綜合物探技術(shù)在煤礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用

楊小龍，張崇禮，周開心，毛金峰

(新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，烏魯木齊 830000)

近年，國家加強(qiáng)了煤炭資源的回收力度，鼓勵(lì)發(fā)展煤礦大型化建設(shè)，淘汰落后的小型生產(chǎn)煤礦，積極推進(jìn)資源整合。20世紀(jì)采礦工藝比較落后，對礦產(chǎn)資源保護(hù)意識不強(qiáng)，許多民營礦山生產(chǎn)設(shè)計(jì)不規(guī)范，未對采空區(qū)進(jìn)行有效處理，使得各個(gè)空區(qū)位置、形態(tài)特征各異，位置隱蔽，礦山安全生產(chǎn)存在極大隱患，因此對采空區(qū)進(jìn)行精確探測、合理穩(wěn)定性分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在眾多采空區(qū)探測技術(shù)中，高密度電法和瞬變電磁法具有受地形影響較小、施工效率高、不受接地條件限制、能保證深部地電信息有較高分辨率的特點(diǎn)，在煤礦采空區(qū)探測中應(yīng)用十分廣泛。

1 高密度電法和瞬變電磁法的基本原理

1.1 高密度電法的基本原理

高密度電法在露天礦采空區(qū)探測方面的研究始于20世紀(jì)后期，這是一種先進(jìn)的陣列探測方法。該方法以靜電場理論為基礎(chǔ)，其目的是探測被研究的采空區(qū)及上覆巖體的電性差異。高密度電法技術(shù)原理是保持電極間距不變情況下，將4個(gè)電極同一時(shí)間移動，記錄每個(gè)點(diǎn)，當(dāng)檢測完所有電極后，再增大電極間距，逐個(gè)檢測，如此循環(huán)，直到取得電極距達(dá)到最大。繪制圖形為一個(gè)倒梯形斷面圖，可同時(shí)顯示水平和豎向變化。

1.2 瞬變電磁法的基本原理

瞬變電磁法的基本原理是電磁感應(yīng)定律。利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。

線圈的垂向深度(dr)和半徑(Rr)如下：

(1)

(2)

線圈垂向傳播速度v為：

(3)

式(1)～(3)中，ρ-均勻半空間電阻率；t-采樣延時(shí)；μ0-空氣導(dǎo)磁率。

如下半空間為層狀大地，則(4)式中的速度vt為時(shí)間所對應(yīng)的地層速度，由下列差分式求出：

(4)

式中，tj、ti為相鄰兩延時(shí)道取樣時(shí)間，tj>ti；ρi、ρj為視電阻率。

將(3)式改寫為電阻率表達(dá)式并將(4)式代入，得視電阻率計(jì)算公式：

(5)

圖1 高密度電法原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the principle of high-density electrical method

2 實(shí)例分析

2.1 工程簡介

慶華露天礦是一座經(jīng)資源整頓合并后年產(chǎn)1.2 Mt/a的現(xiàn)代化露天礦山，原礦區(qū)內(nèi)包括4對年產(chǎn)量10萬噸以下的礦井，首探采空區(qū)位于首采區(qū)的東北部，該采空區(qū)煤層開采水平為+750 m，開拓方式為后退式開采，主采煤層為8號煤；為近水平煤層采空區(qū)，構(gòu)造不發(fā)育；采空區(qū)埋藏深，一般150 m以內(nèi)，采空區(qū)部分充水；地表見有明顯的塌陷坑，塌陷坑直徑約為20～40 m，深度為10～20 m。經(jīng)調(diào)查，采空區(qū)有大面積整體跨落災(zāi)變的危險(xiǎn)，需要進(jìn)行治理。治理的采空區(qū)面積為0.2 km2。本次物探施工瞬變電磁法測線29條，總物理點(diǎn)為1 118個(gè)。

2.2 高密度電法資料分析

根據(jù)本次物探工作的解譯原則和高密度電法視電阻率反演斷面圖所反映的地電特征，結(jié)合地質(zhì)資料和調(diào)查資料，研究反演斷面圖所反映異常的引起原因，確定異常是否為采空區(qū)引起。高密度電法資料解釋時(shí)，根據(jù)調(diào)查資料和已知的鉆孔資料，對應(yīng)異常反映位置，總結(jié)出采空區(qū)反映的電性特征為當(dāng)視電阻率大于100 Ω·m時(shí)，等值線形態(tài)梯度變化較大或呈閉合圈，當(dāng)滿足以上異常電性反映時(shí)推斷為采空區(qū)。選取具有典型代表的GMD-13線和GMD-22線進(jìn)行資料分析。

該測線通過鉆孔ZK3、ZK4、ZK5，結(jié)合鉆孔資料從該條測線視電阻率反演斷面圖可以看出，鉆孔ZK3在樁號1 310 m附近，ZK4在樁號1 050 m附近，ZK5在樁號1 240 m附近，煤系地層在測線小號方向埋藏深度深，在大號方向埋藏深度淺，平均埋深120 m左右，即在標(biāo)高760 m上下。在測線樁號1 060～1 200 m、1 250～1 350 m位置，視電阻率小于100 Ω·m，呈相對低阻反映、等值線梯度變化較大的電性特征，推斷該異常位置為采空區(qū)引起，且在樁號1 250～1 350 m位置視電阻率小于40 Ω·m，推斷該處相對富水。

圖2 高密度電法GMD-13線視電阻率綜合剖面圖Fig.2 Comprehensive profile of GMD-13 line apparent resistivity under high-density electrical method

圖3 高密度電法GMD-22線視電阻率綜合剖面圖Fig.3 Comprehensive profile of GMD-22 line apparent resistivity under high-density electrical method

該測線通過鉆孔ZK10(位于樁號1 250 m附近)，根據(jù)鉆孔資料，8煤埋深在104.7～131.9 m，即標(biāo)高780 m上下，從視電阻率斷面圖上可以看出，高密度電法受測量深度限制，未能很好地反映出采空區(qū)的形態(tài)。

2.3 瞬變電磁法資料分析方法

對于瞬變電磁法的資料解釋，主要依據(jù)視電阻率等值線的梯度變化，結(jié)合調(diào)查資料所記錄的地表特征及鉆孔資料來解釋。選取具有典型代表的L3線和L20線進(jìn)行資料分析。

從等值線形態(tài)來看，曲線略向下彎曲，呈相對低阻，鉆孔揭露該位置為煤層。根據(jù)鉆孔資料，在樁號1 120～1 190位置，視電阻率值呈現(xiàn)相對高阻，等值線梯度變化較大，說明煤層原始形態(tài)發(fā)生變化，推斷該線異常為采空區(qū)引起。

瞬變電磁法L20線資料分析。

圖4 瞬變電磁法L3線視電阻率綜合剖面圖Fig.4 Comprehensive profile of L3 line apparent resistivity under transient electromagnetic method

圖5 瞬變電磁法L20線視電阻率綜合剖面圖Fig.5 Comprehensive profile of L20 line apparent resistivity under transient electromagnetic method

塌陷坑T9位于樁號1 010 m之前，塌陷坑T8位于樁號1 240～1 260 m位置處，根據(jù)T9和T8所反映的電性特征，在樁號1 000～1 160 m、1 340～1 400 m，視電阻率值呈現(xiàn)相對低阻，等值線梯度變化較大，說明煤層原始形態(tài)發(fā)生變化，推斷該異常反映為采空區(qū)引起，相對富水；在樁號1 230～1 270 m，視電阻率呈現(xiàn)相對高阻，推斷為采空區(qū)引起。

從圖中可以看出，縱向上視電阻率呈現(xiàn)高-低-高的變化特征，電性分層明顯，反映了第四系、第三系、侏羅系地層的電性特征。橫向上視電阻率變化微弱，僅是局部等值線形態(tài)發(fā)生變化。

3 結(jié)語

本次采空區(qū)探測施工完成瞬變電磁法測線29條，總物理點(diǎn)為1 118個(gè)，高密度電法測線29條，完成測點(diǎn)1 544個(gè)。通過分析各測線電阻率斷面圖沿測線方向上地質(zhì)體橫向上和縱向上的電性分布特征，總結(jié)采空區(qū)在電性特征上表現(xiàn)為：視電阻率等值線形態(tài)表現(xiàn)為略向下彎曲或閉合圈異常，電阻率值有高有低。根據(jù)電阻率等值線或色譜的形態(tài)、規(guī)模、變化特征及數(shù)值大小，在平面上圈定了8個(gè)采空區(qū)和3個(gè)疑似采空區(qū)的分布范圍，其采空區(qū)總面積為87 100 m2，為該露天礦后續(xù)組織生產(chǎn)和安全作業(yè)提供了有用可靠的地質(zhì)資料。