采空區覆巖破壞高度的電磁成像探測

馬澤東

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采空區覆巖破壞高度的電磁成像探測

馬澤東

摘要地球物理方法是探測煤礦采空區的主要手段之一，采用電磁成像技術對某礦408盤區12#煤層采空區上覆巖層移動與破壞范圍進行探測，結果表明開采12#煤層引起的頂板上覆巖破壞帶范圍是70 m～80 m，探測結果可供該區域上行開采8#煤層提供指導。

關鍵詞電磁成像系統；上行開采；采空區

0　引言

目的巖層與其圍巖介質物理性質的差異性是采用礦山地球物理探測與分析的主要條件［1-2］。物探方法是通過分析獲得的物理參數的異常進而查清地質界限、地質構造或者是測定地質體或地下人工埋設物的物理性質或工程特性。物探方法能夠真實地反映采空區上覆巖層移動與破壞范圍，并且十分的方便、經濟［3-4］。本文采用EH-4電磁成像系統對某礦12#煤層408盤區采空區上覆巖層移動與破壞范圍進行探測，檢測結果為該盤區8#煤層的上行開采提供參考依據。

1　EH-4電磁成像系統簡介

EH-4電磁成像系統是由美國EMI公司和Geometrics公司在上世紀90年代聯合研制的一種天然和人工場源的雙源型大地電磁成像系統。它通過接收大地對天然電磁波的反應，來達到電導率或電阻率測深的目的。它具有較高的分辨率，設備儀器輕便，觀測方便等特點。

1.1EH-4電磁成像系統方法原理

EH-4電磁成像系統利用采集到的天然電場E、磁場信號H及頻率f計算出相應頻率所對應的電阻率，來達到測定地下各層介質電阻率的目的，其計算公式為：

在（1）式中：f是頻率，ρ是電阻率。因為地下介質不是均勻的，計算的ρ值是視電阻率值，探測度在理論上是趨膚深度，其計算公式為：

根據式（2）可得，趨膚深度δ隨著電阻率ρ和頻率f變化而變化，介質電阻率越大，工作頻率越小，則探測的深度越深。

在野外測量時EH-4多采用剖面法［5］。剖面法就是在與構造走向垂直的剖面上，連續地進行類似單點的測量。

1.2數據采集與處理

在野外測量時可以采集到兩個電場分量Ex、Ey和兩個磁場分量Hx、Hy，通過對采集的分量進行傅氏變換，得到電磁場頻域的實分量和虛分量。然后計算各頻帶的視電阻率，電場磁場的振幅，相位差及全信息相干度等，并現場進行一維Bostic反演。對于數據質量不可靠的點，可以采取增加疊加次數及其他措施來改善數據質量。在一維反演的基礎上，室內資料處理中采用了Robust估計方法處理時間序列資料；用式（1）計算視電阻率即ρ，再利用EH-4系統的二維成像軟件進行快速自動成像并結合其它專業繪圖軟件，最終繪制出剖面的二維電阻率模型。

2　勘探剖面線布置與分析

2.1探測區域概況

某礦408盤區12#煤層采用緩傾斜長壁綜采方法全部開采完畢，采用強制放頂和全部垮落法進行頂板和采空區管理。煤層底板標高+1 014 m～+1 060 m，煤層厚度2.6 m～3.3 m，煤層厚度整體變化較小，總體表現為東北厚西南薄，部分煤層有1～3個夾石層，總厚度小于0.5 m。

8#煤層賦存于12#煤層之上，可采厚度為0.7 m～2.53 m，平均0.82 m，北厚南薄，底板標高為+1 105 m～+1 123 m，根據兩煤層底板標高，12#與8#煤層層間距平均為77 m。8#煤層目前有123.2萬t為待上行開采的儲量。

2.2勘探剖面線布置

為研究408盤區采空區上覆巖層移動與破壞范圍，在408盤區采空區對應的地面布置測線進行物理探測。依據采空區特征和地面地形情況，一共設置3條測線，如圖1所示。

1#測線經過12#層采空區的8804、8805和8806工作面，以及8#層采空區的8805和8806工作面，測線長度是480 m，共25個測點；2#測線經過12#層采空區的8806和8807-1工作面，以及8#層采空區的8806和8807工作面，測線長度是300 m，共16個測點；3#測線經過12#層采空區的8809和8810工作面，測線長度300 m，共布置16個測點。

圖1　測線布置

2.3探測結果分析

由1#測線大地電導率二維反演圖中紅色虛線可以看出（如圖2a），水平方向0 m～240 m范圍，垂直方向+1 030 m～+1 110 m之間有一高阻閉合圈，該異常區域范圍位于12#煤層采空區上方，影響高度為80 m，異常區域下方電阻率等值線平滑，疏密變化不大，沒有錯動，呈層狀分布，電性標志層穩定，與巖層賦存特征相符。依據已知的地質資料推斷該異常區域為煤層開采引起的覆巖破壞影響范圍。在水平方向250 m～480 m之間，雖8#煤層與12#煤層均存在采空區，但在此區域未見明顯高阻異常區域。此部分煤層為從上至下開采，上覆巖層裂隙帶較高，因此判斷此部分為含水區域。

由2#測線大地電導率二維反演圖中紅色虛線可以看出（如圖2b），水平方向0 m～300 m之間，垂直方向+1 010 m～+1 080 m之間有一高阻閉合圈，該異常區域范圍位于12#煤層采空區上方，影響高度為70 m，異常區域下方電阻率等值線平滑，疏密變化不大，無錯動，層狀分布，電性標志層穩定，與巖層賦存特征相符。依據已知的地質資料推斷該異常區域為煤層開采引起的覆巖破壞影響范圍。

圖2　電阻率二維反演

在12#煤層影響區域與8#煤層采空區之間電阻率等值線平滑，無錯動，推斷該區域受12#煤層開采影響很小，覆巖為出現明顯破壞，12#煤層導水裂隙帶未與8#煤層覆巖的破壞區域聯通。

由3#測線大地電導率二維反演圖中紅色虛線可以看出（如圖2c），水平方向50 m～300 m范圍，垂直方向+1 030 m～+1 100 m之間有一高阻閉合圈，該異常區域范圍位于12#煤層上方，影響高度為70 m，依據已知的地質資料推斷該異常區域為12#煤層開采引起的覆巖破壞影響范圍。

3　結論

根據電磁成像探測結果，12#煤層開采導致上覆巖層破壞帶的高度在70 m～80 m之間。該結果為該盤區8#煤層的上行開采提供參考依據。

參考文獻

［1］楊建軍，吳漢寧，等.煤礦采空區探測效果研究［J］.煤田地質與勘探，2006，34（1）: 67-70.

［2］吳興宇.淺談物探方法在煤田采空區探測中的應用［J］.科技傳播，2010（6）:19-20.

［3］劉云禎.物探方法新技術［M］.北京:地質出版社，2006.

［4］李曉斌.物探方法在煤礦采空區的應用［J］.中國礦業，2011（S）: 196-200.

［5］柳建新，蔣琳霞，等.電磁成像系統在在高速公路隧道工程勘察中的應用［J］.工程地球物理學報，2008，5（6）:652-656.

Electromagnetic Imaging Detection of Goaf Overlying Rock Damage Height

Ma Zedong
（Inner Mongolia Ordos Mining investment Co.，LTD. of Datong Coal Mine Group）

Abstract：The geophysical method is one of the main means of detecting coal mine goaf，the goaf overlying strata movement and destruction scope of 408 panel 12# coal seam by using electromagnetic imaging technology is detected，the results show that the destruction zone range of roof overlying rock caused by mining 12# coal seam is 70 m～80m，the detection results can provide guidance for upward mining 8# coal seam.

Key words：electromagnetic imaging system；upward mining；goaf

中圖分類號TD166

文獻標識碼B

文章編號1000-4866（2016）03-0030-03

作者簡介

馬澤東，男，現在內蒙古同煤鄂爾多斯礦業投資有限公司工作。

收稿日期：2016-04-11