基于瞬變電磁法的采空區(qū)探測(cè)研究

趙磊磊

（山西凌志達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046600）

大規(guī)模、高強(qiáng)度的煤礦開采在帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對(duì)環(huán)境造成的破壞也日益凸現(xiàn)。我國(guó)多數(shù)產(chǎn)煤地區(qū)都存在因煤炭資源的開采而引發(fā)的眾多礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，這些問(wèn)題在造成大量的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡的同時(shí)，還嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。因此，查明已存在的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題、預(yù)測(cè)礦區(qū)可能出現(xiàn)新的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，成為當(dāng)前礦山地質(zhì)環(huán)境治理的首要任務(wù)之一[2-3]。

泰安煤業(yè)位于山西朔州，由于煤礦的開采，形成多處采空區(qū)，破壞了地下巖體結(jié)構(gòu)，造成地面多處沉陷，有的對(duì)房屋主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生威脅。因此，查明工作區(qū)內(nèi)煤礦采空區(qū)的空間分布，對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)及整治具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

1.1 礦井概況

泰安煤業(yè)位于村莊一帶范圍內(nèi)，礦區(qū)東、南部均有煤礦分布，北、西部無(wú)礦。井田內(nèi)及周邊無(wú)小窯開采。該礦可采煤層有4#、9#、11#煤。全礦共劃分為8個(gè)采區(qū)，其中4#煤層2個(gè)采區(qū)，9#煤層4個(gè)采區(qū)，11#煤層2個(gè)采區(qū)。采煤方式為綜采放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。

1.2 工作面及采空區(qū)開采概況

該礦開采9#煤層，4#煤層在礦界東北角小面積采空，其范圍進(jìn)入9#煤層的6#采空區(qū)內(nèi)。本次預(yù)測(cè)根據(jù)相近采空區(qū)及工作面情況就近合并分區(qū)。根據(jù)調(diào)查工作面及采空區(qū)情況見表1、圖1。

表1 工作面及采空區(qū)情況

圖1 工作面及采空區(qū)位置

2 測(cè)點(diǎn)布置方案

瞬變電磁法是根據(jù)不同巖體的電阻率大小進(jìn)而反應(yīng)數(shù)據(jù)，分析可以得到采空區(qū)的分布范圍。本次綜合物探勘查工作線框敷設(shè)在確定了物探測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，使用GPS及羅盤結(jié)合地形圖定出發(fā)射回線的四個(gè)角點(diǎn)，敷設(shè)100 m×100 m的發(fā)射線框，其物探測(cè)點(diǎn)的確定及線框敷設(shè)精度滿足工程物探測(cè)量要求。測(cè)點(diǎn)高程以各測(cè)線的方式給出。利用儀器內(nèi)部集成的反演軟件對(duì)不同發(fā)送頻率、不同發(fā)送電流、發(fā)送電壓、不同迭加次數(shù)，不同接收面積等情況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算觀測(cè)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果在野外進(jìn)行實(shí)際探測(cè)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，最終選定工作參數(shù)：發(fā)送電壓24 V，發(fā)送電流9 A，發(fā)送基頻12.5 Hz，發(fā)送邊長(zhǎng)100 m×100 m，探頭有效面積40 000 m2。本次工作在村莊北部、東部和南部共布置大回線源瞬變電磁測(cè)線18條，村莊內(nèi)部布置重疊小回線瞬變電磁測(cè)線1條，在典型地段布置直流電測(cè)深點(diǎn)6個(gè)。

3 數(shù)據(jù)處理分析

3.1 大回線源瞬變電磁探測(cè)成果解釋

本次瞬變電磁法勘探共完成18條測(cè)線，分別控制了村莊的北部，南部和東部區(qū)域。下面分別分析討論：

（1）村莊東部電性情況分析

由現(xiàn)場(chǎng)踏勘可知在村莊的東南部有一個(gè)范圍較大的積水區(qū)，推斷為采空區(qū)造成地表沉降形成的。為了探明其采空區(qū)范圍，布置了測(cè)線1～6，每條長(zhǎng)450 m。測(cè)線1～3南起高速公路輔路，北至村莊干道北側(cè)杏樹林。處理數(shù)據(jù)可知，三條測(cè)線表現(xiàn)出基本一致的電性變化。測(cè)線2數(shù)據(jù)（見圖2）在0～100 m，地層電阻率隨地層加深呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，測(cè)線剩余部分的電阻率在淺部為低阻，中間深度為高阻，深部又變?yōu)榈妥?。由于煤層被采后形成的富水采空區(qū)呈低阻反映，可以推斷1～3線的小號(hào)區(qū)域可能存在富水采空區(qū)100～150 m范圍內(nèi)半高阻區(qū)域，可能為采空區(qū)與穩(wěn)定地層的過(guò)渡區(qū)域，或者該區(qū)域煤層已被開采，但并未出現(xiàn)大面積塌陷而形成富水采空區(qū)；三條測(cè)線在300～350 m范圍內(nèi)的高阻區(qū)域在垂向上明顯更大，推測(cè)是由地下巷道引起的。

圖2 測(cè)線2視電阻率斷面

測(cè)線4～6平行于測(cè)線1～3，并位于其西側(cè)，處于村莊東南側(cè)兩排民房之間，測(cè)線長(zhǎng)150 m。從處理數(shù)據(jù)可知，該三條測(cè)線的電性變化，表現(xiàn)出與測(cè)線1-3小號(hào)點(diǎn)部分類似的變化特性。在含煤地層深度范圍內(nèi)，地層電阻率普遍偏低，未表現(xiàn)出典型的石炭系高阻反映，推斷該區(qū)域可能為富水采空區(qū)，且推斷該區(qū)域與測(cè)線1～3推斷的富水采空區(qū)為同一個(gè)。

（2）村莊北部電性情況分析

為確定村莊北部采空區(qū)影響范圍，我們共布置了9條測(cè)線，即測(cè)線7～15。其中測(cè)線7～9位于村莊干道北側(cè)，西起村莊養(yǎng)豬場(chǎng)，東至村莊東側(cè)一廢棄公路，測(cè)線長(zhǎng)度為700 m。由數(shù)據(jù)可知，測(cè)量區(qū)域內(nèi)，含煤地層基本穩(wěn)定，該深度范圍內(nèi)未出現(xiàn)大面積的低阻帶，推斷測(cè)線并未穿過(guò)大面積的富水采空區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，測(cè)線7～9北側(cè)不遠(yuǎn)處即為明顯的地面塌陷區(qū)域，因此應(yīng)注意塌陷區(qū)范圍，隨時(shí)間推移可能會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大，向南部延伸。需要說(shuō)明的是，受高壓電的影響，測(cè)線600～700 m范圍內(nèi)(圖中右側(cè)實(shí)線線框圈出區(qū)域)的數(shù)據(jù)質(zhì)量較低，一定程度上影響了該區(qū)域的反演結(jié)果質(zhì)量。測(cè)線9數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 測(cè)線9視電阻率斷面

測(cè)線10～15位于村莊北部養(yǎng)豬場(chǎng)附近，測(cè)線北臨溝壑地帶，南鄰村莊北側(cè)干道。分析數(shù)據(jù)可知，測(cè)線10～15的電阻率斷面都表現(xiàn)出穩(wěn)定的無(wú)采空高阻特性，且比測(cè)線1～9的高阻層深度更大，表明該區(qū)煤層的埋藏深度、更大。根據(jù)測(cè)量結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)踏勘，推測(cè)該測(cè)量區(qū)域內(nèi)不存在采空區(qū)。

（3）村莊東部電性情況分析

為確定村莊南部采空區(qū)邊界范圍，在村莊南部沿高速路布置測(cè)線16～18。測(cè)線近北北東向布置，西起高速路橋洞，長(zhǎng)度為600 m。分析數(shù)據(jù)可知，三條測(cè)線的電阻率分布在東西兩段表現(xiàn)出完全不同的特性：西段(0～260 m范圍)電阻率由淺及深是“低-高-低”的變化趨勢(shì)，表明該段區(qū)域地層穩(wěn)定，煤層未被開采；而東段(260～600 m范圍)電阻率的變化趨勢(shì)是“高-低-高”，表現(xiàn)為典型的富水采空區(qū)電性特征。需要說(shuō)明的是在該段范圍內(nèi)深部的高阻反映，并非代表底部真實(shí)存在的高阻地層，而是由于中間富水區(qū)的極低電阻率引起的假異常。

3.2 重疊小回線瞬變電磁探測(cè)成果解釋

由于對(duì)村莊內(nèi)部的探測(cè)受房屋的阻礙，大回線裝置不能開展，為此采用重疊小回線裝置。其裝置參數(shù)為：發(fā)射回線邊長(zhǎng)為3 m×3 m，10匝；接收回線邊長(zhǎng)為3 m×3 m，5匝，發(fā)射電流8.9 A，發(fā)射基頻為12.5 Hz，最晚觀測(cè)時(shí)間道為20 ms。由于小回線裝置的發(fā)射磁矩小，激發(fā)的感應(yīng)電壓幅值小，加上村莊內(nèi)部電磁干擾強(qiáng)烈，因此在較早的時(shí)間道(約8 ms)內(nèi)，感應(yīng)電壓便衰減至噪聲水平，導(dǎo)致小回線的探測(cè)深度最大只能到50 m。

由探測(cè)結(jié)果可得，在深度50 m范圍內(nèi)，地層電性基本呈遞增的變化趨勢(shì)，并未出現(xiàn)明顯的縱、橫向電阻率突變。雖然該深度并未達(dá)到含煤地層的深度，不能據(jù)此判斷下覆煤層是否已被開采。但若測(cè)線覆蓋區(qū)內(nèi)已發(fā)生塌陷，淺部地層同樣會(huì)導(dǎo)致電性的變化。因此，根據(jù)小回線探測(cè)結(jié)果，可以判定測(cè)量范圍內(nèi)不存在塌陷。

3.3 直流測(cè)深探測(cè)成果解釋

對(duì)于直流電測(cè)深法探測(cè)，分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段是在進(jìn)行瞬變電磁測(cè)量之前，首先在測(cè)區(qū)明顯塌陷區(qū)和未塌陷區(qū)進(jìn)行測(cè)量，以確定兩種情況下電性的變化特征，為瞬變電磁探測(cè)結(jié)果解釋提供依據(jù)；第二階段是在完成瞬變電磁法測(cè)量之后，在解釋異常區(qū)邊界區(qū)域選擇個(gè)別位置進(jìn)行測(cè)量，一方面驗(yàn)證瞬變電磁測(cè)量成果，另一方面為鉆孔點(diǎn)選定提供參考。

圖4為直流測(cè)深點(diǎn)的電阻率反演曲線?？梢钥闯觯鶄€(gè)測(cè)點(diǎn)處的電阻率整體上表現(xiàn)出兩種不同的變化趨勢(shì)：一種是 “高-低-高”(包括DC-2、DC-4、DC-6)，表明這三處位置可能存在富水采空區(qū)；另一種是“低-高-低”(包括DC-1、DC-3、DC-5)，表明這三處位置的煤層未被開采，不存在采空區(qū)。直流電測(cè)深結(jié)果與對(duì)應(yīng)位置的瞬變電磁測(cè)深結(jié)果基本吻合，證明了瞬變電磁探測(cè)成果的可靠性。

圖4 直流電測(cè)深電阻率反演曲線

4 結(jié)語(yǔ)

據(jù)上分析，由于采空區(qū)的存在，導(dǎo)致巖體破壞，巖石間裂隙增大，形成導(dǎo)水及富水區(qū)域，表現(xiàn)為瞬變電磁法的低阻反應(yīng)。因此，高阻判斷為未采地區(qū)，低阻判斷為采空區(qū)。

基于上述解釋原則，對(duì)各測(cè)線瞬變電磁探測(cè)成果進(jìn)行匯總，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘，可大致確定村莊四周的采空區(qū)范圍。將推測(cè)采空區(qū)范圍繪制于村莊航拍圖上，得到圖5。圖中矩形線框區(qū)域?yàn)榈V方標(biāo)明的已采空區(qū)，粗線段為基于本次物探工作推斷的采空區(qū)影響邊界。據(jù)圖5可知，村莊的南部和北部基本未受采空區(qū)影響，東部受采空區(qū)影響較嚴(yán)重，并有一采空區(qū)進(jìn)入村莊內(nèi)部。此次采空區(qū)范圍的確定為下步環(huán)境治理及保護(hù)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖5 采煤影響范圍確定地質(zhì)災(zāi)害勘察采空區(qū)物探勘察成果