綜合物探技術(shù)在煤炭礦井水文地質(zhì)中的實踐

曹武慶

（陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安710005）

煤炭資源對我國的發(fā)展起著關(guān)鍵的作用，是我國國民經(jīng)濟的支柱型產(chǎn)業(yè)，但是在煤炭開采的過程中其安全事故卻屢屢發(fā)生，嚴(yán)重威脅著礦工的生命健康安全，據(jù)國家煤炭安監(jiān)局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，每年煤礦發(fā)生的安全事故高達500 多起，死亡人數(shù)更是逐年上升。究其原因，我們不難發(fā)現(xiàn)除了自然因素造成的地質(zhì)災(zāi)害以外，還有瓦斯、水害、粉塵、頂板以及火災(zāi)，這五類災(zāi)害是目前煤炭開采的主要災(zāi)害，其中，水害的危險程度僅次于瓦斯，嚴(yán)重的影響了煤礦的正常作業(yè)是礦工的生命安全。我國的水文地質(zhì)情況較為復(fù)雜，為了保證煤礦的生產(chǎn)安全，需在開采前對礦區(qū)的資源分布進行詳細的勘測，然后依據(jù)勘測的結(jié)果制定適宜的開采路線，最大程度上確保開采的安全性。近年來，綜合物探技術(shù)受到廣大礦業(yè)工作者的青睞，逐漸在煤礦水文地質(zhì)勘測中展露出自身的優(yōu)勢，將效率高、范圍廣的特點充分發(fā)揮，為煤礦資源分布以及地質(zhì)勘測做出了卓越的貢獻。

1 綜合物探技術(shù)的概述

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法是20 世紀(jì)30 年代，美國科學(xué)化L.W.Blau 提出的，屬于電磁勘測法當(dāng)中的一種，又被稱為時間域電磁法，簡稱為TEM[1]。瞬變電磁法主要依靠地下巖礦石的導(dǎo)磁性與導(dǎo)電性的性質(zhì)不同，利用電磁感應(yīng)的原理，對礦區(qū)的電磁場變化進行研究分析，進而達到水文地質(zhì)勘測目的的一種手段。在實際煤礦作業(yè)中，想要借助瞬變電磁法進行地址勘測，可以在礦區(qū)地表或者空中設(shè)施發(fā)射回線圈并使其能夠通以階躍電流，但發(fā)射線圈與接受線圈的距離不得超過10m，此時由于電磁反應(yīng)線圈的周圍空間內(nèi)必定會存在穩(wěn)定的磁場，被測地下地質(zhì)中的礦石就會有所感應(yīng)，其勘測深度可到100m，但當(dāng)發(fā)射源被切斷后，磁場會發(fā)生劇烈的變化，地下導(dǎo)體就會形成感應(yīng)電動勢，也就是感應(yīng)電流。若發(fā)射頻率控制在25Hz，電流控制在17A，時間設(shè)置在20s 左右，[2]此時煤礦中的水文地質(zhì)基本信息就能得到清晰的了解，開采人員可以依據(jù)瞬變電磁法的規(guī)律對該地區(qū)水文地質(zhì)進行合理的規(guī)劃，并制定科學(xué)的開采路線。

1.2 探地雷達法

探地雷達法又稱地質(zhì)雷達，簡稱GPR，是1910 年德國人Hulsemeyer 與Lowy 在一項專利中闡明的概念，這也是第一次探地雷達法進行詳細的描述[3]。近年來，探地雷達法由于其具有探測速度快，操作簡單方便，可連續(xù)檢測和無損的特點使其受到環(huán)境檢測、地質(zhì)勘測、工程調(diào)查以及考古領(lǐng)域?qū)I(yè)人士的青睞。探地雷達法與瞬變電磁法的電磁傳播理論基礎(chǔ)的式樣的，都是借助電磁波在介質(zhì)中電磁特性，即在不連續(xù)處產(chǎn)生反射與散射的特點對礦區(qū)地下的目標(biāo)進行定位、成像進行利用麥克斯韋方程組判定電磁特性變化從而達到勘測目的的方式。探地雷達法的種類是多種多樣的，但是基本的組織構(gòu)架是一致的，有控制單元、發(fā)射機、接收機、電纜、天線、電源等。在實際勘測過程中，探地雷達是通過脈沖的形式將大功率高頻電磁波由發(fā)射天線進行發(fā)射端餓，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)傳播遇到不同的介質(zhì)，其電性有差異，就會發(fā)生反射、透射、折射的電箱，因此，勘測人員需明確不同地下介質(zhì)的介電常數(shù)與電阻率，在結(jié)合勘測所獲取的高頻電磁波進而分析礦區(qū)地下介質(zhì)的分布情況。需要注意的是，一般情況下探地雷達的勘測深度在0-6m，若勘測距小于1.5m 時，煤炭不會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，若大于1.5m 就會出現(xiàn)明顯的類似光學(xué)原理的折射、反射現(xiàn)象，若勘測距離始終保持在6m，反射也相對復(fù)雜時，則該探測區(qū)采空的可能性極大，易發(fā)生坍塌事件。

2 綜合物探技術(shù)在煤炭礦井水文地質(zhì)中的實踐

2.1 礦井概況

礦區(qū)位于陜北高原北部，與鄂爾多斯高原毛烏素沙漠東南接壤，海拔約1100-1850m，中部為黃土丘陵區(qū)，南北部均為風(fēng)沙地，沙丘連綿起伏，溝壑縱橫，呈現(xiàn)波狀形態(tài)。礦區(qū)地形地貌水文地質(zhì)差異較大，是典型的半干旱、半沙漠高原大陸氣候，冬季嚴(yán)寒霜凍，夏季炎熱多雨，因此風(fēng)沙區(qū)皆有大泉出露，梁茆區(qū)水量較小。礦區(qū)四季分明，年平均氣溫在6.2-8.5℃之間，雨季集中在7-9 月份，年降雨量約為400mm，蒸發(fā)量為1320mm，且礦區(qū)內(nèi)河流為烏蘭木倫河，自東勝梁南為發(fā)源地，全年平均水流量為4.52-12.2m3/s，在7-9 月份河流量較大，冬季則較小，因此,地下水絕大多數(shù)分布在松散型巖石類裂縫中或是碎屑類巖石的裂縫孔隙中。

2.2 綜合物探技術(shù)在煤炭礦井水文地質(zhì)中的實踐

（1）瞬變電磁法的應(yīng)用。瞬變電磁法對低電阻體有著非常敏感的反應(yīng)，可以準(zhǔn)確的查明煤炭礦井中的含水地質(zhì)，提升探測的深度，自動消除主要噪聲源，并且其對地形地貌不會產(chǎn)生任何影響，因此，在煤炭礦井水文地質(zhì)勘測中，加強瞬變電磁法的有效應(yīng)用可以獲取可靠的地質(zhì)信息。在實際勘測水文地質(zhì)中可以采用兩套瞬變電磁儀器，達到相互驗證的效果，本次研究中采用的儀器為加拿大protem-47 與福建華虹本安型瞬變電磁儀，為了保證探測的準(zhǔn)確性與精密性，使探測區(qū)域的地面形成互補，需預(yù)先選擇好地理位置適宜的巷到，應(yīng)運用多種物探技術(shù)進行地質(zhì)特點的分析。結(jié)合煤炭礦井的實際概況，對于礦井下采用偶極瞬變電磁法，將發(fā)射線圈與接收線圈放置于同一側(cè)二者相距10m 左右，探測深度調(diào)節(jié)為100m，探測點間相距5m，發(fā)射線圈均采用2m*2m，頻率為25Hz，電流為17-18A，時間窗口為20S，且探測方向應(yīng)在被測物質(zhì)的內(nèi)部。一般情況下，瞬變電磁法結(jié)果呈現(xiàn)低阻現(xiàn)象時為充水性空洞，未充水則會呈現(xiàn)高阻現(xiàn)象，但需要結(jié)合礦井的實際情況對礦區(qū)的水文地質(zhì)做出科學(xué)的分析與評價。

（2）探地雷達法的應(yīng)用。探地雷達是一種探測地下目標(biāo)的有效方式，是一種無損技術(shù)，與其他的探地方法相比，具有速度快，分辨率高、操作靈活的優(yōu)勢，其原理主要是利用天線發(fā)射與接收高頻電磁波探測地下介質(zhì)的物質(zhì)特性、分布規(guī)律的物理方法，其測量的方式有很多例如：剖面法、寬角法、透射波法、三維測量方式等等，本次研究采用的則是反射波剖面法，反射波剖面法是探地雷達觀測中最為常見的一種方式，儀器則為美國的SIR-3000 地質(zhì)雷達儀，中心頻率設(shè)置為100M，對煤炭礦井的測量區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集。將所有采集到的數(shù)據(jù)進行有效分析，結(jié)合礦區(qū)實際情況在一定的范圍內(nèi)制定有效的科學(xué)的剖面圖，依據(jù)剖面圖對煤炭礦井的水文地質(zhì)災(zāi)害影響、范圍進行綜合的評估，進而能夠最大程度上將災(zāi)害的影響降至最低。依據(jù)本次探測結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，探測深度約為10m，在1.5m 是出現(xiàn)較為明顯的反射同相軸現(xiàn)象，1.5m 以下則沒有地層分層現(xiàn)象，6m 處反射同相軸現(xiàn)象變得復(fù)雜化、經(jīng)過分析、判斷，可以確定在探測深度為0-6m 間存在較為穩(wěn)定的煤炭資源，6m 以下同相軸反應(yīng)復(fù)雜、混亂，可以判定為存在一定范圍的采空區(qū)，甚至可能有坍塌的情況出現(xiàn)。

（3）綜合物探技術(shù)解釋。綜合物探技術(shù)可以獲取煤炭礦井探測區(qū)域的視電阻率剖面圖，借助剖面圖與礦區(qū)的實地信息，探測人員可以確定礦井的采空區(qū)域及位置所在。通常情況下，視電阻率剖面圖出現(xiàn)許多畸變、彎曲的等值線，表明該區(qū)域存在采空或是其他地質(zhì)現(xiàn)象，同時依據(jù)電阻的大小以及電阻率的顏色變化進而確定是否有積水，若視電阻率剖面圖等值線較為平緩則該位置水文地質(zhì)較為良好，探測區(qū)域煤層中未出現(xiàn)采空、積水或是其他類別的地質(zhì)現(xiàn)象，煤炭礦井的開采風(fēng)險相對較小。

3 結(jié)論

煤炭礦井采空積水對于煤炭礦井開CIA 來說具有非常大的影響，對于社會經(jīng)濟與礦井工人的生命安全造成了極大地威脅，綜合物探技術(shù)借助物理的方式對礦井水文地質(zhì)展開分析研究，最大化的保證了人民的生產(chǎn)安全，因此在未來的礦井作業(yè)中有效應(yīng)用綜合物探技術(shù)可以有效提升煤炭礦井的工作效率。