綜合物探方法在煤礦采空區(qū)積水勘探中的應(yīng)用

尹武平

（山西保利合盛煤業(yè)有限公司，山西 晉中 031300）

0 引 言

在一體化礦山生產(chǎn)過程中，地質(zhì)資料的缺失會給生產(chǎn)安全帶來很大的隱患，同時，當(dāng)?shù)V山是一些小煤礦合并重組形成的，由于這些小煤礦的開采技術(shù)大多比較落后，保存的地質(zhì)資料參考價值較低，因此，煤礦生產(chǎn)建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急是解決煤礦采空區(qū)積水的問題[1]。2022 年11 月29 日，中國山西省屯蘭煤礦陡斜煤層超深跨界開采時，煤層在上部采空區(qū)巖壓和水壓的共同作用下發(fā)生突水事故。類似事件表明，在水文地質(zhì)條件掌握不準(zhǔn)確的情況下，煤礦盲目開采存在著很大安全隱患[2]。山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云草垛溝煤炭工業(yè)有限公司是歷史地質(zhì)資料較少的綜合性礦山，因此礦井的首要任務(wù)是水文地質(zhì)調(diào)查。目前，針對礦井水害的具體問題，有很多防治方法可供選擇。不同的專家學(xué)者從不同的勘探技術(shù)和防治方法的角度進(jìn)行了深入研究，如通過地球物理勘探方法探測到可疑和重點(diǎn)區(qū)域，更準(zhǔn)確地獲取采空區(qū)的水文地質(zhì)條件；采用高密度電阻率和瞬變電磁法等地球物理方法，對采空區(qū)水害問題進(jìn)行理論研究和工程實(shí)踐，形成勘探淺層水文地質(zhì)條件的有效手段；對淺埋深采空區(qū)進(jìn)行瞬變電磁干擾試驗(yàn)、優(yōu)化試驗(yàn)和電響應(yīng)特性分析，能夠提高淺層水文地質(zhì)瞬變電磁法勘探的精度。從上述研究成果來看，很多專家學(xué)者圍繞地球物理勘探進(jìn)行了大量的研究，因此，擬采用瞬變電磁法和高密度電阻率法兩種方法，對采空區(qū)積水情況進(jìn)行摸底，為采煤規(guī)劃和安全生產(chǎn)提供參考。

1 綜合物探法簡介

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法原理如下：向一個可以產(chǎn)生脈沖磁場的發(fā)射線圈供電，介質(zhì)被激發(fā)后可以在檢測方向產(chǎn)生渦流，當(dāng)脈沖間隔時，渦流不會立即消失，并且由于渦流的存在，介質(zhì)中會產(chǎn)生新的磁場，新磁場的信號可以被另一個接收線圈或接地電極接收。由于地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、含水率、礦化度、電阻率等因素不同，介質(zhì)產(chǎn)生的二次感應(yīng)電磁場的衰減特性也不同，因此，可判斷地下介質(zhì)的性質(zhì)和空間分布規(guī)律[3]。

瞬變電磁法是在高電阻地區(qū)提高探測深度和尋找低電阻地質(zhì)體最靈敏的方法，其具有自動消除主噪聲源、不受地形影響、同點(diǎn)聯(lián)合觀測、與探測目標(biāo)耦合最優(yōu)、異常響應(yīng)強(qiáng)、形狀簡單、分辨率強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常用于巖溶洞槽、煤礦采空區(qū)和深部不規(guī)則含水構(gòu)造等地質(zhì)單元水文地質(zhì)調(diào)查。

1.2 高密度電阻率法

電法勘探的工作原理是各地層電阻率由于巖性不同而不同，當(dāng)發(fā)射電流傳輸?shù)降叵聲r，通過觀察測量電極接收到的電阻率的變化來確定地下地質(zhì)條件的變化。電學(xué)測量曲線所反映的特性，可以分析出地質(zhì)單元的構(gòu)造狀態(tài)、電學(xué)性質(zhì)和規(guī)模[4]。高密度電阻率法是電剖面法和電測探法的結(jié)合，對相應(yīng)程序得到的各種參數(shù)進(jìn)行處理和自動反演成像，可以快速準(zhǔn)確地給出被測地質(zhì)單元電斷面的地質(zhì)解釋圖[5]。其常用于許多工程勘探領(lǐng)域，如主要場地的工程地質(zhì)調(diào)查，大壩基礎(chǔ)和橋墩的選址，采空區(qū)和地裂縫檢測等。高密度電阻率法的優(yōu)點(diǎn)是，設(shè)置一組可以被儀器控制改變位置的測量點(diǎn)，通過增加在同一測量點(diǎn)上的電源電極和測量電極的距離，可以加深探測距離，由此可以掌握同一測量點(diǎn)探測方向上視電阻率由近到遠(yuǎn)的變化規(guī)律。

2 水文地質(zhì)與地球物理特征

2.1 水文地質(zhì)特征

塔山煤礦主要由8 個小礦組成，其中2 個為已關(guān)閉的煤礦，位于中國大同市以西34 km 處，面積10.102 8 km2。地層平均厚度131.45 m，煤層總厚度11.60 m，含煤系數(shù)8.82%。礦區(qū)從上到下依次為5、8、8-1、8-2、11、14 號煤層，侏羅系大同組5、8-1、8-2、11、14 號煤層均可采，其中8 號煤層平均埋深93.34 m。目前，5、8、11、14 號煤層基本開采完畢，采空區(qū)低洼地區(qū)存在大量積水，煤礦下一步計(jì)劃開采8-1 號和8-2 號煤層?？碧絽^(qū)為380 m×1 040 m 的長帶形區(qū)域，面積0.395 2 km2。該地區(qū)地勢西高東低，屬于黃土高原平丘陵地帶。

2.2 地球物理特征

勘探區(qū)地面條件復(fù)雜，雖然相對高差只有68.2 m，但在測量線周圍不均勻分布著一個黃土溝壑和6根高壓線，導(dǎo)致淺層地表的地球物理?xiàng)l件很復(fù)雜。

各煤層和圍巖的電氣參數(shù)見表1，可以看出相同巖性巖層的視電阻率與巖石粒度呈正相關(guān)，不同巖性巖層的視電阻率與其密度呈正相關(guān)，煤層和巖層的電性差異顯著，視電阻率差高達(dá)2～3 倍，其中煤層視電阻率最高。

表1 煤和巖層的電參數(shù)

3 現(xiàn)場測試與工程應(yīng)用

檢測儀器有IGGETEM-30B 瞬態(tài)電磁儀和WDJD-2 高密度電阻率測量系統(tǒng)。

3.1 現(xiàn)場測試調(diào)試

根據(jù)勘探區(qū)地表地質(zhì)條件，選取勘探區(qū)三線第40 個測量點(diǎn)（位于煤礦8113 工作面已知采空區(qū)上方）進(jìn)行單點(diǎn)試驗(yàn)，采用控制變量法比較不同參數(shù)下的衰減曲線，從而確定合適的儀器參數(shù)[6]。

1）時窗范圍測試。固定發(fā)射線框范圍為15 m×30 m，將關(guān)斷時間、發(fā)射電流和疊加次數(shù)分別設(shè)置為75 us、7.5 A 和512 次，在采樣延時為250 us 和Log14 的前提下，分別進(jìn)行20 ms 和40 ms 的時窗范圍測試，結(jié)果如圖1 所示?？梢钥闯?，20 ms 和40 ms的V（t）/I 衰減曲線基本相同，但由于勘探區(qū)存在一些干擾，且煤層探測較深，故時窗范圍選擇為40 ms。

圖1 時窗范圍分別為20、40 ms 的V（t）/I 衰減曲線

2）關(guān)斷時間測試。固定發(fā)射線框范圍為15 m×30 m，將時窗范圍、發(fā)射電流和疊加次數(shù)分別設(shè)置為40 ms、7.5 A 和512 次、在采樣延時為250 us 和Log14 的前提下，分別進(jìn)行關(guān)斷時間為50 、75、90 us的3 次測試，結(jié)果如圖2 所示。根據(jù)圖2(b)分析，后期75、90 us V（t）/I 衰減曲線響應(yīng)較好，而前期50 us V（t）/I 衰減曲線明顯較高，75、90 us 的V（t）/I 衰減曲線基本相同，因此，關(guān)斷時間確定為75 us。

圖2 關(guān)斷時間為50、75、90 us V（t）/I 衰減曲線

3）采樣延時測試。固定發(fā)射線框范圍為15 m×30 m，時窗范圍為40 ms，將關(guān)斷時間、發(fā)射電流和疊加次數(shù)分別設(shè)置為75 us、7.5 A 和512 次、在Log14的前提下，設(shè)置采樣延時時間為200 us、250 us 和300 us 的3 次試驗(yàn)，結(jié)果如圖3 所示。可以看出，后期3 組V（t）/I 衰減曲線整體響應(yīng)較好，前期200us的V（t）/I 衰減曲線由于原生場的組成，表現(xiàn)為直線斷面。250 us 和300 us 的V（t）/I 衰減曲線基本相同，250 us 的V（t）/I 衰減曲線更好。

圖3 采樣延時為200、250、300 us V（t）/I 衰減曲線

4）發(fā)射電流測試。固定發(fā)射線框范圍為15 m×30 m，將關(guān)斷時間、時窗范圍和采樣延時設(shè)置為75us、40 ms 和250 us、疊加次數(shù)為512 次和Log14前提下，進(jìn)行了發(fā)射電流3.7 A 和7.5 A 的2 次測試，結(jié)果如圖4 所示?？梢钥闯?，由于干擾的存在，3.7 A 發(fā)射電流衰減曲線具有明顯的拐點(diǎn)，7.5 A 的V（t）/I 衰減曲線優(yōu)于3.7 A。

圖4 3.7 A 和7.5 A 電源發(fā)射電流的V（t）/I 衰減曲線

5）疊加次數(shù)測試。固定發(fā)射線框范圍為15 m×30 m，將關(guān)斷時間、時窗范圍和采樣延時設(shè)置為75 us、40 ms 和250 us、在發(fā)射電流為7.5A 和Log14 的前提下，進(jìn)行了疊加次數(shù)分別為256、512、1024 次的3 次試驗(yàn)。測試結(jié)果如圖5 所示。一般來說，如果衰減曲線要更平滑，則需要足夠高的疊加數(shù)。考慮到工作時間，疊加時間確定為512 次。

圖5 疊加次數(shù)為256、512、1024 次的V（t）/I 衰減曲線

可以發(fā)現(xiàn)，采集電壓值與關(guān)斷時間和延遲時間密切相關(guān)，但與電源發(fā)射電流關(guān)系不大。最后，儀器參數(shù)線圈采用15 m×30 m“∞”形環(huán)路，發(fā)射電流為7.6 A，時窗范圍為40 ms，疊加數(shù)為512 次，關(guān)斷時間為75 us，采樣延時時間為250 us。

3.2 工程應(yīng)用設(shè)計(jì)

勘探區(qū)設(shè)計(jì)20 條測量線，每條測線長1 040 m，間隔20 m。每條測線上設(shè)計(jì)53 個測點(diǎn)，測點(diǎn)間距為20 m。將1 號線布置在勘探區(qū)南側(cè)，其余測線依次向北布置。每條測線的西側(cè)是1 號測量點(diǎn)，其余測點(diǎn)依次向東排列。

首先，利用瞬變電磁法進(jìn)行全覆蓋勘探，確定疑似積水區(qū)，然后在疑似積水區(qū)采用高密度電阻率法進(jìn)行勘測。高密度電阻率法采用圖9 所示排列方式，相鄰觀測點(diǎn)之間的距離為10 m，設(shè)置60 條測量線路，每2 個測量線路之間相距為10 m。時間參數(shù)選擇：供電時間為2 000 ms，電流延遲為200 ms，電源電壓約為500 V，電源發(fā)射電流約為400 mA。該方法得到的檢測結(jié)果的橫截面為扁平“U”型。

4 工程應(yīng)用結(jié)果分析

4.1 典型測量線分析

選取5、6、9、13 和20 等具有明顯電性變化的測量線，分析其多道電壓曲線和視電阻率曲線（圖6）?？梢钥闯?，在1 號測線的1～5 點(diǎn)，6 號測線的28～31 點(diǎn)，9 號測線的23～30 點(diǎn)，13 號測線的25～28點(diǎn)以及20 號測量線的19 點(diǎn)和47 點(diǎn)處均存在異常高電壓和低電阻（紅色橢圓）。異常低阻區(qū)基本在1 170～1 180 m 左右，推測此異常為8 號煤層老采空區(qū)積水反射。其中，13 號測線（藍(lán)框）的15～25 點(diǎn)為采坑工業(yè)現(xiàn)場，有數(shù)據(jù)丟失，因此，不再分析異常高壓和低電阻區(qū)域。

圖6 每條測線的多道電壓曲線

4.2 典型平面圖分析

根據(jù)勘探區(qū)煤層的標(biāo)高和厚度，選擇24 號和28 號測量線路的等電壓值平面圖分析電壓變化。勘探區(qū)主要存在2 個異常高壓（40V 以上）區(qū)域，分別是4～17 號測量線的22μ32 測量點(diǎn)和2～6 號測量線的1～5 個測量點(diǎn)。由于地面上無干擾，因此可以推斷此區(qū)為采空區(qū)積水區(qū)。同時，在等電壓值的平面圖上，28 號測量線路的電性能與24 號測量線路相似，異常高壓值較小，但仍超過20 μV，這表明結(jié)果是準(zhǔn)確的。

通過繪制8 號煤層的視電阻率圖（圖7），可以得出，低阻區(qū)基本上對應(yīng)于24 號和28 號測量線路等電壓值平面圖的高壓區(qū)域。區(qū)別在于西北角勘探區(qū)由于地形增加導(dǎo)致低阻區(qū)增加。

圖7 8 號煤層視電阻率圖

4.3 高密度電阻率法數(shù)據(jù)分析

根據(jù)疑似采空區(qū)積水區(qū)，在6 號測線的16～45點(diǎn)和25～5 號測線的25 點(diǎn)處布置高密度電阻率法，并繪制各測量線的反演模擬視電阻率地形剖面（見圖8）?？梢钥闯?，在1 170～1 180 m 的等高線處存在較大的異常低電阻率，對應(yīng)28～31 測點(diǎn)和4～14號測量線，與瞬變電磁法反應(yīng)的異常基本相同。

圖8 視電阻率剖面（a）6 號（b）25～5 測線25 點(diǎn)

4.4 綜合對比分析

在24 條測量線路的等電壓值平面圖上，22～32號測線的4～17 點(diǎn)和1～5 號測線的2～6 點(diǎn)出現(xiàn)異常高值，且異常幅值大。在8 號煤層視電阻率平面圖上，低電阻率異常發(fā)生在22～28 號測線的8～17 點(diǎn)和1～5 號測線的3～6 點(diǎn)。同時，在具有高密度電阻率地形的視電阻率剖面上，反映的異常低電阻率區(qū)域與瞬變電磁法的測量結(jié)果基本一致。結(jié)合地質(zhì)資料和地表?xiàng)l件，綜合推斷這兩個區(qū)域?yàn)? 號煤層采空區(qū)，積水區(qū)域位置如圖9 所示。同時，勘探區(qū)內(nèi)有無法測量的采坑工業(yè)場地，其周圍存在鐵磁材料和高壓線等許多干擾因素，可能會給數(shù)據(jù)處理帶來多種困難，并對結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大影響[7]。

圖9 地球物理勘探結(jié)果

5 結(jié) 論

1) 采用瞬態(tài)電磁法在勘探區(qū)進(jìn)行全覆蓋勘探，然后對采空區(qū)疑似積水區(qū)進(jìn)行高密度電阻率法，可以保證物探結(jié)果的可靠性。

2) 采用綜合物探法，在多層采空區(qū)礦山測得8個大范圍的采空區(qū)積水區(qū)。根據(jù)其位置和標(biāo)高推斷，其中2 個采空區(qū)積水區(qū)位于8 號煤層，其他積水區(qū)位于開采煤層上部，為煤礦安全生產(chǎn)和建設(shè)提供了可靠參考。

3)當(dāng)勘探區(qū)內(nèi)有采坑工業(yè)場地或高壓線路等建筑物時，周圍有一定范圍的電磁場，對上述2 種物探方法影響較大，可與地震勘探等其他物探方法相結(jié)合，使勘探結(jié)果更加準(zhǔn)確。