基于瞬變電磁法和大地電磁法的煤礦積水采空區(qū)探測

林井祥，張立明，張繼忠

(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.北京安科興業(yè)礦山安全技術(shù)研究院有限公司，北京 102299)

在煤礦建設(shè)和生產(chǎn)中，采空區(qū)積水是礦井水災(zāi)事故的主要原因之一。因此清楚地掌握采空區(qū)含水體的分布規(guī)律，是煤礦安全生產(chǎn)的依據(jù)[1，2]。當(dāng)前主要使用地球物理勘探技術(shù)探測采空區(qū)含水體的分布規(guī)律，而最有效的地面地球物理探測方法主要是電法勘探，電法勘探的方法有很多種分類方式，按照產(chǎn)生異常電磁場的原因來分類，則可分為傳導(dǎo)類電法、感應(yīng)類電法[3]。由于井工煤礦開采形成的采空區(qū)相對深度較深，所以其更適用于感應(yīng)類電法勘探[4，5]。瞬變電磁法和大地電磁法這兩種電法是對煤礦采空區(qū)積水很敏感的感應(yīng)類電法勘探方法，同時(shí)運(yùn)用這兩種方法進(jìn)行勘探，互相驗(yàn)證探測結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，能更準(zhǔn)確地反映煤礦積水采空區(qū)情況[6，7]。

鑒于此，筆者在分析兩種方法的基本原理和工作方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合雞西礦區(qū)慶東煤礦工程實(shí)例，應(yīng)用瞬變電磁法和大地電磁法對該煤礦勘探區(qū)進(jìn)行地面綜合物探，首先通過瞬變電磁法探測反演成果推斷積水采空區(qū)和其他低阻異常區(qū)的位置，然后應(yīng)用大地電磁法對該區(qū)域進(jìn)行二次探測，將兩種方法的反演成果與已知資料對比分析，進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，比較兩種方法在煤礦地區(qū)探測積水采空區(qū)的應(yīng)用效果，為今后煤礦積水采空區(qū)探測提供依據(jù)與經(jīng)驗(yàn)。

1 基本原理

1.1 瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法——基于電磁感應(yīng)原理的時(shí)間域人工源電磁探測方法。它利用發(fā)送回線Tx(磁源)發(fā)送脈沖磁場(通常稱為一次場)，在一次場關(guān)斷的瞬間，由于作用在良導(dǎo)電礦體上磁通的變化，在良導(dǎo)電礦體中激勵(lì)起的感應(yīng)渦流，其是隨時(shí)間衰變的渦流場，從而激勵(lì)起隨時(shí)間變化的感應(yīng)電磁場(通常稱為二次場)。由于二次場包含有良導(dǎo)電礦體形狀、大小、位置及導(dǎo)電性等豐富的地電信息，在一次脈沖磁場的間歇期間，利用接收線圈Rx觀測二次場(或稱響應(yīng)場)，通過對這些響應(yīng)信息的提取和分析，從而達(dá)到探測目的[8]。

由于施工效率高，純二次場觀測以及對低阻體敏感，使得瞬變電磁法在當(dāng)前的煤田水文地質(zhì)勘探中成為首選方法。瞬變電磁法的野外勘查工作中通常采用重疊回線、中心回線、分離式回線裝置和大定源回線裝置[9]。

1.2 大地電磁法基本原理

大地電磁法——基于電磁感應(yīng)原理，用于研究地球電性的一種地球物理方法。它利用宇宙中的太陽風(fēng)、雷電等入射到地球上的天然電磁場信號作為激發(fā)場源，稱為一次場，該一次場是平面電磁波，垂直入射到大地介質(zhì)中，大地介質(zhì)中將會感應(yīng)出變化的電場即大地電流場，并產(chǎn)生二次電磁場，在地球內(nèi)部，這種電磁場的分布取決于巖石的電性結(jié)構(gòu)。在地面上單點(diǎn)觀測天然交變電磁場互相垂直的Ex、Ey、Hx、Hy四個(gè)分量，分析研究地面波阻抗隨頻率的變化，可以探測出地球內(nèi)部巖石電性隨深度的分布規(guī)律[10]。

大地電磁法以其設(shè)備小巧輕便，工作方法簡單，獲取信息量大，資料直觀易解釋，在水文地質(zhì)方面獲得了廣泛的應(yīng)用。大地電磁法的野外勘查工作中通常采用帶磁偶源電磁系統(tǒng)和無磁偶源電磁系統(tǒng)模式。

2 工作方法

2.1 瞬變電磁法工作方法

本次瞬變電磁法勘探選用大定源回線裝置，采用加拿大GEONICS公司生產(chǎn)的PROTEM-57瞬變電磁儀，根據(jù)探測深度在地面鋪設(shè)一個(gè)大線框，通過PROTEM-57瞬變電磁儀發(fā)射機(jī)給線框通以階躍變化的脈沖電流，從而在地下介質(zhì)中產(chǎn)生一次電磁場，再由感應(yīng)激發(fā)極化作用產(chǎn)生二次電磁場，利用PROTEM-57瞬變電磁儀接收機(jī)對二次電磁場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過betem軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、轉(zhuǎn)換、編輯、濾波去噪、時(shí)深轉(zhuǎn)換、反演等一系列處理，使用surfer軟件繪制出視電阻率等值線圖，最后結(jié)合地質(zhì)資料對異常區(qū)域進(jìn)行解釋。瞬變電磁法工作方法流程如圖1所示。

圖1 瞬變電磁法工作方法流程圖

2.2 大地電磁法工作方法

本次大地電磁法勘探采用EH-4大地電測勘探方法，它是直接記錄天然場源的電磁信號，通過傅里葉變換，將時(shí)間域信號轉(zhuǎn)換為頻率域信號，從而得到X、Y方向上的電場強(qiáng)度Ex、Ey和磁場強(qiáng)度Hx、Hy計(jì)算卡尼亞電阻率從而反映地下物質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)。儀器設(shè)備采用美國電磁研究機(jī)構(gòu)EMI和電磁儀器制造商Geometrics公司聯(lián)合研制的EH-4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀，為了彌補(bǔ)天然場源在高頻段信號弱的缺點(diǎn)，配置了特殊的人工電磁波發(fā)射源，選用帶磁偶源電磁系統(tǒng)模式，本次野外數(shù)據(jù)采集的主要方式是單點(diǎn)的張量觀測，數(shù)據(jù)采集前進(jìn)行平行試驗(yàn)、信號場選擇等施工前準(zhǔn)備工作，野外工作進(jìn)行測線布置、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)預(yù)處理等工作，室內(nèi)工作中采用與儀器所配套的IMAGEM軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在處理過程中，首先對野外數(shù)據(jù)進(jìn)行去壞道、去噪等處理，然后進(jìn)行一維及二維反演成像等處理，surfer軟件繪制出視電阻率等值線圖，最后結(jié)合地質(zhì)資料對異常區(qū)域進(jìn)行解釋。大地電磁法工作方法流程如圖2所示。

圖2 大地電磁法工作方法流程圖

3 工程實(shí)例

3.1 勘探區(qū)概況

勘探區(qū)為黑龍江省雞西市雞冠區(qū)慶東煤礦，該礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為0.6Mt/a，現(xiàn)開采煤層為無夾矸的3#、4#煤層，3#、4#煤層均位于侏羅系上統(tǒng)雞西群城子河組上部。該礦開拓方式為雙斜井開拓，通風(fēng)方式為中央并列抽出式通風(fēng)，采煤方法為走向長壁后退式采煤法。井口高程為+295m，現(xiàn)開采水平為-65m。勘探區(qū)地形為山地，測區(qū)內(nèi)有廠礦企業(yè)、高壓線、水溝、鐵路等。該礦現(xiàn)采煤層上部存在大量20世紀(jì)末和21世紀(jì)初小煤窯和該礦上部煤層開采遺留的老空區(qū)，積水情況不詳，給該礦安全生產(chǎn)帶來隱患。

3.2 勘探區(qū)地球物理特性

常見的巖石地層中，泥巖的視電阻率值最低、中粗砂巖的視電阻率值最高，粉砂巖居中。煤礦采空區(qū)不同物質(zhì)其視電阻率值會有所不同，若出現(xiàn)裂隙、斷層等構(gòu)造時(shí)，該區(qū)域的空洞及其周邊裂隙發(fā)育處的視電阻率值會高于完整巖石的視電阻率值，會出現(xiàn)視電阻率等值線波動(dòng)和雜亂分布特性，并顯示高阻異常。當(dāng)煤礦采空區(qū)積水后，會使得原來煤系地層本身所具有的層狀分布異同點(diǎn)被破壞，即在縱向上電阻率變化規(guī)律相同，橫向上較為不同，視電阻率值將明顯低于周圍完整巖石的視電阻率值，表現(xiàn)出一定的低阻異常特征[11，12]。總之，煤礦積水采空區(qū)與其周邊完整巖層存在導(dǎo)電性差異，因此該區(qū)具備采用瞬變電磁法和大地電磁法進(jìn)行勘探的地球物理前提條件。根據(jù)勘探區(qū)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和反演結(jié)果分析，主要巖層視電阻率值見表1。

表1 勘探區(qū)巖層視電阻率值統(tǒng)計(jì)表

3.3 瞬變電磁法勘探

根據(jù)工程探測深度需要，勘探區(qū)內(nèi)瞬變電磁法共設(shè)計(jì)4個(gè)360m×360m線框，因該礦的煤層走向大致呈東西方向，勘探線呈南北向布置，相鄰線距40m，相鄰點(diǎn)距20m。勘探線由西向東編號為800E—1240E，點(diǎn)號由南向北編號為700N—1120N?？傆?jì)測線12條，總長5040m，測點(diǎn)264個(gè)?？碧焦こ滩贾萌鐖D3所示。

圖3 勘探工程布置

本次瞬變電磁法采用的PROTEM-57瞬變電磁儀，儀器具備探測精度高、受地形干擾小等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過現(xiàn)場采集參數(shù)對比試驗(yàn)后，儀器設(shè)備主要工作參數(shù)見表2。

表2 PROTEM-57瞬變電磁儀工作參數(shù)表

通過運(yùn)用PROTEM-57瞬變電磁儀對勘探區(qū)進(jìn)行探測，采用BETEM反演軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用surfer軟件成像出圖如圖4所示。

瞬變電磁法所得各測線視電阻率等值線圖縱向上變化特征呈“低—中—高—中—低—中”變化，基本與地層電性特征吻合，橫向上部分測線視電阻率等值線出現(xiàn)較明顯的扭曲、變形，呈凹陷狀，推斷該處為采空區(qū)，同時(shí)部分測線均出現(xiàn)了明顯的低阻異常反映且存在局部差異，據(jù)此推斷出勘探區(qū)范圍內(nèi)存在1處積水采空區(qū)(如圖4所示)。該處積水采空區(qū)在勘探區(qū)中深部-60～+80m高程之間，分布在1000E測線的880N—960N測點(diǎn)之間，沿測線向東有增加趨勢，至1040E測線時(shí)主要集中在860N—1000N測點(diǎn)之間，至1080E測線時(shí)擴(kuò)大至760N—1040N測點(diǎn)之間，至1120E測線時(shí)縮小至920—940N測點(diǎn)之間。

3.4 大地電磁法勘探

為了驗(yàn)證瞬變電磁法推斷出的積水采空區(qū)的準(zhǔn)確性，大地電磁法設(shè)計(jì)測線為瞬變電磁法推斷出積水采空區(qū)分布范圍的1000E—1120E測線，測點(diǎn)位置與瞬變電磁法測點(diǎn)位置一致，共計(jì)4條測線，總長1680m，測點(diǎn)88個(gè)?？碧焦こ滩贾萌鐖D5所示。

圖5 勘探工程布置

本次大地電磁法勘探采用EH-4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀。這套儀器具備工作效率高，設(shè)備體積小重量輕等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過現(xiàn)場采集參數(shù)對比試驗(yàn)后，儀器設(shè)備主要工作參數(shù)見表3。

表3 EH-4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀工作參數(shù)表

通過運(yùn)用EH-4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀進(jìn)行探測，采用IMAGEM 2D反演軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用surfer軟件成像出圖，得到4條勘探線的視電阻率剖面圖(圖6)。

圖6 大地電磁法測線視電阻率剖面圖

大地電磁法所得各測線視電阻率等值線圖縱向上變化特征也呈“低—中—高—中—低—中”變化，橫向上部分測線視電阻率等值線也出現(xiàn)了明顯的低阻異常反映且存在局部差異，據(jù)此推斷出勘探區(qū)范圍內(nèi)存在1處積水采空區(qū)(如圖6所示)。該處積水采空區(qū)在勘探區(qū)中深部-40～+60m高程之間，分布在1000E測線的860N—940N測點(diǎn)之間，沿測線向東有增加趨勢，至1040E測線時(shí)主要集中在840N—1000N測點(diǎn)之間，沿測線向東有縮小趨勢，至1120E測線時(shí)縮小至900N—920N測點(diǎn)之間。

綜合瞬變電磁法與大地電磁法的物探結(jié)果，4條重合的測線視電阻率剖面圖的視電阻率變化特征基本相似，在縱向和橫向上一致性好，基本與地層電性特征吻合，推斷出積水采空區(qū)的分布范圍也較為吻合，這說明兩種方法的數(shù)據(jù)處理成果基本能反映勘探區(qū)內(nèi)地層實(shí)際情況，用本次數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行地質(zhì)解釋能夠完成所承擔(dān)的勘探任務(wù)。根據(jù)兩種方法各自的特點(diǎn)，結(jié)合野外施工布置抗干擾情況，以瞬變電磁法的解釋為主，確定積水采空區(qū)的范圍；以大地電磁法解釋為輔，進(jìn)行驗(yàn)證補(bǔ)充解釋，減少單一方法多解性帶來的假異常情況。

3.5 與已知資料對比及鉆探驗(yàn)證

根據(jù)現(xiàn)場勘查和礦方提供的水文地質(zhì)資料及采掘工程圖可知，在勘探區(qū)內(nèi)1040E測線的840—920測點(diǎn)處為2004年炮采形成的1#、2#左五片采空區(qū)，推斷積水采空區(qū)的導(dǎo)水通道主要是該測線附近的已知F3斷層與采空區(qū)及上覆巖層裂隙形成的。

根據(jù)已知資料，結(jié)合兩種物探方法的解釋結(jié)果，最終選擇在1040E測線960N測點(diǎn)處進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。鉆探結(jié)果顯示：鉆孔深度在160m處見空同時(shí)見水，驗(yàn)證鉆孔情況見表4。

表4 鉆孔情況一覽表

根據(jù)以上分析結(jié)果，可見瞬變電磁法和大地電磁法兩種方法推斷積水采空區(qū)位置與現(xiàn)場實(shí)際資料及鉆探揭露情況吻合，驗(yàn)證了這兩種方法的有效性。

4 結(jié) 語

以雞西礦區(qū)慶東煤礦工程實(shí)例，采用瞬變電磁法和大地電磁法探測積水采空區(qū)空間位置，通過結(jié)合已知資料及鉆探結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，兩種方法探測的反演結(jié)果視電阻率變化特征基本相似，都能較好地反映出電性層在垂向上的分布規(guī)律，推斷勘探區(qū)存在1處積水采空區(qū)的分布范圍也較為吻合，與現(xiàn)場實(shí)際資料及鉆探結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了這兩種方法的有效性?？梢姡沧冸姶欧ê痛蟮仉姶欧ňC合物探能夠作為尋找煤礦積水采空區(qū)的有效方法，可為煤礦防治水工作提供技術(shù)支持，具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值。