水區(qū)域，造成礦井計(jì)劃對(duì)本煤層及10#煤層開采具有危險(xiǎn)性，因此采用瞬變電磁法探明6#煤層采空區(qū)積水區(qū)域。研究成果對(duì)礦井高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)提供了保障，也對(duì)防治水方面的研究提供了借鑒。

1 井下物探分析

利用瞬變電磁法[3-4]對(duì)6#煤層相關(guān)巷道進(jìn)行物探測(cè)試，根據(jù)解釋分析法建立6#煤層采空區(qū)積水范圍判別準(zhǔn)則，運(yùn)用判別準(zhǔn)則對(duì)6#煤層探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，確定6#煤層采空區(qū)積水范圍。

1.1 井下瞬變電磁法原理

瞬變電磁法原理[5-7]是利用電磁信號(hào)在煤層、巖層等介質(zhì)中傳播速度的快慢及接收電磁信號(hào)的強(qiáng)弱進(jìn)行判斷煤層或巖層中賦存的介質(zhì)，其具備以下特點(diǎn)。

圖1 工作原理和感應(yīng)電磁場轉(zhuǎn)換原理Fig.1 Work principle and induction electromagnetic field transformation principle

1) 由于巷道內(nèi)地質(zhì)條件不同，環(huán)境復(fù)雜，只能使用3 m以內(nèi)的多匝小線圈，排點(diǎn)密集、分辨率較高。

2) 在巷道內(nèi)直接測(cè)量，信號(hào)感應(yīng)度比較敏感，測(cè)量精度較高。

3) 通過調(diào)解電磁波的發(fā)射方向，可以多方位探測(cè)出異常體發(fā)育規(guī)律。

4)調(diào)節(jié)小線框電磁波的發(fā)射方向，能夠探測(cè)巷道頂?shù)装逶谏疃却_定下的的含水體的發(fā)育規(guī)律、掘進(jìn)頭的探水超前探測(cè)及采空區(qū)積水的探測(cè)。

5)根據(jù)瞬變電磁法的工作原理，由于時(shí)間為零，電流瞬間斷開的影響，導(dǎo)致無法探測(cè)到更淺部的異常體，往往在淺部會(huì)形成0 m～20 m左右的盲區(qū)。

假設(shè)在巷道里鋪設(shè)的矩形發(fā)射線圈的面積為S，且線圈具有均勻各向同性，導(dǎo)磁率為μ0，導(dǎo)電率為σ，為線圈提供的階躍脈沖電流用I(t)來表示，其中：

(1)

在設(shè)備工作期間，測(cè)線附近的地層以及空間受到電流的驅(qū)動(dòng)，形成一個(gè)趨于穩(wěn)定的電磁場。當(dāng)時(shí)間t為零時(shí)，隨著電流的斷開，原先存在的電磁場也會(huì)立即消失。一次磁場經(jīng)過地層中的導(dǎo)電介質(zhì)的傳播，傳到測(cè)試地層附近測(cè)線周圍的地表，能夠激發(fā)出地層中的感應(yīng)電流，維持了電磁場的存在，使其不會(huì)立即消失殆盡。

圖2 擴(kuò)散的圓電流環(huán)Fig.2 Diffused circular electric current loop

由于電磁場在氣體中傳播的速率比在其他介質(zhì)的傳播速率快，一次電磁場首先通過空氣介質(zhì)，傳導(dǎo)到地表，在各測(cè)線周圍的地層激發(fā)出感應(yīng)電流，所以感應(yīng)電流最初存在于地表處。然而，地表各處的地質(zhì)條件有差異，因此感應(yīng)電流也是分布不均。隨著時(shí)間推移，電磁場在空氣及介質(zhì)中的傳播流動(dòng)，其傳播中受到熱損耗，強(qiáng)度隨之下降，并隨著時(shí)間推移及傳播距離變大的作用下，磁場分布慢慢趨于均勻、穩(wěn)定，并逐步變形為圓電流環(huán)[8-10]。

由圓電流環(huán)形成過程可推算出半徑r、深度d的表達(dá)式為：

(2)

(3)

式中:a為發(fā)射線圈半徑，C2=8/π-2；當(dāng)a的值過于太小時(shí)，通過等價(jià)無窮小計(jì)算可得tanθ=d/r≈1.07，θ=47°，故圓電流環(huán)將沿47°傾斜錐面擴(kuò)散(圖2)，擴(kuò)散速度表達(dá)式為：

(4)

1.2 探測(cè)方案設(shè)計(jì)

探測(cè)方案設(shè)計(jì)是在6#煤層中選擇設(shè)定測(cè)站的位置，再在各個(gè)測(cè)站選取與煤層相交的側(cè)面進(jìn)行測(cè)點(diǎn)設(shè)置，通過接收電磁信號(hào)接收情況判斷交線或者交面的性質(zhì)特點(diǎn)，推測(cè)積水區(qū)，并繪制出各分層分區(qū)圖層。

1.2.1 井下測(cè)站布置方式

測(cè)站[11-12]采用2種布置方式(圖4)：

1)在巷道掘進(jìn)面設(shè)置測(cè)站，采用礦用瞬變電磁法勘探裝置采用邊長1.5 m長的正方形線圈，是重疊回線組合裝置，用于激發(fā)信號(hào)和接受信號(hào)，激發(fā)線圈匝數(shù)為4匝，接收線圈匝數(shù)為40匝?；鶞?zhǔn)面以掘進(jìn)面巷道的底板所在平面設(shè)定，同一測(cè)站選擇3個(gè)方向布置發(fā)射線框的測(cè)面，每個(gè)測(cè)面布置11個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)33個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖3)，通過人為在巷道內(nèi)移動(dòng)，發(fā)射和接收線圈，接收數(shù)據(jù)后，會(huì)生成3個(gè)范圍內(nèi)的超前探測(cè)實(shí)測(cè)剖面。

2)在巷道的左右?guī)驮O(shè)置測(cè)站，同樣采用相同的礦用瞬變電磁法勘探裝置。在有限探測(cè)范圍內(nèi)對(duì)巷道左右?guī)瓦M(jìn)行超前探測(cè)，基準(zhǔn)面以巷道底板所在平面設(shè)定，布置多個(gè)不同方向的側(cè)面及測(cè)點(diǎn)，并通過人為的在巷道內(nèi)移動(dòng)過程中發(fā)射接收線圈，生成探測(cè)范圍內(nèi)的實(shí)測(cè)剖面。

圖3 地下探測(cè)原理圖Fig.3 Schematic diagram of underground survey

圖4 測(cè)面、測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 The arrangement of measured surface and measured points

1.2.2 6#煤層探測(cè)方案

為了探明6#煤層采空區(qū)積水區(qū)域，計(jì)劃設(shè)置4個(gè)測(cè)站(4個(gè)測(cè)面)，分別在膠帶巷掘進(jìn)445 m處(1號(hào)測(cè)站)、副斜井227 m～267 m處(2號(hào)測(cè)站)、軌道巷掘進(jìn)370 m處(3號(hào)測(cè)站)和主斜井掘進(jìn)480 m處(4號(hào)測(cè)站)4個(gè)位置設(shè)置測(cè)站，下面以主斜井掘進(jìn)480 m處延伸方向4號(hào)測(cè)站為例介紹井下物探測(cè)站布置、解釋分析、判定探測(cè)結(jié)果，測(cè)站采用第一種測(cè)站布置方式，勘探方向?yàn)檩S向前方，勘探范圍為100 m，側(cè)面方向?yàn)檠由旆较颉?/p>

1.3 解釋分析方法與判定流程

解釋分析方法[13-15]是利用瞬變電磁法測(cè)得視電阻率的大小及其衰減規(guī)律，通過建立判定準(zhǔn)則，進(jìn)行演算分析得到探測(cè)結(jié)果，最終確定6#煤層采空區(qū)積水情況。

1.3.1 解釋分析方法

基于瞬變電磁法的原理，將測(cè)得的視電阻率數(shù)據(jù)繪制成電阻率斷面圖，若在斷面圖中電阻率存在由低阻區(qū)向高阻區(qū)過度，然后又逐漸偏向低阻區(qū)的現(xiàn)象；或者電阻率存在由低阻區(qū)向高阻區(qū)位移，然后偏向低阻區(qū)，又移向高阻區(qū)的現(xiàn)象 。如果存在以上現(xiàn)象，則對(duì)低阻區(qū)在多測(cè)電壓剖面圖上所對(duì)應(yīng)的煤層曲線進(jìn)行觀測(cè)，如果兩端電壓低于該處的電壓值，判定為積水區(qū)。測(cè)得的視電阻率的大小根據(jù)無水采空區(qū)視電阻率最高、實(shí)體煤次之，積水采空區(qū)最低的電性特征，結(jié)合視電阻率隨探測(cè)距離逐漸衰減的規(guī)律，提出物探的解釋分析方法，經(jīng)過解釋分析可以推測(cè)出煤層狀態(tài)。具體解釋分析方法如下：

1)根據(jù)探測(cè)煤層地質(zhì)數(shù)據(jù)，利用測(cè)站與其的位置關(guān)系，將煤層與測(cè)面相交的線段繪制到煤層底板等高線上。

2)在扇形視電阻率圖上，將繪制好的交線按比例和相互關(guān)系再在扇形視電阻率圖上進(jìn)行繪制。

3) 從繪制好的交線的任意一個(gè)端點(diǎn)開始，觀測(cè)沿線視電阻率漸變的情況，選出異于正常衰變速率的異常變化端點(diǎn)及其長度。

4) 分別按照高阻異常和低阻異常關(guān)系，對(duì)各觀測(cè)的煤層的視電阻率進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。

5) 根據(jù)分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果及相關(guān)信息資料，結(jié)合衰減規(guī)律得出煤層狀態(tài)(無水采空區(qū)、實(shí)體煤、積水采空區(qū))，多測(cè)道電壓剖面圖出現(xiàn)從高阻區(qū)→低阻區(qū)→高阻區(qū)，或者低阻區(qū)→高阻區(qū)→低阻區(qū)的現(xiàn)象，選擇煤層中低阻區(qū)的電壓值，電壓值明顯高于兩頭或無電壓升高位置的區(qū)域都為積水區(qū)。

1.3.2 判定流程

根據(jù)瞬變電磁法原理對(duì)勝利煤礦6#煤層進(jìn)行瞬變磁法勘探 ，運(yùn)用解釋分析方法建立物探結(jié)果判定準(zhǔn)則，判定流程如圖5所示。

圖5 異常區(qū)判定流程圖Fig.5 The flow diagram of abnormal area determined

1.4 測(cè)試結(jié)果分析

以主斜井4號(hào)測(cè)站掘進(jìn)480 m處延伸方向超前探測(cè)為例，依據(jù)解釋分析方法及其判定流程對(duì)主斜井4號(hào)測(cè)站的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，確定6#煤層各段的賦存狀態(tài)。

主斜井4號(hào)測(cè)站掘進(jìn)480 m處延伸方向超前探測(cè)按照解釋分析方法及其判定流程制定測(cè)面與煤層交線的繪制方法①在側(cè)面上沿著探測(cè)點(diǎn)選擇3至5條具有一定特征的射線；②在已選的射線上，沿其投射方向做剖面圖，得到3至5個(gè)與煤層的相交點(diǎn)，把各交點(diǎn)通過圓滑的弧線連接起來，且作為測(cè)面與煤層的交線，將交線按照對(duì)應(yīng)的位置和相對(duì)應(yīng)的比例繪制到視電阻率剖面圖上(圖6(a));③利用解釋分析方法判定得出在側(cè)面沿主斜井方向的視電阻率剖面圖內(nèi)，6#煤層相交且穿過視電阻率剖面圖中的高阻異常區(qū)(采空積水區(qū))(圖6(b))，由此可推斷出該段交線處中央部分為采空區(qū)采空范圍較小，兩側(cè)為未采區(qū)。

從位于6#煤層可采范圍內(nèi)的72條測(cè)線中選出 8#、24#、25#、56#測(cè)線進(jìn)行分析。從圖7中可以看出：圖7(a)、圖7(d)中沒有明顯的高壓異常區(qū)；圖7(b)在1-10#、31-36#點(diǎn)處以及圖7(c)在1-11#、25-36#點(diǎn)處出現(xiàn)高值異常，幅度比較大。

2 鉆探分析

為了核實(shí)物探探測(cè)6#煤層采空區(qū)積水結(jié)果的可靠性，在勝利煤礦主斜井的3個(gè)鉆位上共計(jì)施工了6個(gè)鉆孔(表1)。

表1 主斜井鉆探孔設(shè)計(jì)表Tab.1 The design table of main slope exploration hole

2.1 鉆孔探測(cè)分析

鉆孔探測(cè)[16-17]以3號(hào)鉆位上的4號(hào)鉆孔為例進(jìn)行分析。鉆孔方位角為161°，仰俯角為0°，沿主斜井頂板鉆探，在鉆探到10 m處出現(xiàn)涌水，并且觀測(cè)為滿孔水(圖8)，由此可推斷出勝利煤礦在此處附近進(jìn)行過開采，且采空區(qū)內(nèi)有積水存在。

2.2 其他鉆孔探測(cè)結(jié)果分析

1)1號(hào)鉆位1號(hào)鉆孔在73.13 m處附近穿過6#煤層，鉆探結(jié)果全長皆為巖石，并沒有煤層揭露，推測(cè)一種可能是煤層底板等高線計(jì)算誤差，另一種可能是鉆孔進(jìn)入完全垮落的采空區(qū)內(nèi)。

2)2號(hào)鉆位2號(hào)鉆孔進(jìn)尺75 m，預(yù)計(jì)應(yīng)在485 m附近穿過6#煤層，全部為巖石沒有煤層顯現(xiàn)，鉆孔應(yīng)該是穿過壓實(shí)的采空區(qū)。

圖6 主斜井解釋分析圖和視電阻率剖面圖Fig.6 The interpretation analysis profile of main slope and apparent resistivity(a)主斜井解釋分析圖；(b)視電阻率剖面圖

圖7 多測(cè)道圖Fig.7 Decay curve(a)8#測(cè)線;(b)24#測(cè)線;(c)25#測(cè)線；(d)56#測(cè)線

圖8 4號(hào)孔剖面圖Fig.8 The profile of hole 4

圖9 主斜井鉆探效果圖Fig.9 The sketch of main slope drilling

3)3號(hào)鉆位3號(hào)鉆孔沿主斜井頂板共進(jìn)尺11.5 m，鉆孔已進(jìn)入6#煤層范圍內(nèi)，在鉆探到10 m處出現(xiàn)涌水，并且觀測(cè)為滿孔水，鉆孔附近應(yīng)為采空積水區(qū)。

4)3號(hào)鉆位5號(hào)鉆孔沿主斜井左幫共進(jìn)尺18 m，鉆孔已進(jìn)入6#煤層范圍內(nèi)，在鉆入到18 m處時(shí)遇煤層頂板，鉆孔出現(xiàn)涌水，此處應(yīng)為采空積水區(qū)。

5)3號(hào)鉆位6號(hào)鉆孔沿主斜井右?guī)凸策M(jìn)尺22 m，鉆孔已進(jìn)入6#煤層范圍內(nèi)，鉆孔在12 m處時(shí)遇到破碎帶，應(yīng)是采空區(qū)，結(jié)合5號(hào)鉆孔鉆探結(jié)果分析此鉆孔附近應(yīng)為采空積水區(qū)。

圖10 綜合分析圖Fig.10 Comprehensive analysis chart

綜合以上，鉆探分析結(jié)果可知主斜井鉆探測(cè)得6#煤層狀態(tài)結(jié)果如圖9所示。

3 綜合分析

將井下瞬變電磁法勘探和井下鉆探的結(jié)果繪圖(圖10)，從圖10中分析可得出結(jié)論如下：

1)主斜井掘進(jìn)480 m處4號(hào)測(cè)站所探測(cè)6#煤層區(qū)域與鉆探1、2號(hào)鉆位鉆孔所探測(cè)位置重疊，驗(yàn)證此處為采空區(qū)且采空范圍較小。

2)膠帶巷掘進(jìn)445 m處1號(hào)測(cè)站在鉆探3號(hào)鉆位3號(hào)鉆孔南側(cè)且在6#煤層交線范圍內(nèi)，由此可知鉆探未探測(cè)到該區(qū)域，瞬變電磁法勘探探測(cè)此區(qū)域?yàn)槲床蓞^(qū)。

3)副斜井227 m～267 m處2號(hào)測(cè)站所探測(cè)6#煤層區(qū)域與鉆探3號(hào)鉆位6號(hào)鉆孔所探測(cè)位置重疊，驗(yàn)證此處為采空積水區(qū)。

4)軌道巷掘進(jìn)370 m處3號(hào)測(cè)站所探測(cè)6#煤層區(qū)域與鉆探3號(hào)鉆位4、5號(hào)鉆孔所探測(cè)位置重疊，驗(yàn)證此處為采空積水區(qū)。

4 結(jié)論

1)基于瞬變電磁法原理在井下對(duì)6#煤層進(jìn)行瞬變電磁法勘探，利用理論的知識(shí)及結(jié)合解釋分析方法和其判定流程對(duì)6#煤層物探出煤層狀態(tài)進(jìn)行判別分析，得出在側(cè)面沿主斜井方向視電阻率剖面圖內(nèi)，6#煤層與高阻異常區(qū)(采空積水區(qū))相交且穿過，可推斷出該段交線處中央部分為采空區(qū)采空范圍較小，兩側(cè)為未采區(qū)，判斷出6#煤層采空區(qū)積水區(qū)域。

2)通過井下鉆探方法對(duì)瞬變電磁法勘探判定分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步探明6#煤層采空區(qū)積水范圍，驗(yàn)證結(jié)果得出瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)對(duì)采空區(qū)積水范圍探測(cè)具有高效、可靠的實(shí)用價(jià)值。