綜合物探技術(shù)在煤炭礦井水文地質(zhì)中的實(shí)踐

曹武慶

（陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安710005）

煤炭資源對我國的發(fā)展起著關(guān)鍵的作用，是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱型產(chǎn)業(yè)，但是在煤炭開采的過程中其安全事故卻屢屢發(fā)生，嚴(yán)重威脅著礦工的生命健康安全，據(jù)國家煤炭安監(jiān)局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，每年煤礦發(fā)生的安全事故高達(dá)500 多起，死亡人數(shù)更是逐年上升。究其原因，我們不難發(fā)現(xiàn)除了自然因素造成的地質(zhì)災(zāi)害以外，還有瓦斯、水害、粉塵、頂板以及火災(zāi)，這五類災(zāi)害是目前煤炭開采的主要災(zāi)害，其中，水害的危險(xiǎn)程度僅次于瓦斯，嚴(yán)重的影響了煤礦的正常作業(yè)是礦工的生命安全。我國的水文地質(zhì)情況較為復(fù)雜，為了保證煤礦的生產(chǎn)安全，需在開采前對礦區(qū)的資源分布進(jìn)行詳細(xì)的勘測，然后依據(jù)勘測的結(jié)果制定適宜的開采路線，最大程度上確保開采的安全性。近年來，綜合物探技術(shù)受到廣大礦業(yè)工作者的青睞，逐漸在煤礦水文地質(zhì)勘測中展露出自身的優(yōu)勢，將效率高、范圍廣的特點(diǎn)充分發(fā)揮，為煤礦資源分布以及地質(zhì)勘測做出了卓越的貢獻(xiàn)。

1 綜合物探技術(shù)的概述

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法是20 世紀(jì)30 年代，美國科學(xué)化L.W.Blau 提出的，屬于電磁勘測法當(dāng)中的一種，又被稱為時間域電磁法，簡稱為TEM[1]。瞬變電磁法主要依靠地下巖礦石的導(dǎo)磁性與導(dǎo)電性的性質(zhì)不同，利用電磁感應(yīng)的原理，對礦區(qū)的電磁場變化進(jìn)行研究分析，進(jìn)而達(dá)到水文地質(zhì)勘測目的的一種手段。在實(shí)際煤礦作業(yè)中，想要借助瞬變電磁法進(jìn)行地址勘測，可以在礦區(qū)地表或者空中設(shè)施發(fā)射回線圈并使其能夠通以階躍電流，但發(fā)射線圈與接受線圈的距離不得超過10m，此時由于電磁反應(yīng)線圈的周圍空間內(nèi)必定會存在穩(wěn)定的磁場，被測地下地質(zhì)中的礦石就會有所感應(yīng)，其勘測深度可到100m，但當(dāng)發(fā)射源被切斷后，磁場會發(fā)生劇烈的變化，地下導(dǎo)體就會形成感應(yīng)電動勢，也就是感應(yīng)電流。若發(fā)射頻率控制在25Hz，電流控制在17A，時間設(shè)置在20s 左右，[2]此時煤礦中的水文地質(zhì)基本信息就能得到清晰的了解，開采人員可以依據(jù)瞬變電磁法的規(guī)律對該地區(qū)水文地質(zhì)進(jìn)行合理的規(guī)劃，并制定科學(xué)的開采路線。

1.2 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)法又稱地質(zhì)雷達(dá)，簡稱GPR，是1910 年德國人Hulsemeyer 與Lowy 在一項(xiàng)專利中闡明的概念，這也是第一次探地雷達(dá)法進(jìn)行詳細(xì)的描述[3]。近年來，探地雷達(dá)法由于其具有探測速度快，操作簡單方便，可連續(xù)檢測和無損的特點(diǎn)使其受到環(huán)境檢測、地質(zhì)勘測、工程調(diào)查以及考古領(lǐng)域?qū)I(yè)人士的青睞。探地雷達(dá)法與瞬變電磁法的電磁傳播理論基礎(chǔ)的式樣的，都是借助電磁波在介質(zhì)中電磁特性，即在不連續(xù)處產(chǎn)生反射與散射的特點(diǎn)對礦區(qū)地下的目標(biāo)進(jìn)行定位、成像進(jìn)行利用麥克斯韋方程組判定電磁特性變化從而達(dá)到勘測目的的方式。探地雷達(dá)法的種類是多種多樣的，但是基本的組織構(gòu)架是一致的，有控制單元、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、電纜、天線、電源等。在實(shí)際勘測過程中，探地雷達(dá)是通過脈沖的形式將大功率高頻電磁波由發(fā)射天線進(jìn)行發(fā)射端餓，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)傳播遇到不同的介質(zhì)，其電性有差異，就會發(fā)生反射、透射、折射的電箱，因此，勘測人員需明確不同地下介質(zhì)的介電常數(shù)與電阻率，在結(jié)合勘測所獲取的高頻電磁波進(jìn)而分析礦區(qū)地下介質(zhì)的分布情況。需要注意的是，一般情況下探地雷達(dá)的勘測深度在0-6m，若勘測距小于1.5m 時，煤炭不會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，若大于1.5m 就會出現(xiàn)明顯的類似光學(xué)原理的折射、反射現(xiàn)象，若勘測距離始終保持在6m，反射也相對復(fù)雜時，則該探測區(qū)采空的可能性極大，易發(fā)生坍塌事件。

2 綜合物探技術(shù)在煤炭礦井水文地質(zhì)中的實(shí)踐

2.1 礦井概況

礦區(qū)位于陜北高原北部，與鄂爾多斯高原毛烏素沙漠東南接壤，海拔約1100-1850m，中部為黃土丘陵區(qū)，南北部均為風(fēng)沙地，沙丘連綿起伏，溝壑縱橫，呈現(xiàn)波狀形態(tài)。礦區(qū)地形地貌水文地質(zhì)差異較大，是典型的半干旱、半沙漠高原大陸氣候，冬季嚴(yán)寒霜凍，夏季炎熱多雨，因此風(fēng)沙區(qū)皆有大泉出露，梁茆區(qū)水量較小。礦區(qū)四季分明，年平均氣溫在6.2-8.5℃之間，雨季集中在7-9 月份，年降雨量約為400mm，蒸發(fā)量為1320mm，且礦區(qū)內(nèi)河流為烏蘭木倫河，自東勝梁南為發(fā)源地，全年平均水流量為4.52-12.2m3/s，在7-9 月份河流量較大，冬季則較小，因此,地下水絕大多數(shù)分布在松散型巖石類裂縫中或是碎屑類巖石的裂縫孔隙中。

2.2 綜合物探技術(shù)在煤炭礦井水文地質(zhì)中的實(shí)踐

（1）瞬變電磁法的應(yīng)用。瞬變電磁法對低電阻體有著非常敏感的反應(yīng)，可以準(zhǔn)確的查明煤炭礦井中的含水地質(zhì)，提升探測的深度，自動消除主要噪聲源，并且其對地形地貌不會產(chǎn)生任何影響，因此，在煤炭礦井水文地質(zhì)勘測中，加強(qiáng)瞬變電磁法的有效應(yīng)用可以獲取可靠的地質(zhì)信息。在實(shí)際勘測水文地質(zhì)中可以采用兩套瞬變電磁儀器，達(dá)到相互驗(yàn)證的效果，本次研究中采用的儀器為加拿大protem-47 與福建華虹本安型瞬變電磁儀，為了保證探測的準(zhǔn)確性與精密性，使探測區(qū)域的地面形成互補(bǔ)，需預(yù)先選擇好地理位置適宜的巷到，應(yīng)運(yùn)用多種物探技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)特點(diǎn)的分析。結(jié)合煤炭礦井的實(shí)際概況，對于礦井下采用偶極瞬變電磁法，將發(fā)射線圈與接收線圈放置于同一側(cè)二者相距10m 左右，探測深度調(diào)節(jié)為100m，探測點(diǎn)間相距5m，發(fā)射線圈均采用2m*2m，頻率為25Hz，電流為17-18A，時間窗口為20S，且探測方向應(yīng)在被測物質(zhì)的內(nèi)部。一般情況下，瞬變電磁法結(jié)果呈現(xiàn)低阻現(xiàn)象時為充水性空洞，未充水則會呈現(xiàn)高阻現(xiàn)象，但需要結(jié)合礦井的實(shí)際情況對礦區(qū)的水文地質(zhì)做出科學(xué)的分析與評價(jià)。

（2）探地雷達(dá)法的應(yīng)用。探地雷達(dá)是一種探測地下目標(biāo)的有效方式，是一種無損技術(shù)，與其他的探地方法相比，具有速度快，分辨率高、操作靈活的優(yōu)勢，其原理主要是利用天線發(fā)射與接收高頻電磁波探測地下介質(zhì)的物質(zhì)特性、分布規(guī)律的物理方法，其測量的方式有很多例如：剖面法、寬角法、透射波法、三維測量方式等等，本次研究采用的則是反射波剖面法，反射波剖面法是探地雷達(dá)觀測中最為常見的一種方式，儀器則為美國的SIR-3000 地質(zhì)雷達(dá)儀，中心頻率設(shè)置為100M，對煤炭礦井的測量區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將所有采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況在一定的范圍內(nèi)制定有效的科學(xué)的剖面圖，依據(jù)剖面圖對煤炭礦井的水文地質(zhì)災(zāi)害影響、范圍進(jìn)行綜合的評估，進(jìn)而能夠最大程度上將災(zāi)害的影響降至最低。依據(jù)本次探測結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，探測深度約為10m，在1.5m 是出現(xiàn)較為明顯的反射同相軸現(xiàn)象，1.5m 以下則沒有地層分層現(xiàn)象，6m 處反射同相軸現(xiàn)象變得復(fù)雜化、經(jīng)過分析、判斷，可以確定在探測深度為0-6m 間存在較為穩(wěn)定的煤炭資源，6m 以下同相軸反應(yīng)復(fù)雜、混亂，可以判定為存在一定范圍的采空區(qū)，甚至可能有坍塌的情況出現(xiàn)。

（3）綜合物探技術(shù)解釋。綜合物探技術(shù)可以獲取煤炭礦井探測區(qū)域的視電阻率剖面圖，借助剖面圖與礦區(qū)的實(shí)地信息，探測人員可以確定礦井的采空區(qū)域及位置所在。通常情況下，視電阻率剖面圖出現(xiàn)許多畸變、彎曲的等值線，表明該區(qū)域存在采空或是其他地質(zhì)現(xiàn)象，同時依據(jù)電阻的大小以及電阻率的顏色變化進(jìn)而確定是否有積水，若視電阻率剖面圖等值線較為平緩則該位置水文地質(zhì)較為良好，探測區(qū)域煤層中未出現(xiàn)采空、積水或是其他類別的地質(zhì)現(xiàn)象，煤炭礦井的開采風(fēng)險(xiǎn)相對較小。

3 結(jié)論

煤炭礦井采空積水對于煤炭礦井開CIA 來說具有非常大的影響，對于社會經(jīng)濟(jì)與礦井工人的生命安全造成了極大地威脅，綜合物探技術(shù)借助物理的方式對礦井水文地質(zhì)展開分析研究，最大化的保證了人民的生產(chǎn)安全，因此在未來的礦井作業(yè)中有效應(yīng)用綜合物探技術(shù)可以有效提升煤炭礦井的工作效率。