上社礦15 號煤層上覆采空區(qū)富水性瞬變電磁探測技術(shù)分析

王 國 棟

（晉能集團陽泉公司上社煤礦 ，山西 盂縣 045100）

1 工程概況

山西煤炭運銷集團上社煤礦的主采煤層為9#、15# 煤層，15# 煤層厚度為 4.35m～7.01m， 均厚為5.56m，平均傾角為4°，煤層頂板為石灰?guī)r和泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖和粉砂巖，15# 煤層上方存在著為9# 煤采空區(qū)，且局部存在著6#、9# 煤層小窯破壞區(qū)。9#～15# 煤的層間距約為78m，現(xiàn)為有效分析15# 煤層上覆采空區(qū)及小窯破壞區(qū)內(nèi)的積水區(qū)域，保障15# 煤層工作面回采期間不會出現(xiàn)突水事故，采用瞬變電磁技術(shù)對9# 煤層采空區(qū)整體富水特性進行探測作業(yè)。

2 瞬變電磁原理及特點

瞬變電磁法又稱為時間域電磁法，該種方法的基本原理是利用脈沖磁場的傳播原理，通過觀測脈沖電磁場的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場時間和空間分布特征，從而有效的對地下的未知區(qū)域的賦存形態(tài)、位置及電性特征進行判斷[1-2]，具體瞬變電磁原理圖如圖1 所示。

圖1 瞬變電磁法原理示意圖

瞬變電磁技術(shù)被廣泛應(yīng)用于礦井的地質(zhì)問題中，其具有的優(yōu)勢主要為以下幾點：

1）只需對二次場進行測量和觀察作業(yè)，便能夠排出其他干擾，提升了對異常體的識別能力；

2）瞬變電磁法中的瞬變電磁是人為產(chǎn)生的，故能夠有效提升對隨機干擾的抵抗能力；

3）瞬變電磁具備著穿透性高的特性，能夠穿透高阻地層，故不會在高阻的圍巖中出現(xiàn)異常，能夠?qū)Φ妥鑵^(qū)域異常的反應(yīng)較為靈敏；

4）該法的探數(shù)據(jù)信噪深度和探測深度均較高，通過增大發(fā)射大功率，能夠?qū)崿F(xiàn)增強二次信號的目的；

5）瞬變電磁法的測量過程簡單，能夠?qū)蝹€測點得到不同勘測深度的信息，深度信息與測深的工作能夠同步，能有效的減少結(jié)果的多樣解釋性。

3 采空區(qū)含水量探測分析

3.1 測試作業(yè)

1）測試參數(shù)設(shè)置。根據(jù)眾多相關(guān)瞬變電磁理論的研究及工程實踐結(jié)果[3-4]，結(jié)合15 煤層具體的地質(zhì)特征，確定選用2m×2m 的線框，采用10 匝線圈，設(shè)置10ms 的延時時間，考慮到數(shù)據(jù)需滿足采集深度的要求，設(shè)置增益為4，為保障測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和質(zhì)量，針對晚期數(shù)據(jù)進行放大，疊加使用512 的次數(shù)。

2）已知采空區(qū)測試試驗。為保障瞬變電磁作業(yè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在進行正常作業(yè)前進行測試試驗，在HS2- 2 鉆孔附近進行探測作業(yè)試驗，以驗證數(shù)據(jù)的參數(shù)設(shè)置的合理性，鉆孔在標(biāo)高為1400m 深度存在著采空區(qū)，根據(jù)探測結(jié)果得出鉆孔附近視電阻率斷面圖如圖2 所示。

圖2 HS2- 2 鉆孔瞬變電磁探測試驗視電阻斷面圖

通過具體分析圖2 可知，在交叉1507/650 的附近標(biāo)高1400m 的深度處，其視電阻率明顯表現(xiàn)為低阻異常，其等值線呈現(xiàn)出向下凹陷的特征，數(shù)據(jù)都在30Ω·m，基于此能夠初步判斷出其該處數(shù)值較低的原因為采空區(qū)富水導(dǎo)致。基于上述分析可知，本次瞬變電磁技術(shù)設(shè)置的各項參數(shù)較為合理。

3）測網(wǎng)布置。根據(jù)15# 煤層特征，結(jié)合9# 煤層埋深相對較小的特征，確定采用小線框重疊回線進行觀測作業(yè)，為保障測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，結(jié)合瞬變電磁測網(wǎng)的布置原則，將測線設(shè)置為東西方向布置，測網(wǎng)密度為線距×點距=40m×10m，設(shè)置南小北大為線號技術(shù)規(guī)則，西小東大為點號技術(shù)規(guī)則，共計設(shè)置28條測線，物理坐標(biāo)點2632 個，具體測網(wǎng)的布置形式如圖3 所示。

圖3 9# 煤層瞬變電磁測網(wǎng)布置示意圖

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)探測作業(yè)所得數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的換算和轉(zhuǎn)換，即能夠得到視電阻率和視深度的表達可視化參數(shù)，進而能夠繪制出地質(zhì)和探測結(jié)果，現(xiàn)針對探測結(jié)果的分析時，先對可能存在地質(zhì)異常的區(qū)域進行解釋，并對探測區(qū)域內(nèi)的隔水層和含水層進行電性分析，基于地層的擾動異常，結(jié)合工作面現(xiàn)有地質(zhì)資料，確定是否存在著充水空洞的區(qū)域。由于2# 煤層與9#煤層之間的間距較小，無法準(zhǔn)確分辨具體哪個層位導(dǎo)致的低阻異常，原有小窯采動主要發(fā)生在9# 煤層，現(xiàn)主要分析9# 煤層采空區(qū)富水情況。

根據(jù)瞬變電磁的探測結(jié)果能夠得出1160 線的視電阻率斷面圖如圖4 所示。

圖4 1160 線視電阻斷面圖

通過具體分析圖4 可知，1160 線在縱向上淺部標(biāo)高1500m 以上地層表現(xiàn)為低阻，電阻率值在10～40Ω·m，1500～1400m 電性表現(xiàn)為由高到低，電阻率為40～70Ω·m，在1400m 以下，電阻率呈現(xiàn)快速升高的現(xiàn)象，其電阻率均大于70Ω·m，該測線曲線從地表到深部整體呈現(xiàn)為由高到低，然后再升高的特點；1160 測線在橫向上等值線的連續(xù)較為明顯，說明該區(qū)域地層的連續(xù)性較好，在9# 煤層1460～2090 號間均為低阻異常區(qū)，且范圍較廣，結(jié)合礦井現(xiàn)有掌握的小窯破壞情況，該處為之前的小窯私采區(qū)，并且該區(qū)域的9# 煤層下方的視電阻率出現(xiàn)紊亂的情況，出現(xiàn)該種現(xiàn)象的主要原因為該區(qū)域采空區(qū)較為發(fā)育，圖中用藍色虛線圈出的區(qū)域，等值線出現(xiàn)明顯的下凹現(xiàn)象，且視電阻低，能夠推測出點號1460- 1540 和1920- 1960 區(qū)域采空區(qū)存在著積水區(qū)域。

根據(jù)瞬變電磁的探測結(jié)果能夠得出1600 線的視電阻率斷面圖如圖5 所示。

圖5 1600 線視電阻斷面圖

通過具體分析圖5 可知，該區(qū)域采空區(qū)位于1910- 1960、1700- 1810 和 1160- 1610 測點區(qū)域，等值線曲線在采空區(qū)下部表現(xiàn)為明顯的不連續(xù)現(xiàn)象，且在1400～1600 點的下方其視電阻率比其余兩處低，據(jù)此推測該區(qū)域電阻率低的主要原因為采空區(qū)內(nèi)存在著積水導(dǎo)致，且積水從高出向地處逐漸流動；圖中1720- 1820 和1960- 2000 測點區(qū)域，即圖中藍色橢圓圈定的區(qū)域，視電阻了均小于40Ω·m，等值線曲線在啊該區(qū)域明顯下凹，可將該區(qū)域劃分為采空區(qū)積水區(qū)，圖中F72 斷層附近粉紅色虛線圈定的區(qū)域為斷層破碎帶，該區(qū)域視電阻率等值線也出現(xiàn)明顯的下凹現(xiàn)象，也其值均小于50Ω·m，據(jù)此在推測該斷層具有富水性，15# 煤層工作面推進通過F72 斷層時應(yīng)加強探放水作業(yè)，有效防止其與采空區(qū)積水出現(xiàn)導(dǎo)通的現(xiàn)象。

根據(jù)瞬變電磁的探測結(jié)果能夠得出2040 線的視電阻率斷面圖如圖6 所示。

圖6 2040 線視電阻斷面圖

通過具體分析圖6 可知，該測線位于研究區(qū)域的北部，測線貫穿探測區(qū)域的東西兩個方向，測點編號的范圍為1160- 2090，在該測線區(qū)域在煤層的下方其視電阻率相對較為連續(xù)，并未出現(xiàn)數(shù)值的變化，在F69 的斷面圖上存在著明顯的低阻異常區(qū)域，處于9#煤層的采空區(qū)測點1790- 2090 區(qū)域，該處存在著較大的富水性。

另外為有效驗證不同測線得出的上覆采空區(qū)的富水特性，現(xiàn)對9# 煤層的視電阻順層進行切片出圖，具體如圖7 所示。

圖7 9# 煤層視電阻順層切片圖

根據(jù)圖 7 可知，圖中的 1、4、5 和 6 區(qū)域顯示出低阻異?，F(xiàn)象，該區(qū)域為采空區(qū)引起的低阻體現(xiàn)，異常區(qū)域2 號在F69 斷層破碎帶區(qū)域，該區(qū)域的電阻率出現(xiàn)明顯低于相鄰區(qū)域的現(xiàn)象，但結(jié)合斷面的分析結(jié)果，在斷層區(qū)域藍色線內(nèi)的位置出現(xiàn)富水的結(jié)果不太具有可靠性。

根據(jù)本次的勘探結(jié)果，能夠得出匯總得出9# 煤層采空區(qū)的富水區(qū)域如圖8 所示。

圖8 9# 煤層采空區(qū)富水特性平面圖

圖中9# 煤層采空區(qū)存在著4 塊區(qū)域，分別編號為1～4 號具體各個采空區(qū)內(nèi)的情況如下：

1 號采空區(qū)區(qū)域位于工作面的東北部，具體在1640 測線和2120 測線，測點1540- 2090 的范圍內(nèi)，該區(qū)域并無大范圍的采空區(qū)積水，僅存在一塊較小的采空區(qū)積水區(qū)域，將其編號為B1；

2 號采空區(qū)位于本次探測的中西部，具體在1440測線和1760 測線，測點1160- 1630 的范圍內(nèi)，向較為礦井原本了解的該區(qū)域采空區(qū)范圍，多圈定了40m。

3 號采空區(qū)位于探測的中東部，具體在1400 測線和1760 測線，測點1670- 2090 的范圍內(nèi)，該區(qū)域的低阻異常區(qū)域較大，存在著較大的積水區(qū)域，圖中該區(qū)域內(nèi)的B2 和B3 區(qū)域內(nèi)的視電阻率明顯小于60Ω·m，故將3 號采空區(qū)內(nèi)的B2 和B3 區(qū)域劃分為采空積水區(qū)域。

4 號采空區(qū)位于探測區(qū)域的東南部，具體在1080測線和1400 測線，測點1670- 2090 的范圍內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)的B4、B5 和B6 區(qū)域為采空區(qū)的積水區(qū)域。

具體B1—B6 范圍內(nèi)的采空區(qū)積水區(qū)域的面積分 別 為 6600m2、46400m2、25700m2、3500m2、14000m2、4100m2，該探測得到的6 處采空區(qū)積水區(qū)域可靠性較高，探測結(jié)果較為穩(wěn)定在工作面回采通過該6 處區(qū)域時，應(yīng)加強探放水作業(yè)。

4 結(jié) 論

根據(jù)15# 煤層及上覆9# 煤層采空區(qū)的具體情況，通過具體分析瞬變電磁法的原理及特點，確定了合理的測試測試參數(shù)，并通過試驗的方式確定了測試參數(shù)設(shè)置的合理性，根據(jù)瞬變電磁的探測結(jié)果知15煤層上方存在著4 處采空區(qū)，積水區(qū)域存在著6 處，并具體給出各個區(qū)域的面積和位置，有效的指導(dǎo)了工作面探放水作業(yè)的進行。