礦井瞬變電磁法在老窯采空區(qū)邊界探測中的應用

韋乖強，趙 慧

(1.山東省煤田地質局第五勘探隊，濟南 250100； 2.山東省地質科學研究院，濟南 250013)

0 引言

在資源整合礦井老窯采空區(qū)邊界探測中，地面常用的物探方法有瞬變電磁法、高密度電阻率成像法、CSAMT、地震勘探、放射性測量等；煤礦井下探測老窯采空區(qū)的物探方法有礦井瞬變電磁法、直流電法、探地雷達、地震波勘探方法等。在諸多方法中，礦井瞬變電磁法是目前礦井應用最普遍的物探方法之一，該方法以其對低電阻率反映敏感、施工便利、距離目標體近、體積效應小、經濟高效等優(yōu)勢被廣泛應用于煤礦井下的水害探測、老窯采空區(qū)邊界及積水探測、斷層的導含水性、含水巖層富水性評價等，為煤礦井下安全采掘及開展防治水提供了依據(jù)。

1 礦井瞬變電磁法

瞬變電磁法(簡稱TEM)是一種時間域的電磁感應探測方法，在一次脈沖場激發(fā)下地質體會激勵起感應二次場，若探測位置存在良導體，則二次場衰減慢，反之衰減較快。由二次場的變化所反映的地質體電性分布情況就可以推斷探測范圍內不良地質體的地質特征[1-10]。

礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應的勘探方法，受井下環(huán)境及測量線圈大小限制，其可靠探測距離約為100m，最大不超過150m。據(jù)“煙圈”理論可知，早、晚期的瞬變電磁場反映了不同距離地質體的電性特征。礦井瞬變電磁根據(jù)不同時間t的感應二次場變化，計算處理后便可獲得探測位置由近及遠的巖層電性特征[1-3]。

礦井瞬變電磁晚期視電阻率ρs的計算公式為

(1)

式中：C為全空間響應系數(shù)，為常數(shù)；μ0為真空磁導率，為常數(shù)，4π×10-7N/A2；S為發(fā)射線圈面積，m2；N為發(fā)射線圈匝數(shù)，匝；s為接收線圈面積，m2；n為接收線圈匝數(shù)，匝;t為測量時間，ms；V/I為觀測到的感應二次場，μV/A。求得視電阻率ρs后，便可利用下式進行時-深轉換，求取不同延時的對應深度[1-4]。

(2)

式中：Ds(t)為t時刻電磁場傳播距離，m；v(ρs，t) 為任意導電介質分布情況下電磁場垂直擴散速度，m/s。

2 礦井概況及探測技術

貴州水城某礦為資源整合礦井，因資源整合礦井開采時間較長,廢棄老窯及采空區(qū)多,存在老窯采空區(qū)資料不祥,積水情況不明等問題。該礦在掘進1202工作面回風巷道時，根據(jù)前期收集資料，在1202工作面回風巷道左側上邦位置存在采空區(qū)，為了確定采空區(qū)是否存在及與擬掘進巷道位置的距離、含水情況，組織實施了本次探測研究工作。

2.1 地質概況

該礦的1202工作面主采M2煤層，平均煤厚1.7m，結構較復雜，含2～4層高嶺土夾矸，頂板巖性主要為粉砂巖，底板巖性為細砂巖。1202工作面回風巷水平標高約為1 380m，巷道高度約2.3m，寬度約2m，回風巷迎頭存在地段部分積水，據(jù)已知資料顯示該工作面左上邦位置存在M5煤層采空區(qū)，巷道距離采空區(qū)的實際距離不詳，從圖紙上統(tǒng)計老窯采空區(qū)與掘進巷道的距離如表1所示。

表1 老窯采空區(qū)邊界距離統(tǒng)計表

2.2 地球物理特征

從礦井瞬變電磁法探測實踐來看，正常煤系地層巖性主要為泥巖、砂巖及煤層，電阻率一般為20～80Ω·m，視電阻率等值線較為平緩。在地層原始狀態(tài)下，其電性特征有相對固定的變化規(guī)律，當煤層開采并經歷一定時間后，頂板垮塌，形成冒落帶、裂隙帶、彎曲變形帶[11-12]，采空區(qū)積水可能沿裂隙上升到裂隙帶，打破了原有的煤系地層結構，采空區(qū)附近的電阻率也會出現(xiàn)明顯變化，電阻率的大小因巖層破壞程度、含水程度的不同而不同[6-8]。這些電性變化特征為礦井瞬變電磁法探測老窯采空區(qū)邊界及富水性評價提供了可靠的地球物理探測前提[4-16]。

2.3 探測技術方案

為查明1202回風巷左側上邦采空區(qū)的邊界位置及富水性，對比分析老窯采空區(qū)邊界和擬掘設計巷道的距離，為巷道安全掘進和防治水工作提供依據(jù)?，F(xiàn)有采掘平面圖顯示M5煤層和M2煤層的間距,及迎頭位置到采空區(qū)的推斷距離，分析認為在迎頭左側沿30°方向的平面開展超前探測最為有效，因此在該探測平面內布設了0°、15°、30°、45°、60°、90°、120°七個不同方向的探測角度，以最大限度滿足探測距離及反映目標異常的需要，圖1為30°方向平面探測示意圖。

圖1 30°方向平面探測示意圖Figure 1 Schematic diagram of updip 30° plane prospecting

圖2為垂直方向的探測示意圖，該探測平面布置在水平探測平面的90°探測位置，垂向布設，分別布設了上60°、上45°、上30°、上15°、0°、下15°、下30°、下45°、下60°九個不同的探測角度，對比分析兩個不同探測平面的異常反映情況，以確定老窯采空區(qū)的邊界及影響范圍。

圖2 垂直方向探測示意圖Figure 2 Schematic diagram of vertical plane prospecting

本次探測選用多匝小回線共軸偶極裝置，基本參數(shù)為：回線邊長1.5m×1.5m，匝數(shù)80匝，頻率25Hz,發(fā)射電流2.2A。

3 探測成果

圖3為1202回風巷迎頭左上傾30°方向超前探測平面圖。從該成果圖可以看出，視電阻率高低差異明顯，在1202回風巷掘進方向的左側上邦方向55m位置，視電阻率相對較低，平均小于10Ω·m，推斷該位置巖層破碎、裂隙發(fā)育，富含水。圖4為垂直方向的探測成果，該圖在探測位置正前方55m左右，視電阻率等值線梯度也表現(xiàn)出明顯變化，視電阻率值相對較低，平均小于10Ω·m，探測結果說明該區(qū)域巖層完整性破壞，裂隙發(fā)育、富含水。

圖3 30°方向平面視電阻率剖面圖Figure 3 Updip 30° plane apparent resistivity section

圖4 垂直方向視電阻率剖面圖Figure 4 Vertical plane apparent resistivity section

對比分析上傾30°方向平面和垂直方向視電阻率剖面圖，推斷該低電阻率異常位置為老窯采空區(qū)的電性反映，兩個不同方向探測成果反映的低阻異常位置吻合較好，說明探測成果反映真實。

該整合礦原采掘平面圖顯示，探測位置下方存在M5煤老窯采空區(qū)(也即上邦采空區(qū))，采空區(qū)邊界距離擬掘設計巷道約63m，從本次探測成果圖5可以看出，推斷解釋的老窯采空區(qū)邊界位置整體向擬掘巷道有所偏移(表2)，偏移量平均約8.5m，

表2 老窯采空區(qū)邊界距離對比統(tǒng)計表

圖5 1202工作面回風巷超前探測成果圖Figure 5 Working face No.1202 outtake advancedprospecting result

根據(jù)本次探測成果和前期收集的采掘平面圖對比來看，在1202回風巷上邦的采空區(qū)確實存在，且富含水。按照《煤礦防治水細則》的規(guī)定，制定專門的水文地質分析報告和水害防治措施，采取探放水等相關措施查清采空區(qū)的積水量及補給情況等，綜合分析已知M5煤采空區(qū)和M2煤層的空間位置關系以及對1202工作面的影響，落實防治水措施，確保安全開采。

4 結論

通過礦井瞬變電磁法對資源整合礦井1202工作面回風巷左上邦老窯采空區(qū)的探測成果表明,該方法推斷解釋的采空區(qū)邊界比已知采掘工程平面圖上的采空區(qū)上移了約8.5m，推斷其受老窯采空區(qū)影響，且該老窯采空區(qū)富水。探測實踐表明：

1)該方法對于資源整合礦井老窯采空區(qū)邊界及富水性的探測是一種快速有效的探測方法。

2)結合已知資料制定科學探測方案，最大限度滿足探測距離對反映異常目標的需要。結合礦方現(xiàn)有實際采掘資料，運用物探、水文地質、開采技術等專業(yè)知識綜合分析，能夠取得相對可靠的地質成果。

3)該方法的探測成果為煤礦優(yōu)化開采方案、指導礦井開展防治水提供了依據(jù)。