NEMV技術(shù)在陳家山煤礦采空區(qū)探查中的應(yīng)用

黃 偉,蔡小超,鄭麗娟

(1.陜煤集團銅川礦業(yè)陳家山煤礦,陜西 銅川 727102;2.陜西浩興坤達新能源科技有限公司,陜西 西安 710000)

0 引言

陳家山煤礦礦井自然條件復(fù)雜,煤、油、氣共存,水、火、瓦斯、煤塵、頂板災(zāi)害俱全,屬高瓦斯礦井。礦井東南邊界淺部4-2煤層露頭線附近分布較多小煤窯,其需要進行更加精細(xì)的地質(zhì)勘探,以確認(rèn)分布位置及歷史采掘是否存在越界行為,對煤礦安全生產(chǎn)提供有效防治措施。基于應(yīng)力-自然電磁輻射的NEMV技術(shù)可采用無人機搭載數(shù)據(jù)接收儀器,能夠在不受地表建筑的影響、不破壞地表植被的情況下進行數(shù)據(jù)采集工作,更加快速、有效地實現(xiàn)對勘探區(qū)內(nèi)煤層賦存狀態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、采空區(qū)、富水區(qū)等地質(zhì)信息的精細(xì)探查,有效解決煤礦開采中的實際問題。

1 礦井概況

陳家山煤礦位于焦坪礦區(qū),行政劃分隸屬陜西省銅川市耀州區(qū)廟灣鎮(zhèn)管轄,屬國有中型煤礦。本區(qū)屬黃土高原南緣的渭北殘塬溝壑地帶,地貌上屬壯年期中-低山侵蝕型山岳地形。區(qū)內(nèi)受長期風(fēng)化剝蝕、河流切割和溝蝕發(fā)育的影響,山陡崖高、基巖裸露、溝壑縱橫,溯源侵蝕作用明顯。山坡地帶多被森林所覆蓋,植被較發(fā)育。井田地勢總體向東南、西南漸次傾斜。礦井主采煤層為侏羅系延安組4-2煤層,采用一井一面綜放開采。4-2煤層厚0～34.88 m,一般厚8～12 m,平均10.30 m。

因礦井開采年限較長,南部邊界自淺部煤層露頭向深部方向200～500 m范圍內(nèi)共有24個小煤礦。受資源量和開采條件的制約,目前僅剩玉金煤礦處于停產(chǎn)(2019年10月停產(chǎn)至今),其余已全部閉坑。小煤窯多年廢棄之后,因地表水與地下水的入滲,已有少量積水存在。礦井周邊小煤窯分布如圖1所示。

1-稠桑鄉(xiāng)聯(lián)辦礦;2-春林西坡礦;3-春林春興礦;4-春機礦;5-春林新合礦;6-安子溝礦;7-春林聯(lián)辦礦;8-春林東坡斜井;9-春林東坡立井;10-寶合礦;11-柳林公社小煤窯;12-廟灣鎮(zhèn)新興礦;13-新風(fēng)礦;14-衣食村聯(lián)辦礦;15-衣食村西坡礦;16-機電四隊斜井;17-瑤曲鎮(zhèn)西河礦;18-衣食一礦;19-衣食二礦;20-董陳礦;21-興業(yè)礦;22-瑤曲三礦;23-王家砭公社小窯;24-河西聯(lián)辦礦;25-整合后的春林礦;26-整合后的玉金礦圖1 礦井周邊小煤窯分布Fig.1 Distribution of small coal pit around mines

2 技術(shù)原理

NEMV(自然電磁脈沖勘探)技術(shù)與傳統(tǒng)的地球物理勘探方法不同,其理論基礎(chǔ)是基于固體物理學(xué)中的晶格動力學(xué)-晶格波理論發(fā)展而來。該技術(shù)是一種新型的被動源地球物理測量技術(shù),采集的數(shù)據(jù)是非線性過程所產(chǎn)生的輻射及輻射傳播的信號,這使得該技術(shù)能夠研究地殼任何深度的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

1951年,中國著名科學(xué)家和教育家黃昆先生在英國工作期間提出聲子極化激元的經(jīng)典理論,極大的促進各類極化激元概念和理論的建立及實驗方面的進展。晶格間吸收一個電子代表釋放一個聲子,釋放一個電子代表吸收一個聲子,由此而產(chǎn)生了聲子輻射與吸收,其宏觀電磁分量以電磁脈沖形式向外輻射傳播。被探測目標(biāo)體(固體)晶格結(jié)構(gòu)由于應(yīng)力的存在產(chǎn)生的聲子振動具有明顯的偏振方向,由此產(chǎn)生的聲子極化波具有強方向性和弱衰減性[1-2],如圖2所示。

圖2 晶格振動理論示意Fig.2 Theoretical diagram of lattice vibration

根據(jù)固體物理學(xué),任何固體的晶格間都在不斷進行聲子輻射與吸收,同時也受到其它任一點電磁輻射源的干擾,通過聲子輻射信號的接收和研究,就能夠獲得地殼任何深度的地質(zhì)信息。地殼巖石是一類礦物成分復(fù)雜、裂隙缺陷發(fā)育、非均勻性極強的復(fù)雜固體材料。巖石破裂過程中的自然脈沖輻射與巖石應(yīng)力場、破裂場的空間形態(tài)變化與位置具有強烈的規(guī)律性和相關(guān)性[3-4],可以被NEMV技術(shù)所探知,其數(shù)值變化有效映射出研究區(qū)內(nèi)應(yīng)力異常與裂隙發(fā)育、陷落柱發(fā)育之間的關(guān)系[5-6]。NEMV技術(shù)就是通過記錄地下不同深度的固體在應(yīng)力作用下所激發(fā)出的自然電磁脈沖信號并對其進行分析來提取和還原地殼中不同層位的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和異常的地質(zhì)信息。

3 工作方法

3.1 數(shù)據(jù)采集

采用陜西浩興公司自主研發(fā)無人機搭載NEMV勘探技術(shù)設(shè)備(矢量電磁信號接收系統(tǒng))進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集,接收頻帶帶寬為1～50 kHz,主頻設(shè)置為38 kHz。經(jīng)過一系列提前測試準(zhǔn)備以及定點調(diào)整驗證數(shù)據(jù),確定本項目所使用的參數(shù):數(shù)據(jù)采樣時間間隔0.2 s,曝光時間0.2 s,無人機(六旋翼)巡航速度9 m/s。當(dāng)儀器進入工作狀態(tài),并且已經(jīng)進入工作區(qū)域開始數(shù)據(jù)采集工作時,不得改變數(shù)據(jù)采集天線的前進方向,保證天線自身的方向不變,并保證天線一直處于水平狀態(tài)。根據(jù)NEMV技術(shù)特點及測線部署原則,項目按照50 m(主測線)×50 m(輔助測線)勘探網(wǎng)距部署測線,主測線方向垂直于測區(qū)內(nèi)的主要地質(zhì)構(gòu)造走向,輔助測線與主測線垂直布置。本項目NW方向布置主測線16條,NE方向布置輔助測線10條,測線向區(qū)外兩端延伸長度為600 m,具體測線布置如圖3所示。

圖3 工區(qū)勘探測線布置Fig.3 Layout of exploration lines in the work area

3.2 數(shù)據(jù)處理

原始采集數(shù)據(jù)包含多段數(shù)據(jù),需要按每條測線端點坐標(biāo)對原始數(shù)據(jù)進行裁切分段,只保留各條測線的飛行數(shù)據(jù),然后對每條測線數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、剖面投影、網(wǎng)格化、數(shù)據(jù)去噪等,形成預(yù)處理后數(shù)據(jù)。預(yù)處理數(shù)據(jù)通過科學(xué)算法(主要運用了小波分析、傅里葉分析、空間域相關(guān)分析、奇異譜分析等)以及人工智能、層析成像等手段首先建立層析成像剖面圖,然后利用區(qū)域內(nèi)的地形數(shù)據(jù)對剖面進行地形校正,最終形成以測線長度為橫坐標(biāo)、海拔高度為縱坐標(biāo)的層析成像剖面和應(yīng)力系數(shù)剖面,反應(yīng)剖面內(nèi)的應(yīng)力分布情況。通過在應(yīng)力系數(shù)剖面上對勘探區(qū)內(nèi)4-2煤層頂、底板應(yīng)力數(shù)據(jù)進行拾取并經(jīng)歸一化處理及數(shù)據(jù)合并后成圖,根據(jù)應(yīng)力系數(shù)范圍采用不同色卡進行高低應(yīng)力區(qū)的顯示,形成4-2煤層底板應(yīng)力系數(shù)平面圖,并以此為基礎(chǔ)進行數(shù)據(jù)分析。

3.3 成果分析

3.3.1 應(yīng)力異常的劃分

根據(jù)地質(zhì)力學(xué)理論,地層巖層完整、無構(gòu)造,應(yīng)力分布比較均勻;當(dāng)?shù)貙哟嬖诘刭|(zhì)運動、構(gòu)造發(fā)育、巖層松散孔隙度發(fā)育、采空區(qū)及積水區(qū)則應(yīng)力相對較小,是劃分應(yīng)力異常的地球物理前提[7-8]。通過對陳家山煤礦勘探區(qū)內(nèi)應(yīng)力數(shù)據(jù)分布特點的研究,其正常煤巖層的應(yīng)力系數(shù)基本大于-0.2,采空區(qū)應(yīng)力系數(shù)大致分布在-0.4～-0.2范圍內(nèi),而積水區(qū)域則小于-0.6。據(jù)此并結(jié)合以往項目經(jīng)驗對本區(qū)域應(yīng)力系數(shù)進行分級,共分為5級。其中Ⅰ類高異常區(qū)為應(yīng)力系數(shù)大于0.4的區(qū)域,Ⅱ類高異常區(qū)為應(yīng)力系數(shù)0.2～0.4區(qū)域,正常區(qū)域為應(yīng)力系數(shù)-0.2～0.4區(qū)域,Ⅱ類低異常區(qū)為應(yīng)力系數(shù)-0.4～-0.2區(qū)域,Ⅰ類低異常區(qū)為應(yīng)力系數(shù)小于-0.4區(qū)域。依據(jù)異常區(qū)的展布范圍、表現(xiàn)形態(tài),結(jié)合煤礦采空區(qū)、積水區(qū)、保護煤柱、采掘巷道的應(yīng)力特點和相關(guān)已知資料,進行采空區(qū)、積水區(qū)、保護煤柱和采掘巷道以及天然高、低應(yīng)力區(qū)的預(yù)測劃分。

經(jīng)過對4-2煤層底板應(yīng)力異常分布圖進行研讀,在勘探區(qū)4-2煤層共劃分出5處低應(yīng)力異常區(qū)和1處高應(yīng)力異常區(qū),如圖4所示。

圖4 4-2煤層底板應(yīng)力異常對比Fig.4 Comparison of stress anomalies of 4-2 coal seam floor

3.3.2 采空區(qū)

4-2煤層底板應(yīng)力異常分布圖中L1、L4異常區(qū)應(yīng)力系數(shù)范圍分別為-0.4～-0.2、-0.25～-0.2,按照應(yīng)力系數(shù)分類劃分為Ⅱ類低應(yīng)力異常,其應(yīng)力系數(shù)區(qū)間與采空區(qū)應(yīng)力系數(shù)相符,推斷其為采空區(qū)(圖4)[9]。通過與礦井的采掘工程平面圖進行疊合比對,這2個區(qū)域與409、411采掘工作面對應(yīng)較好,位置基本相符,推斷較為準(zhǔn)確。該2處采掘工作面回采年代較早,已形成大面積采空區(qū)。

3.3.3 小煤窯盜采區(qū)

L3異常區(qū)位于勘探區(qū)東南方向,面積0.008 3 km2,應(yīng)力系數(shù)范圍-0.75～-0.4,屬Ⅰ類低應(yīng)力異常區(qū),符合采空積水區(qū)應(yīng)力系數(shù)的分布范圍。從NW05、NE09、NE10測線應(yīng)力剖面上均發(fā)現(xiàn)該區(qū)域從煤頂向上有延伸到地面的小范圍低應(yīng)力異常區(qū);NW06測線應(yīng)力剖面圖上顯示該低值區(qū)延伸到4-2煤層頂上部60 m左右。該異常區(qū)域煤層頂板距地面高度約為165 m,如圖5所示。將應(yīng)力平面圖與采掘工程圖疊加后發(fā)現(xiàn),該低值區(qū)地面相對位置為衣食村河正下方,衣食村水庫大壩東南側(cè);同時,該低值區(qū)距離東側(cè)臨近小煤窯礦界垂直距離為150 m且有向東側(cè)延伸的趨勢。綜合分析推斷該區(qū)域為臨近小窯盜采形成的采空區(qū),采空區(qū)塌陷后形成塌陷裂縫。

圖5 L3低應(yīng)力異常區(qū)在平面及剖面上的反映Fig.5 Reflection of L3 low-stress anomaly area on plane and profile

L5異常區(qū)位于勘探區(qū)東北角,面積0.015 4 km2,應(yīng)力系數(shù)范圍-0.4～-0.2,屬于Ⅱ類低應(yīng)力異常區(qū),符合采空區(qū)應(yīng)力系數(shù)的分布范圍。在NW14/15、NE09/10測線的應(yīng)力系數(shù)剖面上對應(yīng)位置也均顯示為低應(yīng)力區(qū),剖面上低應(yīng)力區(qū)域基本在煤層附近,如圖6所示。

圖6 L5低應(yīng)力異常區(qū)在平面及剖面上的反映Fig.6 Reflection of L5 low-stress anomaly area on plane and profile

通過與采掘工程圖疊加,該低值區(qū)邊界與東側(cè)小煤窯垂直距離約100 m且有向東側(cè)延伸的趨勢,綜合分析推斷該區(qū)域為鄰近小窯越界盜采形成的采空區(qū)[10-12]。

4 成果驗證

為了驗證物探解釋的準(zhǔn)確性,礦井對使用NEMV技術(shù)勘探得到的L3應(yīng)力異常區(qū)為小煤窯盜采區(qū)進行了鉆探驗證,鉆孔施工至4-2煤層下24.08 m(孔深211.13 m)。鉆孔施工至埋深72 m之前,鉆液消耗量比較穩(wěn)定,平均0.38 m3/h。鉆進至72 m時,鉆液消耗量突然增大至3.99 m3/h,且循環(huán)液中斷,鉆液無法返回地面,如圖7所示。鉆探進入煤層后于孔深178m處發(fā)生第一次掉鉆,井口出現(xiàn)吸風(fēng)現(xiàn)象,取出的煤芯為短柱狀、塊狀;孔深185 m處發(fā)生第二次掉鉆,取出的取芯為塊狀、泥煤,煤層采出率37%。綜合所有現(xiàn)象,確定該孔所在區(qū)域為小煤窯盜采區(qū)。

圖7 鉆孔鉆液漏失量隨深度變化曲線Fig.7 Curve of the loss of drilling fluid with change of depth

5 結(jié)論

(1)NEMV勘探技術(shù)作為一種全新的且不同于傳統(tǒng)方法的物探技術(shù),基于應(yīng)力分布特征能夠?qū)γ禾镒龅骄?xì)化探查,發(fā)現(xiàn)影響煤礦安全開采的構(gòu)造和應(yīng)力異常,對煤礦采掘作業(yè)和安全生產(chǎn)工作部署提供依據(jù)。

(2)此勘探方法可以實現(xiàn)對采空區(qū)、小煤窯盜采區(qū)形態(tài)和大小的精細(xì)化分析,精準(zhǔn)地解決煤礦開采中的實際問題,縮短勘探周期,在煤礦精細(xì)化勘查中具有廣泛的應(yīng)用前景。