官地煤礦北三采區(qū)綜合物探技術(shù)應(yīng)用研究

張 瑜

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 官地煤礦，山西 太原 030022)

官地煤礦周邊經(jīng)多年小煤窯開(kāi)采，采掘、積水情況不清。現(xiàn)小煤窯大多已關(guān)閉，隨著時(shí)間的推移其積水會(huì)越來(lái)越多，給礦井的安全生產(chǎn)帶來(lái)水害隱患。因此，必須綜合采用瞬變電磁試驗(yàn)、高密度電法試驗(yàn)、二維地震試驗(yàn)和測(cè)氡法試驗(yàn)等物探方法，并對(duì)各種物探方法所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查評(píng)價(jià)，結(jié)合礦井相關(guān)的地質(zhì)、鉆探資料，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理，從而獲得準(zhǔn)確的物探參數(shù)綜合成果，為礦井防治水工作提供具有針對(duì)性的基礎(chǔ)資料，進(jìn)而保證礦井的正常安全生產(chǎn)[1-2]。

1 北三采區(qū)基本情況

官地煤礦采用平硐斜井聯(lián)合開(kāi)拓方式，分南、北、中3條石門(mén)延伸條帶式布置工作面，主要采用走向長(zhǎng)壁后退式全部跨落綜合機(jī)械化采煤法，綜合機(jī)械化開(kāi)采工藝，全部垮落法管理頂板。礦井主采山西組中部2號(hào)煤層，上距1號(hào)煤約7 m，煤厚0.85～4.16 m，平均2.72 m，屬中厚煤層，頂板多為砂質(zhì)泥巖、泥巖，底板為細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖，礦井主要充水因素是太原組、山西組裂隙含水層對(duì)礦井充水和大氣降水經(jīng)塌陷裂隙直接滲入。太原組、山西組含水層性質(zhì)為裂隙、溶隙含水層、補(bǔ)給水源小，屬簡(jiǎn)單類(lèi)型；地表塌陷變形后大氣降水沿地表裂隙滲入采空區(qū)，形成采空區(qū)積水、小窯破壞區(qū)積水。礦井水文地質(zhì)類(lèi)型為中等型。

北三采區(qū)位于九院溝、神底溝兩側(cè)，北石崖及其東北部區(qū)域，面積3.59 km2。采區(qū)地表屬中山區(qū)，地勢(shì)西高東低，最小高程1 082.96 m，最大高程1 449.21 m，最大落差366.25 m，地形復(fù)雜,切割劇烈。地表黃土主要分布于山頂及緩坡地帶，山脊及陡坡處巖石裸露，風(fēng)化剝蝕作用強(qiáng)烈。地表植被較為發(fā)育，多被灌木覆蓋。溝谷山梁間僅有羊腸小道通行，井田內(nèi)村莊稀少。測(cè)區(qū)內(nèi)10條高壓線(xiàn)縱橫交錯(cuò)，對(duì)野外施工影響較大。據(jù)地質(zhì)資料顯示，北三采區(qū)分布的采空區(qū)有本礦采空區(qū)和小煤窯采空區(qū)兩種。本礦采空區(qū)為2號(hào)煤層，小煤窯采空區(qū)分布于采區(qū)的中部、東部，小煤窯多采用巷道采掘的方式。

2 物探技術(shù)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器及工作裝置

瞬變電磁法選用加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8多功能電法儀，采用大定源內(nèi)回線(xiàn)裝置和重疊回線(xiàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)；測(cè)氡法選用太原理工大學(xué)生產(chǎn)的TYHC-1活性炭能譜氡氣測(cè)量?jī)x；直流電法儀器選用DUK-2A高密度電法儀，工作裝置采用溫納裝置；二維地震采用Summit多道遙測(cè)數(shù)字地震儀器[3]。

2.2 試驗(yàn)點(diǎn)、試驗(yàn)段選擇

瞬變電磁試驗(yàn)點(diǎn)選擇在測(cè)區(qū)內(nèi)人文干擾較小，揭露地層最全的已知鉆孔附近，在煤層埋藏較深的官37鉆孔和較淺的官19鉆孔附近進(jìn)行孔旁試驗(yàn)；孔旁試驗(yàn)后，在J1線(xiàn)進(jìn)行采空區(qū)試驗(yàn)段試驗(yàn)。測(cè)氡法試驗(yàn)線(xiàn)物理點(diǎn)40個(gè)，位于勘探區(qū)西南部；高密度試驗(yàn)線(xiàn)位于北石崖溝底；二維地震在有代表性區(qū)域布設(shè)試驗(yàn)點(diǎn)(J1)和3條試驗(yàn)線(xiàn)(S1、S2和S3)。具體布置，見(jiàn)圖1。

圖1 北三采區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)及試驗(yàn)段布置示意

2.3 試驗(yàn)方法

1) 瞬變電磁試驗(yàn)：試驗(yàn)選擇電流范圍為20～40 A，定于J1線(xiàn)處進(jìn)行采空區(qū)試驗(yàn)，對(duì)施工參數(shù)作進(jìn)一步試驗(yàn)，如果采空區(qū)較正常地層有明顯電性差異，說(shuō)明所選擇的施工參數(shù)合理，可進(jìn)行正常施工。

2) 高密度電法試驗(yàn)：采用溫納裝置跨過(guò)已知采空區(qū)和正常地層，采用1 200 m的線(xiàn)長(zhǎng)進(jìn)行試驗(yàn)[4]。

3) 二維地震試驗(yàn)：在區(qū)內(nèi)有代表性的地段布設(shè)試驗(yàn)點(diǎn)，且使其在區(qū)內(nèi)分布均勻，為了及時(shí)驗(yàn)證試驗(yàn)點(diǎn)確定參數(shù)的合理性，在區(qū)內(nèi)典型地段布置3條試驗(yàn)線(xiàn)[5]。

4) 測(cè)氡法試驗(yàn)：測(cè)氡法選擇1條跨過(guò)正常地層和已知采空區(qū)的測(cè)線(xiàn)作為試驗(yàn)線(xiàn)。通過(guò)試驗(yàn)了解采空區(qū)的氡異常，為后續(xù)資料解釋工作提供依據(jù)。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

1) 瞬變電磁法結(jié)論。①儀器穩(wěn)定性：V8多功能電法儀穩(wěn)定性良好，精度符合規(guī)范要求，可以用于該次電法勘探施工。②施工裝置及參數(shù)：經(jīng)試驗(yàn)確定瞬變電磁法采用重疊回線(xiàn)裝置，施工參數(shù)如下：發(fā)射頻率用25 Hz配5 Hz雙頻；2 m×2 m線(xiàn)圈15匝發(fā)射；1.8 m×1.8 m線(xiàn)圈15匝接收。③采空區(qū)探測(cè)效果：在J1試驗(yàn)線(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果與已知資料基本吻合，證明所選參數(shù)合理有效，可以滿(mǎn)足地質(zhì)任務(wù)的要求。

2) 高密度電法及二維地震結(jié)論：反映均不明顯，無(wú)法滿(mǎn)足地質(zhì)任務(wù)要求。

3) 測(cè)氡法結(jié)論：試驗(yàn)線(xiàn)對(duì)采空區(qū)反映明顯，采空區(qū)的氡值異常下限為500個(gè)計(jì)數(shù)/3 min。

綜上所述，為了保證探測(cè)結(jié)果精度，查明采區(qū)內(nèi)主采2號(hào)煤層的采空異常區(qū)及采空積水異常區(qū)分布范圍，文章綜合選擇瞬變電磁法和測(cè)氡法對(duì)北三采區(qū)進(jìn)行綜合探測(cè)。

3 物探技術(shù)應(yīng)用

3.1 測(cè)網(wǎng)布置及工作量

1) 瞬變電磁法工作量：該次瞬變電磁法勘探設(shè)計(jì)測(cè)線(xiàn)方向?yàn)镹W向，點(diǎn)距20 m，線(xiàn)距50 m(即網(wǎng)度20 m×50 m)，布設(shè)試驗(yàn)點(diǎn)198個(gè)，瞬變電磁測(cè)線(xiàn)94條，坐標(biāo)點(diǎn)3 884個(gè)；檢測(cè)點(diǎn)121個(gè)，另外預(yù)留5%的機(jī)動(dòng)工作量，機(jī)動(dòng)工作量測(cè)點(diǎn)221個(gè)，總物理點(diǎn)4 424個(gè)。實(shí)際完成試驗(yàn)點(diǎn)198個(gè)，瞬變電磁測(cè)線(xiàn)94條，坐標(biāo)點(diǎn)3 884個(gè)，檢測(cè)點(diǎn)143個(gè)，機(jī)動(dòng)工作量224個(gè)，總物理點(diǎn)4 449個(gè)。

2) 測(cè)氡法工作量：設(shè)計(jì)試驗(yàn)點(diǎn)40個(gè)，坐標(biāo)點(diǎn)1 066個(gè)，檢測(cè)點(diǎn)26個(gè)，總計(jì)物理點(diǎn)1 132個(gè)。實(shí)際完成試驗(yàn)點(diǎn)80個(gè)，坐標(biāo)點(diǎn)1 064個(gè)，檢測(cè)點(diǎn)26個(gè)，總物理點(diǎn)1 170個(gè)。

3.2 勘探成果分析

3.2.1 瞬變電磁法

圖2為試驗(yàn)線(xiàn)歸一化二次電位剖面圖和視電阻率斷面圖。從圖2可以看出：

圖2 試驗(yàn)線(xiàn)瞬變電磁法成果

1) 0～6.5號(hào)點(diǎn)二次電位相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)各地層橫向視電阻比較均勻，是未開(kāi)采的正常煤層的反映；

2) 6.5～12.5號(hào)點(diǎn)歸一化二次電位值偏高，在斷面圖上呈低阻異常，經(jīng)對(duì)比已知資料發(fā)現(xiàn)是陷落柱的反映；

3) 13.5～18號(hào)點(diǎn)的歸一化二次電位值不穩(wěn)定、衰減速度起伏較大，分析是采空區(qū)的反映，從視電阻率斷面圖上可以看出，2號(hào)煤層高程1 125 m上呈高阻反映，與采空區(qū)的反映吻合。

3.2.2 測(cè)氡法

通過(guò)采空區(qū)的氡異常下限值(即500個(gè)/3 min)，可以推測(cè)出北三采區(qū)的采空異常區(qū)，可以看出異常主要分布在I測(cè)區(qū)基本全部，II測(cè)區(qū)基本全部和III測(cè)區(qū)的南部。

3.2.3 綜合分析

在勘探區(qū)，采取上述瞬變電磁和測(cè)氡解釋方法，并結(jié)合踏勘等已知資料，劃定了勘探區(qū)內(nèi)的煤層采空區(qū)；以瞬變電磁繪制的2號(hào)煤層視電阻率等值線(xiàn)平面圖為基礎(chǔ)并參考瞬變電磁法各相鄰測(cè)線(xiàn)的視電阻率斷面圖及水文地質(zhì)資料，積水異常區(qū)以81 Ω·m為基準(zhǔn)判斷標(biāo)準(zhǔn)值，將成果放在了煤層底板等高線(xiàn)上，可以推測(cè)出采空積水異常區(qū)范圍，見(jiàn)圖3。

圖3 2號(hào)煤層采空區(qū)及采空積水異常區(qū)平面

采空區(qū)及采空積水編號(hào)的命名遵循從左到右、從下到上的原則。從圖3可以得出：

1) 采空區(qū)CK1位于測(cè)區(qū)西部，面積0.042 km2，采空積水零星分布；

2) 采空區(qū)CK2位于測(cè)區(qū)西部，面積0.042 km2，未積水；

3) 采空區(qū)CK3位于測(cè)區(qū)西南部，面積為0.158 km2，有4處積水異常區(qū)；

4) 采空區(qū)CK4位于測(cè)區(qū)西部，面積0.051 km2，無(wú)采空積水；

5) 采空區(qū)CK5位于測(cè)區(qū)中西部，面積0.628 km2，采空積水主要分布在采空區(qū)邊緣地帶；

6) 采空區(qū)CK6位于測(cè)區(qū)的中部，面積0.160 km2，采空積水主要分布在3處；

7) 采空區(qū)CK7位于測(cè)區(qū)中部，面積0.412 km2，采空積水主要分布在西側(cè)，采空區(qū)中地勢(shì)較低的地方；

8) 采空區(qū)CK8位于測(cè)區(qū)中部，面積0.340 km2，采空積水主要集中于3個(gè)地方；

9) 采空區(qū)CK9位于測(cè)區(qū)東部，面積0.355 km2，采空積水較分散。

該次將綜合物探技術(shù)應(yīng)用于官地煤礦北三采區(qū)，基本查明了采區(qū)內(nèi)主采2號(hào)煤層的采空異常區(qū)及采空積水異常區(qū)分布范圍，并對(duì)采空積水異常區(qū)較多的區(qū)域進(jìn)行了評(píng)價(jià)：2號(hào)煤層共解釋采空異常區(qū)9處，大部分位于神底溝兩側(cè)，個(gè)別位于九院溝東部。積水異常區(qū)主要分布在3個(gè)區(qū)域：官地煤礦采掘后形成的采空積水異常區(qū)，神底溝兩側(cè)附近的小煤窯積水異常區(qū)，官地街辦九院煤礦和九院溝北山煤礦形成的采空積水異常區(qū)。