瞬變電磁技術(shù)在煤巖層富水性探測中的應(yīng)用
——以永明礦為例

杜澤文，劉元龍,杜才溢

(1. 陜西永明煤礦有限公司,陜西 延安 716000;2. 太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024)

突水事故不僅嚴(yán)重影響煤礦正常開采,還會給井下工作人員的生命安全和設(shè)備的安全運行帶來極大威脅。因此,及時探查工作面煤巖層水文地質(zhì)實際情況,并根據(jù)探測結(jié)果制定有效的防治水措施尤為重要[1,2]。目前,礦井煤巖層富水性探測方法較多,主要有地質(zhì)推斷、水文地球化學(xué)分析、鉆孔勘探、直流電法、音頻電透和瞬變電磁法等[3,4]。其中瞬變電磁法憑借高效率、純二次場觀測、高精度和獲取數(shù)據(jù)全面等優(yōu)點,在井下煤巖層富水性探測方面的應(yīng)用日益廣泛[5]。郭艷培等[6]基于瞬變電磁技術(shù)探測結(jié)果,確定了陽城礦1311工作面外幫視電阻率低阻異常區(qū)域,確保了該工作面的安全回采。徐曉培[7]采用瞬變電磁技術(shù)查明了山西某煤礦積水區(qū)的位置和范圍等,為該礦區(qū)的水患防治提供了資料依據(jù)。程久龍等[8]采用礦井瞬變電磁法對巖層富水性進行了超前探測,并結(jié)合LBA-BP方法提高了探測解讀精度。本文基于上述研究,采用礦井瞬變電磁技術(shù)對永明礦3111工作面及頂、底板巖層的富水情況進行探測,以期為該工作面防治水工作的開展提供數(shù)據(jù)支撐。

1 地質(zhì)分析

1.1 工作面概況

永明礦目前主采3#煤層,該煤層位于三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組第三段上部,與上部5#煤層間距為33.60～44.30 m,平均間距為39.84 m。煤層厚度為0.67～0.73 m,平均厚度為0.70 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單無夾矸,其頂板、底板巖性均為泥巖。煤層底板標(biāo)高為1 040～1 045 m,由東向西傾伏,煤層傾角為1°～3°。其中3111工作面位于井田東南部,北面為3#煤東回風(fēng)大巷,西鄰3109工作面,南為井田邊界,具體位置如圖1所示。工作面走向長846 m,傾向?qū)?27 m。

圖1 3111工作面位置圖Fig.1 3111 working face position

1.2 水文地質(zhì)條件及潛在水害分析

1)水文地質(zhì)條件。井田地處陜北黃土高原中部,屬典型黃土梁峁地貌景觀,區(qū)內(nèi)溝谷縱橫,地形復(fù)雜,第四系松散沉積物廣布,基巖沿溝谷出露。地下水的形成與分布受地質(zhì)、地貌、構(gòu)造及水文氣象諸多因素的綜合控制。因該區(qū)地表坡降大,透水性差,大氣降水主要以地表徑流流走,少量滲入補給地下水。由《陜西永明煤礦地質(zhì)報告》可知,該礦地下含水層主要有三個:第四系中上更新統(tǒng)黃土孔隙極弱富水含水層、三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組上段和中段裂隙承壓含水層。其中,第四系中上更新統(tǒng)黃土孔隙極弱富水含水層接受大氣降水滲入補給,向溝谷方向徑流,以面狀滲出為主要排泄形式,富水性弱。三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組上段和中段裂隙承壓含水層裂隙不發(fā)育,富水性弱。

2)潛在水害分析。礦井充水水源為大氣降水與地表水、地下水、老窯積水、采空區(qū)積水,其中地下水即瓦窯堡組上中段巖石裂隙水是礦井主要充水水源,其次為老窯積水、采空區(qū)積水。由《地質(zhì)報告》可知,該煤層老窯積水區(qū)位于原永明煤礦范圍南部,為2011年之前開采形成的采空區(qū),面積270 m2,積水量18 000 m3,積水標(biāo)高位范圍為1 040～1 045 m。礦井充水通道主要有斷層構(gòu)造及裂隙、采礦冒落裂隙帶及封堵不良鉆孔等。3#煤層充水水源來自瓦窯堡組煤層上部砂巖裂隙水,該層補給來源單一,富水性微弱,個別地段甚至無水,充水強度弱,對采煤活動影響小。但巷道掘進應(yīng)堅持“有掘必探,物探先行,鉆探跟進”的指導(dǎo)思想,為確保礦井安全生產(chǎn),所以對3111工作面進行瞬變電磁探測是十分必要的。

2 瞬變電磁法探測基本原理

礦井瞬變電磁法(TEM),也稱時間域電磁法,是利用不接地回線或接地線源在煤礦井下全空間觸發(fā)一次脈沖磁場,在一次脈沖磁場間歇期間,利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。如圖2所示,將矩形反射線框產(chǎn)生的渦流場等效為電流環(huán)產(chǎn)生的環(huán)形渦流場[9]。該電流環(huán)隨時間推移而向上、下及外擴散,等效電流環(huán)像從發(fā)射回線吹出來的一系列“煙圈”,故電磁波的擴散傳播現(xiàn)象被稱為“煙圈效應(yīng)”[9-11]。簡單地說,瞬變電磁法基本原理就是電磁感應(yīng)定律。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;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的變化規(guī)律,可得到不同深度的地電特征。

圖2 瞬變電磁場煙圈效應(yīng)圖Fig.2 Smoke ring effect of transient electromagnetic field

3 現(xiàn)場測點布置及數(shù)據(jù)記錄

本次選用YCS512型礦用瞬變電磁儀,發(fā)射頻率設(shè)置為6.25 Hz,疊加次數(shù)為32次,探測深度為100 m左右。為了提高探測結(jié)果質(zhì)量,在井下現(xiàn)場探測時,對探測區(qū)域附近進行斷電處理,同時進行濾波處理,以防止井下用電干擾,然后對3111工作面頂?shù)装鍘r層富水情況及位置進行探測。本次探測分別在3111進風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽及3109回風(fēng)順槽各布置1條測線,然后在測線內(nèi)按10 m間距布置測點。測線、測點及數(shù)據(jù)采集布置情況如表1所示。

表1 測線、測點及數(shù)據(jù)采集布置情況表Table 1 Layout of the survey lines, survey points and data collection

對測點進行編號,然后分別按斜上45°、水平順層和斜下45°依次對測點進行探測,探測范圍如圖3中綠色部分所示,探測路線如圖3紅色箭頭所示，探測方向如圖4所示。

圖3 探測范圍及探測路線示意圖Fig.3 Schematic diagram of detection range and route

圖4 探測方向示意圖Fig.4 Schematic diagram of detection direction

4 探測結(jié)果處理及分析

數(shù)據(jù)處理之前先對原始數(shù)據(jù)進行逐點檢查,驗證其有效性并統(tǒng)計誤差后,進行濾波處理,以達到壓制干擾、突出有效信號的目的。然后把井下觀測到的磁場變化率dB/dt值按遠(yuǎn)區(qū)的晚期計算公式、視深度的計算公式經(jīng)過反演轉(zhuǎn)換為視電阻率ρτ(t)和視深度hτ(t)等的參數(shù)。在此基礎(chǔ)上繪制出相應(yīng)視電阻率ρτ(t)斷面與平面等值線圖。瞬變電磁視電阻率等值線斷面圖中,橫坐標(biāo)為測點長度坐標(biāo),縱坐標(biāo)為沿探測方向上的深度坐標(biāo),結(jié)合地質(zhì)及水文地質(zhì)資料來確定探測區(qū)域內(nèi)橫向、垂向深度上煤巖層視電阻率變化情況?，F(xiàn)結(jié)合以往在本礦區(qū)的探測經(jīng)驗以及施工現(xiàn)場實際條件環(huán)境,參照現(xiàn)場原始記錄,對成果圖進行分析處理,排除干擾異常因素,取真存?zhèn)?解釋成果圖中明顯異常區(qū)。

4.1 3111工作面斜上45°頂板探測結(jié)果與分析

3111工作面斜上45°頂板視電阻率等值線斷面如圖5所示。由圖5可知,3111進風(fēng)順槽頂板視電阻率為8～45 Ω·m,3111回風(fēng)順槽頂板視電阻率為18～65 Ω·m,3109回風(fēng)順槽頂板視電阻率為8～45 Ω·m。綜合分析3111進風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽和3109回風(fēng)順槽頂板的瞬變電磁視電阻率剖面圖并結(jié)合地質(zhì)資料可知,3111頂板巖層視電阻率變化相對較大,其巖層富水性弱。

圖5 3111工作面斜上45°頂板視電阻率等值線斷面圖Fig.5 Apparent resistivity contour section of 45° upward roof of 3111 working face

4.2 3111工作面水平順層探測結(jié)果與分析

3111工作面水平順層視電阻率等值線斷面如圖6所示。由圖可知,3111進風(fēng)順槽水平順層視電阻率為8～60 Ω·m,在450～500 m段出現(xiàn)低阻異常區(qū)(8 Ω·m,圖6中虛線圈定區(qū)域),結(jié)合地質(zhì)資料分析可知,該異常區(qū)內(nèi)煤巖層中裂隙相對發(fā)育、有少量裂隙水。3111回風(fēng)順槽水平順層視電阻率為8～65 Ω·m,在450～500 m段也出現(xiàn)了低阻異常區(qū)(8 Ω·m,圖6中虛線圈定區(qū)域),結(jié)合地質(zhì)資料分析可知,該異常區(qū)內(nèi)煤巖層中裂隙相對發(fā)育、有少量裂隙水。3109回風(fēng)順槽水平順層視電阻率為4～30 Ω·m,顯示為條帶狀相對低阻體,結(jié)合現(xiàn)場探測條件可知,條帶狀相對低阻體為巷道內(nèi)金屬管道干擾所致。此外,3111工作面水平順層除450～500 m段出現(xiàn)低阻異常區(qū),煤巖層中裂隙相對發(fā)育,有少量裂隙水之外,其他區(qū)域視電阻率相對較大,巖層富水性弱。因此,在回采至450～500 m時,應(yīng)加強水文地質(zhì)觀測,做好防排水工作。

圖6 3111工作面水平順層視電阻率等值線斷面圖Fig.6 Apparent resistivity contour section of horizontal layer of the 3111 working face

4.3 3111工作面斜下45°底板探測結(jié)果與分析

3111工作面斜下45°底板視電阻率等值線斷面如圖7所示。由圖7可知,3111進風(fēng)順槽底板視電阻率為8～45 Ω·m,存在一處較小范圍的低阻異常區(qū),結(jié)合地質(zhì)資料可知,3111進風(fēng)順槽底板巖層富水性較弱。3111回風(fēng)順槽底板視電阻率為18～65 Ω·m,視電阻率剖面中存在局部低阻反映,結(jié)合地質(zhì)資料可知,3111回風(fēng)順槽底板巖層富水性較弱。3109回風(fēng)順槽底板視電阻率為8～45 Ω·m,該測線范圍內(nèi)干擾相對較大,存在一處較小范圍的低阻異常區(qū),結(jié)合地質(zhì)資料可知,3109回風(fēng)順槽底板巖層富水性較弱。綜合三條底板測線的探測結(jié)果并結(jié)合地質(zhì)資料可知,3111工作面底板巖層的富水性弱。

圖7 3111工作面斜下45°底板視電阻率等值線斷面圖Fig.7 Apparent resistivity contour section of 45° downward floor of 3111 working face

5 結(jié)論

1)對礦井瞬變電磁法基本原理及探測方式進行了介紹,根據(jù)永明礦3111工作面實際情況確定了具體探測區(qū)域,并確定了測線、測點和探測方向的布置方式。

2)通過對探測數(shù)據(jù)進行處理,得到了測線在斜上45°、水平順層和斜下45°方向上的視電阻率等值線斷面圖,并結(jié)合水文地質(zhì)條件對3111工作面頂?shù)装鍘r層富水情況進行了分析。結(jié)果表明,3111工作面水平順層在450～500 m段出現(xiàn)低阻異常區(qū),表明該區(qū)域煤巖層中裂隙相對發(fā)育、有少量裂隙水,在回采至該區(qū)域時應(yīng)加強水文地質(zhì)觀測,做好防排水工作。