瞬變電磁法在導(dǎo)水裂縫帶高度探測中的應(yīng)用

薛雄飛

(陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著我國煤礦長壁大采高綜合機械化開采技術(shù)的不斷發(fā)展，高強度開采引起的地表沉陷、地下水流失、生態(tài)環(huán)境破壞等一系列問題相繼出現(xiàn)，其中導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度是導(dǎo)致這些問題的主要癥結(jié)所在[1-3]。目前針對導(dǎo)水裂縫帶高度的確定方法主要以經(jīng)驗公式計算、鉆孔沖洗液觀測、數(shù)值模擬、相似材料物理試驗等傳統(tǒng)方法為主[4-6]，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同的確定方法均存在一定的局限性[7-9]。因此，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的確定，對評價礦井回采工作面突水危險性、科學(xué)制定水害防治措施具有重要意義[10-11]。

以杭來灣煤礦30103回采工作面為研究對象，在以往通過鉆孔實測導(dǎo)水裂縫帶高度的基礎(chǔ)上[12-13]，利用導(dǎo)水裂縫帶充水后電阻率降低的這一特征，引入了瞬變電磁探測方法，通過分析探測結(jié)果和鉆孔實測結(jié)果之間的差異，確定大采高綜采開采條件下瞬變電磁探測法在杭來灣煤礦導(dǎo)水裂縫帶高度中的適用性。

1 工作面概況及探測條件

1.1 工作面概況

30103回采工作面是杭來灣煤礦301盤區(qū)第3個工作面，工作面走向長度為4 352 m，傾向長度為299.1 m，3號煤層平均厚度8.7 m，傾角5.5°，平均埋深約250 m，地質(zhì)儲量約8.0 Mt。工作面采用長壁分層大采高綜合機械化采煤法，全部垮落法管理頂板，前期開采3號煤層上分層，采厚為4.8 m。30103工作面地質(zhì)條件簡單，工作面沒有大的構(gòu)造，地層沉積平緩穩(wěn)定，厚度變化均勻，地層巖性主要以砂巖為主。

1.2 探測條件

一般情況下，導(dǎo)水裂縫發(fā)育且充水的地層具有低電阻率的特征，裂縫發(fā)育的程度越高，富水性就越強，低阻特征越明顯。電阻率與地層的巖性、裂縫發(fā)育程度和富水性具有顯著的對應(yīng)關(guān)系。30103工作面于2015年回采完畢，頂板完全垮落后，導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育趨于穩(wěn)定，回采形成的導(dǎo)水裂縫被水充填后，電阻率將明顯降低，瞬變電磁探測顯示為低阻異常區(qū)，這一特性滿足瞬變電磁儀的探測條件。因此，瞬變電磁探測法適用杭來灣煤礦30103工作面導(dǎo)水裂縫帶高度的探測。

2 瞬變電磁探測設(shè)計

2.1 儀器選擇

本次探測選用安徽惠州地質(zhì)安全研究院生產(chǎn)的YCS360A型礦用本安型瞬變電磁儀，該設(shè)備接收和發(fā)射線圈尺寸為1.8 m×1.8 m，發(fā)射頻率分別為125 Hz、25 Hz、12.5 Hz、6.25 Hz、5 Hz和2.5 Hz，信號接收頻率范圍為1～400 kHz，采樣抽道運算道數(shù)為360道，最大探測深度為120 m，設(shè)備的技術(shù)參數(shù)滿足探測要求。YCS360A型礦用本安型瞬變電磁儀內(nèi)置的自定義探測程序，主要用于探測煤層底板的富水性，該程序適用于本次探測。

2.2 探測設(shè)計

根據(jù)杭來灣煤礦30103回采工作面的地層特征，在導(dǎo)水裂縫帶影響范圍內(nèi)，直羅組和延安組砂巖承壓含水層厚度穩(wěn)定且分布廣泛，瞬變電磁探測法的可靠性更高。因此，探測設(shè)計借助鉆孔柱狀圖進行數(shù)據(jù)比對和地層參照，結(jié)合導(dǎo)水裂縫帶在工作面不同位置的發(fā)育規(guī)律，同時考慮瞬變探測儀最大探測深度和范圍，綜合分析后將探測地點選擇在30103工作面采空區(qū)中部鉆孔B4附近，距切眼230～330 m范圍內(nèi)，共設(shè)計11個探測點，每個測點間距為10 m，測點布置情況如圖1所示。

圖1 30103工作面采空區(qū)瞬變電磁探測點布置Fig.1 Layout of transient electromagnetic detection points in goaf of 30103 working face

3 數(shù)據(jù)分析及驗證

3.1 數(shù)據(jù)采集

利用瞬變電磁儀內(nèi)置的自定義探測方法，根據(jù)探測點布置圖進行數(shù)據(jù)采集工作。首先，清理工作現(xiàn)場地表的雜草和雜物，保證設(shè)備盡量遠離金屬干擾和高壓線路；根據(jù)探測點位置坐標(biāo)，利用手持GPS或RTK進行現(xiàn)場放樣，對11個探測點位置進行標(biāo)記，并編號做好記錄；檢查儀器設(shè)備的工作狀況，檢查收發(fā)線圈是否正確連接。選擇設(shè)備內(nèi)置的自定義探測方法，將線圈置于探測點的中心，操作設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，待數(shù)據(jù)采集進度條完成，依次完成剩余探測點的數(shù)據(jù)采集。

3.2 數(shù)據(jù)處理和成果解釋

3.2.1 數(shù)據(jù)處理

將采集的數(shù)據(jù)通過USB數(shù)據(jù)線與計算機連接，將本次采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，打開MTEM數(shù)據(jù)處理軟件，按照圖2所示流程進行數(shù)據(jù)處理。將采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過工程導(dǎo)入、測線組合、道參修改、干擾校正、擴散校正和圓滑處理等操作后，生成了30103回采工作面采空區(qū)裂隙探測視電阻率色譜斷面圖，如圖3所示。

圖2 探測數(shù)據(jù)處理流程Fig.2 Detection data processing flow

圖3 30103工作面采空區(qū)裂隙探測視電阻率色譜斷面Fig.3 Apparent resistivity chromatographic section of fracture detection in goaf of 30103 working face

3.2.2 數(shù)據(jù)處理和成果解釋

本次探測以探測線附近的B4鉆孔作為地層參照，結(jié)合B4鉆孔柱狀圖排除了導(dǎo)水裂隙導(dǎo)通區(qū)域內(nèi)泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂質(zhì)泥巖對本次探測結(jié)果的干擾影響后，根據(jù)視電阻率色譜斷面中可以看出，垂深110～120 m之間出現(xiàn)大范圍的低阻區(qū)，同時隨著深度增加電阻率明顯降低，由此判斷開采引起的導(dǎo)水裂隙在該范圍以下發(fā)育程度逐漸增大。由于該探測區(qū)域內(nèi)B4鉆孔柱狀圖煤層埋深約230 m，視電阻率色譜斷面圖顯示，導(dǎo)水裂縫帶在距離地表大約110～120 m的位置發(fā)育程度較高，結(jié)合B4鉆孔柱狀圖可知探測區(qū)域內(nèi)3號煤層埋藏深度約為232 m左右。因此，在采厚為4.8 m的情況下，探測區(qū)域?qū)芽p帶發(fā)育高度約為118 m，裂采比為24.6。

3.3 成果驗證

3.3.1 導(dǎo)水裂縫帶高度實測

杭來灣煤礦通過地面鉆孔沖洗液漏失觀測法和井下仰斜孔漏失量觀測法，2種方法分別對30101回采工作面和30108回采工作面導(dǎo)水裂縫高度進行過實測，實測的工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度統(tǒng)計情況見表1。

表1 杭來灣煤礦導(dǎo)水裂縫帶高度實測成果Table 1 Measured results of height of water flowing fracture zone in Hanglaiwan coal mine

3.3.2 結(jié)果分析

對比瞬變電磁探測法和鉆孔實測法2種探測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，瞬變電磁探測結(jié)果幾乎與實測結(jié)果相差不大，與鉆孔實測的方法相比，瞬變電磁探測結(jié)果具有費用低、效率高、操作簡單快捷、探測位置靈活、探測深度大，探測結(jié)果可靠等諸多優(yōu)點。以往不具備鉆孔實測條件時，一般都采用經(jīng)驗公式進行計算，但是經(jīng)驗公式的計算結(jié)果與實際情況存在很大差距，不適用于大采高綜合機械化開采的情況，瞬變電磁儀探測法的引入，給導(dǎo)水裂縫帶高度的探測提出了一種新的技術(shù)手段。隨著礦井開采范圍和開采技術(shù)條件的不斷變化，可根據(jù)需要隨時在指定區(qū)域進行回采工作面采空區(qū)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育程度的探測，利用探測結(jié)果評價礦井回采工作面突水危險性、制定頂板水害防治措施。

4 結(jié)論

(1)工作面回采過后，頂板自然垮落，導(dǎo)水裂縫帶向上覆基巖含水層發(fā)育，使得導(dǎo)水裂縫充水，這一特征滿足瞬變電磁儀的工作條件。

(2)杭來灣煤礦30103回采工作面探測結(jié)果顯示，采厚為4.8 m時，導(dǎo)水裂縫帶高度為118 m，裂采比為24.6，這一結(jié)果與鉆孔實測數(shù)據(jù)基本吻合，證明該探測方法可靠性較高。

(3)大采高綜合機械化開采條件下，經(jīng)驗公式在導(dǎo)水裂縫帶高度的計算過程中存在很大的局限性，不推薦礦井繼續(xù)使用。與傳統(tǒng)的導(dǎo)水裂縫帶高度探測手段相比，瞬變電磁法具有費用低、效率高、操作簡單、探測結(jié)果可靠等諸多優(yōu)點，推廣應(yīng)用的優(yōu)勢和潛力很大。

(4)利用瞬變電磁法對回采工作面采空區(qū)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育程度的探測，為礦井回采工作面突水危險性的評價和頂板水害防治措施的制定，提供了重要依據(jù)。