瞬變電磁法與沉降監(jiān)測(cè)探查煤礦沉降盆地的應(yīng)用

祁 寧，沈楷宇，李 星

(陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，陜西 西安 710021)

0 引言

煤礦井田普遍存在老窯采空與鄰近新采工作面之間的沉陷聯(lián)動(dòng)影響。礦方往往只針對(duì)正在開采或準(zhǔn)備開采的工作面實(shí)施監(jiān)測(cè)，忽略了周邊以往采空區(qū)的影響。從而因沉陷聯(lián)動(dòng)影響產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生幾率增加，對(duì)于沉陷區(qū)域范圍內(nèi)的建筑物、河流、地質(zhì)構(gòu)造等產(chǎn)生不同程度的影響。首先利用瞬變電磁勘探對(duì)工作面區(qū)域范圍內(nèi)的老窯采空區(qū)進(jìn)行探查確定其位置、埋深、形態(tài)大小，然后布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在開采過程中實(shí)施監(jiān)測(cè)，研究新采空的沉陷對(duì)老采空區(qū)及周圍地層的影響規(guī)律。

1 原理

沉降監(jiān)測(cè)是定期觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的高差，并求得該點(diǎn)不同時(shí)期的高程變化，即為該點(diǎn)的沉降量。通過沉降量可以求出監(jiān)測(cè)差、沉降速度、部分傾斜量、相對(duì)彎度等，為監(jiān)測(cè)分析提供更為翔實(shí)的數(shù)據(jù)。從初始觀測(cè)數(shù)據(jù)到最后一次觀測(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)對(duì)應(yīng)公式可以計(jì)算出下沉量、水平移動(dòng)量、斜率、曲率、水平變形、下沉速率等參數(shù)，而結(jié)合已知資料可計(jì)算下沉盆地的邊界角、移動(dòng)角、裂縫角等所需參數(shù)。

瞬變電磁法也稱時(shí)間域電磁法(Time-Domain Electromagnetic Methods)，簡(jiǎn)稱TEM，是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應(yīng)定律。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場(chǎng)相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度??；而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測(cè)量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。使用方法原理如圖1所示。

圖1 使用方法原理示意Fig.1 Principle of use

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 數(shù)據(jù)整理

TEM：數(shù)據(jù)整理前，首先對(duì)其逐點(diǎn)進(jìn)行整理，即檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，剔除不合格數(shù)據(jù)，并對(duì)合格進(jìn)行編錄，整理成專用數(shù)據(jù)處理軟件所需要的順序和格式，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以濾除或壓制干擾信號(hào)，恢復(fù)信號(hào)的變化規(guī)律，突出地質(zhì)信息，再利用專用軟件轉(zhuǎn)換得到ρs(t)(視電阻率)和hτ(t)(視深度)等參數(shù)。解釋流程如圖2所示。

圖2 TEM資料處理解釋流程Fig.2 TEM data processing and interpretation process

TEM勘探野外采集的數(shù)據(jù)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。橫坐標(biāo)為算術(shù)坐標(biāo)，表示觀測(cè)二次場(chǎng)的時(shí)間；縱坐標(biāo)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，表示歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。一般須將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為視電阻率，轉(zhuǎn)換公式如下

(1)

式中，μ0=4π×107H/m；ST為發(fā)送回線面積，m2；SR為接收線圈面積，m2；t為測(cè)道時(shí)間，s；V(t)/I為歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是瞬變值。

沉降監(jiān)測(cè)：觀測(cè)站控制點(diǎn)連接測(cè)量就是把觀測(cè)站控制點(diǎn)與基礎(chǔ)控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，確定觀測(cè)站坐標(biāo)系統(tǒng)；建立與礦井開采工程的相互位置關(guān)系。觀測(cè)站控制點(diǎn)連接測(cè)量平面按照四等衛(wèi)星定位測(cè)量的技術(shù)要求觀測(cè)，高程以一個(gè)觀測(cè)站控制點(diǎn)高程為基準(zhǔn)聯(lián)測(cè)該區(qū)域其它觀測(cè)站控制點(diǎn)，構(gòu)成四等水準(zhǔn)閉合環(huán)。采用四等衛(wèi)星定位測(cè)量平面連接測(cè)量時(shí)，其數(shù)據(jù)采集、處理與分析評(píng)價(jià)的技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 巖移觀測(cè)資料處理解釋流程Fig.3 Process and interpretation process of rock movement observation data

2.2 資料解釋

TEM：各種數(shù)據(jù)和圖件構(gòu)成了資料分析的素材，與已知資料綜合分析推斷解釋才是最終目的，物探資料綜合分析和推斷遵循由點(diǎn)及線、由線及面、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、已知到未知逐步類比展開的原則。首先對(duì)與測(cè)區(qū)相關(guān)的已知資料進(jìn)行分析，突出具體特征，歸納普遍規(guī)律，確定標(biāo)志層位，標(biāo)定探測(cè)深度，圈定異常范圍，隨之是異常確認(rèn)和可靠性評(píng)級(jí)，最后進(jìn)行合理的地質(zhì)推斷。

沉降監(jiān)測(cè)：地表移動(dòng)盆地穩(wěn)定后的移動(dòng)和變形分布規(guī)律與煤層傾角、開采厚度、開采深度、采區(qū)尺寸、采煤方法、頂板管理方法、松散層厚度等地質(zhì)采礦因素有關(guān)。彬長(zhǎng)礦區(qū)均為一次采全高采煤，全部垮落法管理頂板，影響分布規(guī)律的地質(zhì)采礦因素主要是煤層傾角、采區(qū)尺寸、開采深度和采動(dòng)程度。選擇3個(gè)地表移動(dòng)觀測(cè)站中曲線形態(tài)較理想，規(guī)律表現(xiàn)明顯的觀測(cè)線進(jìn)行分析總結(jié)。

3 實(shí)際應(yīng)用研究

3.1 地質(zhì)背景

地層特點(diǎn)：監(jiān)測(cè)區(qū)所屬陜西彬長(zhǎng)礦區(qū)井田黃土高原地區(qū)，地表大部分地區(qū)被第四系黃土及新近系紅土所覆蓋，在紅巖河下游及其支溝出露有白堊系下統(tǒng)洛河組和華池組。鉆孔揭露的地層由老至新依次有三疊系上統(tǒng)胡家村組(T3h)，侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)，中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K1l)、華池組(K1h)，新近系(N)及第四系更新統(tǒng)(Qp1、Qp2、Qp3、)和全新統(tǒng)(Qh)。

構(gòu)造特點(diǎn)：區(qū)內(nèi)含煤地層延安組直接或間接的沉積基底為三疊系上統(tǒng)胡家村組，其頂面起伏形態(tài)與上覆地層起伏形態(tài)大體一致，并受其控制。區(qū)內(nèi)構(gòu)造總體走向NNE，向斜兩翼寬緩，傾角為1°～6°。南玉子向斜在西部表現(xiàn)較為明顯，向東逐漸消失。地震資料顯示區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層平緩，無明顯斷裂構(gòu)造。

煤層：本區(qū)4號(hào)煤層為絕大部可采煤層，1號(hào)煤層和2號(hào)煤層為大部可采煤層，3號(hào)煤層和4下1號(hào)煤層為局部可采煤層，4上1號(hào)、4上2號(hào)、4上號(hào)和4下2號(hào)煤層僅個(gè)別點(diǎn)可采。

水文特征：直接充水水源包含工作面采掘過程中擾動(dòng)影響范圍內(nèi)的各個(gè)含水層，即侏羅系中統(tǒng)延安組含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組含水層、白堊系下統(tǒng)宜君組含水層、白堊系統(tǒng)下統(tǒng)洛河組含水層，充水方式為頂板進(jìn)水型。

3.2 參數(shù)的確定

TEM：野外數(shù)據(jù)采集使用美國(guó)Zone公司生產(chǎn)的GDP-32Ⅱ多功能電法工作站，其電磁傳感器最具特色的技術(shù)和優(yōu)勢(shì)是可提供目前世界上最大面積(40 000 m2)的TEM探頭，具有寬頻帶、低噪聲、濾波措施增強(qiáng)抗干擾能力。

經(jīng)過對(duì)已知采空區(qū)域和未采空區(qū)域的試驗(yàn)分析比較，總結(jié)出適合測(cè)區(qū)的儀器施工裝置為大定源回線。儀器參數(shù)為發(fā)射線框600 m×600 m、發(fā)射頻率4 Hz、供電電流18 A、采樣延遲350 μs、疊加次數(shù)256次。

巖移監(jiān)測(cè)：采用華測(cè)X90 GPS接收機(jī)，華星A12RTK、徠卡TS02全站儀、蘇一光DSZ2水準(zhǔn)儀，監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)為工作面、老窯采空區(qū)半條走向觀測(cè)線和整條觀測(cè)傾向線，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)為25 m/個(gè)。

根據(jù)收集到的相鄰煤礦的已有參數(shù)，結(jié)合《煤礦測(cè)量規(guī)程》及《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》有關(guān)規(guī)定，具體參數(shù)取值如下：

基巖移動(dòng)角β=γ=δ=70°～75°=72°；沖積層移動(dòng)角φ=45°；煤層傾角α=2°；最大下沉角θ=90°-0.6α=88.8°；移動(dòng)角修正值(走向Δδ，傾向上山Δγ，傾向下山Δβ)Δδ=Δγ=Δβ=20°；平均厚松散層厚度h=200 m；平均開采深度H0=650 m。

3.3 老窯采空區(qū)的圈定

老窯采空區(qū)視電阻率等值線解釋示意圖，如圖4所示。采空區(qū)位于未開采工作面的相鄰東側(cè)圖上反映了個(gè)電性層分布特征。根據(jù)本區(qū)內(nèi)以往地質(zhì)資料結(jié)合電性資料解釋，圈定采空異常區(qū)閾值范圍為ρ≥350 Ω·m。工作面采用自然垮塌方式形成采空區(qū)，在垮塌過程中采空區(qū)周邊形成了破碎帶，故圈定的采空異常范圍會(huì)略大于巷道范圍。本次瞬變電磁勘探圈定的采空異常范圍基本一致，證明此種探查方法對(duì)采空異常區(qū)的圈定合理有效。

圖4 老窯采空區(qū)視電阻率等值線解釋示意Fig.4 Apparent resistivity contour of old kiln goaf

3.4 移動(dòng)盆地穩(wěn)定后主斷面內(nèi)移動(dòng)和變形分布規(guī)律

圖5為最后一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果運(yùn)用計(jì)算機(jī)反演所得工作面沉陷范圍示意圖，圖中工作面的沉降量變化范圍為0～1 850 mm。全區(qū)沉陷整體走勢(shì)為自北向南逐漸增大，整體沉陷趨勢(shì)為北部下沉量高于南部，因受松散層、基巖覆蓋層厚度的影響，走向方向沉降量和沉陷范圍呈現(xiàn)出北部大于南部，傾向上因受東側(cè)老窯采空區(qū)的影響，沉陷邊界范圍東側(cè)大于西側(cè)，測(cè)區(qū)內(nèi)最大下沉區(qū)域范圍在中部4103開采工作面，沉降量為1 500～1 850 mm。

圖5 4101、4102、4103、4104工作面沉陷范圍綜合解釋示意Fig.5 Subsidence range of working faces 4101，4102，4103 and 4104

4 結(jié)語(yǔ)

在煤礦采空區(qū)的探查中采用瞬變電磁法，能有效地查明老窯采空區(qū)的空間分布位置，效果明顯，是一種高效、便捷的地球物理勘探方法，結(jié)合沉降監(jiān)測(cè)能基本圈定沉陷盆地的影響范圍、沉降量及預(yù)計(jì)的結(jié)果，定量地研究受開采影響的地表移動(dòng)在時(shí)間和空間上的分布規(guī)律，可以指導(dǎo)建筑物下、鐵路下、水體下的開采活動(dòng)，判斷建(構(gòu))筑物采取維修、加固措施的方法和時(shí)機(jī)，作為沉陷影響村鎮(zhèn)或就地重建、異地搬遷、采取地下開采措施時(shí)的參考。