礦井工作面開采水文地質(zhì)條件綜合地球物理探測研究

朱若軍， 程久龍， 張要田,王玉和， 姜國慶

(1.國投新集能源股份有限公司劉莊煤礦，安徽 淮南236232 ；2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點實驗室，山東 青島 266510)

瞬變電磁法和高密度電阻率法，是目前應(yīng)用于礦井工作面水文地質(zhì)條件探測的主要水文物探方法。它們在工作面頂、底板巖層含水地質(zhì)異常體、裂隙帶富水性、導(dǎo)水通道和含隔水層厚度探測等方面，取得了良好的應(yīng)用效果[1]。但是，由于理論基礎(chǔ)和方法本身的特點，這兩種方法在實際應(yīng)用中，仍存在一定的局限性。

礦井瞬變電磁法探測是在井下巷道中進行的，測量的是巷道附近巖層在一次場激勵下產(chǎn)生的感應(yīng)二次場隨時間的變化規(guī)律。在進行煤層頂、底板巖層含水性探測時，接收天線接收的是來自煤層頂、底板兩個方向的地電信息，因此很難判斷電性異常是來自頂板、底板，或者是二者共同作用的結(jié)果，這就嚴重影響了資料解釋精度。礦井高密度電阻率法的特殊性，是由電流場的分布特征決定的，與地面電阻率法不同。礦井電阻率法的電流場在巷道中呈全空間分布，數(shù)值模擬、物理模擬和井下技術(shù)試驗結(jié)果均表明，全空間效應(yīng)和巷道空間對礦井電阻率法的影響是客觀存在的[2]?？紤]到回采工作面煤層的電阻率高(主要是氣煤、肥煤)，而頂?shù)装鍑鷰r一般為砂頁巖類，其電阻率比煤層低得多。因此，回采工作面底板(或頂板)上點電源的電流分布，可近似看作半空間，這一近似不影響探測地質(zhì)效果[3]。

基于以上分析，可以考慮綜合運用兩種方法進行工作面水文地質(zhì)條件的探測，這樣既可以彌補礦井瞬變電磁法無法分辨頂、底板異常的缺陷，達到對異常體準確定位的目的，又可以對兩種物探方法的探測結(jié)果相互驗證，提高資料解釋精度。

1 礦井瞬變電磁法與高密度電阻率法基本原理

1.1 礦井瞬變電磁法基本原理

礦井瞬變電磁法(MTEM)是利用設(shè)置于井下巷道中的不接地回線向巷道周圍空間發(fā)射一次脈沖磁場，在其激發(fā)下，巷道周圍導(dǎo)電巖礦體中激勵起的感應(yīng)渦流，將產(chǎn)生隨時間變化的感應(yīng)電磁場(二次場)。由于二次場包含有巷道周圍地質(zhì)體豐富的地電信息，通過在一次場間歇期間觀測二次場，并對觀測信息進行提取和分析，就可以達到探測巷道周圍導(dǎo)電介質(zhì)電性特征的目的[4]。

由“煙圈”理論來看，早期瞬變電磁場是由距離發(fā)射線框較近的巷道圍巖介質(zhì)的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，可以反映近距離的電性分布；晚期瞬變電磁場是由距離發(fā)射線框相對較遠的圍巖介質(zhì)的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，可以反映遠距離的電性分布。全空間條件下，磁偶源晚期計算視電阻率的公式為[5]：

(1)

式中：C為全空間響應(yīng)系數(shù)；S、N和s、n分別為發(fā)射線圈和接收線圈面積及匝數(shù)；t為瞬變延遲時間；V/I為觀測到的歸一化二次場電位場值。礦井瞬變電磁法時深轉(zhuǎn)換公式為[6]

(2)

式中：Ds(t)為t時刻電磁場傳播深度；V(ρs,t)為任意導(dǎo)電介質(zhì)分布情況下電磁場垂直擴散速度。

1.2 礦井高密度電阻率法基本原理

礦井高密度電阻率法，是集電測深和電剖面法于一體的陣列勘探方法。該方法的核心是實現(xiàn)的野外測量數(shù)據(jù)的快速、自動和智能化采集，一次布極即可進行多點、多極距和多參數(shù)數(shù)據(jù)采集，因此數(shù)據(jù)采樣高、信息量大，能夠比較全面的反映測量斷面的電性特征[7]。并且該方法在資料處理解釋中，可以運用多種參數(shù)進行綜合解釋，彌補了常規(guī)電阻率法測點稀疏和解釋參數(shù)單一的不足。

2 工作方法技術(shù)

綜合地球物理探測要求在工作面膠帶順槽、軌道順槽同時布置瞬變電磁探測測線和高密度電法探測測線，并充分利用礦井瞬變電磁法探測的方向性特點，進行多方位探測。

2.1 礦井瞬變電磁法工作方法

由于巷道空間有限，礦井瞬變電磁法的裝置尺寸不能太大，一般采用多匝小回線組合。這種裝置有效發(fā)射面積大，且發(fā)射電流較大，因此發(fā)射磁矩增強，信噪比提高，有效勘探深度也相應(yīng)增加。常用工作的裝置主要有重疊回線、中心回線和偶極裝置三種。

礦井瞬變電磁法裝置較小，可以靈活的進行旋轉(zhuǎn)、移動，施工效率較高，同時根據(jù)小回線發(fā)射電磁波的方向性特點，可以進行多方位探測。一般認為，線框平面的法線方向即為探測的目標方向。因此，通過靈活調(diào)整線圈法線與巷道底板的夾角，可探測工作面頂板、底板和順層方向上介質(zhì)的電性變化情況。應(yīng)用礦井瞬變電磁法進行豎直方向和傾斜方向探測時，線圈的放置方式如圖1所示。

圖1 礦井瞬變電磁法探測方向示意圖

2.2 高密度電阻率法工作方法

高密度電阻率法現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，一般采用三電位電極系，即由溫納四極(AMNB)、偶極(ABMN)及微分(AMBN)裝置按一定方式組合所構(gòu)成的測量系統(tǒng)[8]。高密度電阻率法觀測系統(tǒng)布置如圖2所示，具體測量方式如下：首先在設(shè)計測線上按固定點距x布置一系列電極，然后將電極通過電纜與主控采集站(主機)相連。取裝置電極間距a=ix，(i=1,2,…n)，將相距為a的一組電極(供電電極和測量電極)經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)連接到主機進行觀測，并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)改變裝置類型，依次完成該測點上各種裝置形式的視電阻率觀測；一個測點觀測完畢，轉(zhuǎn)換開關(guān)自動轉(zhuǎn)接下一組電極，以同樣方式進行下一測點的觀測，直到某一電極間距的整條剖面觀測完為止；改變電極間距，重復(fù)以上觀測，直到所有不同電極間距的剖面觀測完為止[8-9]。

圖2 高密度電阻率法觀測系統(tǒng)布置示意圖

3 工程應(yīng)用

3.1 工作面地質(zhì)概況

121101工作面總體形態(tài)為一單斜構(gòu)造，煤層走向近東西，工作面沿近走向布置，平均走向長1501.6m，傾向長192.8m，平均煤厚3.83m，局部受層滑斷層影響煤層變薄，甚至缺失。工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，老頂為細砂巖，直接底為泥巖或砂質(zhì)泥巖，老底為砂質(zhì)泥巖、細砂巖或粉砂巖。根據(jù)水文地質(zhì)資料并結(jié)合鄰近工作面開采情況可知，工作面頂板各含水層多以靜儲量水為主，含水性不均一，局部水量較大；工作面老底下方，厚層石英砂巖裂隙發(fā)育且局部含水，回采時存在突水危險。因此，為了查明工作面水文地質(zhì)條件，保證工作面安全回采，開展了綜合地球物理探測研究。

3.2 地球物理特征

瞬變電磁法和高密度電法同屬于電法勘探范疇，都是以巖礦石的電性差異為基礎(chǔ)來研究地質(zhì)構(gòu)造的。由于本工作面所涉及的含水層是頂?shù)装迳皫r層，這里主要討論砂巖地層的電性特征。結(jié)構(gòu)致密完整且不含水的砂巖，在電性上表現(xiàn)為高電阻率特征，如果砂巖裂隙發(fā)育且含水，那么在裂隙發(fā)育、斷層或裂隙帶附近的電阻率會比正常砂巖地層的電阻率大大降低，且降低的程度視裂隙發(fā)育和含水程度的不同而不同，裂隙愈發(fā)育賦水性愈強，則電阻率愈低。這是本次綜合地球物理探測的物理基礎(chǔ)。

3.3 數(shù)據(jù)采集

在綜合地球物理探測具體施工時，需在工作面軌道順槽、膠帶順槽中同時布置礦井瞬變電磁法探測測線和高密度電阻率法探測測線，探測點距10m?？紤]到工作面傾向長較大，為了較全面地反映工作面頂?shù)装迳皫r的電性特征，礦井瞬變電磁法探測在工作面兩順槽均設(shè)計兩個探測角度，分別為90°方向和45°方向(發(fā)射框法線與水平面夾角)，具體探測方式見圖1。采用加拿大產(chǎn)PROTEM-47礦井瞬變電磁儀進行數(shù)據(jù)采集，裝置形式選用偶極方式，發(fā)射框為2m×2m的矩形線框。高密度電阻率法采用E60C型全自動電法儀進行數(shù)據(jù)采集，儀器采用方波供電，抗干擾能力強、精度高。

3.4 資料處理與解釋

礦井瞬變電磁法和高密度電阻率法數(shù)據(jù)，經(jīng)過專門數(shù)據(jù)處理軟件進行處理、成圖之后，可以生成視電阻率斷面圖。資料解釋時，需結(jié)合兩種方法獲得的成果圖進行綜合對比。圖3所示為膠帶順槽距切眼500～1200m樁號段綜合地球物理探測的視電阻率斷面圖。X軸為測點坐標，Y軸為探測深度，右側(cè)為視電阻率色譜圖。首先，從礦井瞬變電磁法視電阻率斷面圖可以看出，視電阻率起伏變化較大，呈現(xiàn)分區(qū)性，根據(jù)視電阻率相對大小，解釋中將視電阻率值在0～4Ω.m的區(qū)域定為A級異常區(qū)，視電阻率在4～8Ω.m的區(qū)域定為B級異常區(qū)。該樁號段A、B異常區(qū)分別為2處和6處。高密度電阻率法斷面圖上，根據(jù)視電阻率相對大小圈定低阻異常區(qū)3處。綜合解釋分析如下：礦井瞬變電磁法豎直方向探測(圖3b)510～610m段為A級異常區(qū)，含水性相對最強，但是在上傾45°方向(圖3a)對應(yīng)區(qū)段無明顯低阻反映。對比高密度電阻率法剖面圖(圖3c)可以看出，在底板530～600m段存在一個低阻異常(1#)，據(jù)此可以排除頂板含水異常，低阻響應(yīng)是由底板砂巖富水區(qū)引起；圖3b中1050～1140m段為含水性A級異常區(qū)，但是在圖3a中與之對應(yīng)段為含水性B級異常，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是在這個區(qū)段，底板也存在一個低阻異常帶(圖3c中3#)，因此，圖3b中該A級異常帶為頂、底板砂巖含水異常區(qū)共同作用結(jié)果。

3.5 探測成果

采用上述資料解釋方式，并結(jié)合水文地質(zhì)資料進行綜合分析，即可得到整個工作面水文地質(zhì)條件綜合物探結(jié)果。通過結(jié)合礦井瞬變電磁法和高密度電阻率法進行綜合地球物理探測，在121101工作面共圈定頂板A級富水區(qū)5個、頂板B級富水區(qū)4個、底板富水區(qū)14個。探測結(jié)果表明，工作面頂?shù)装鍘r層含水性不均一，呈現(xiàn)分區(qū)性，局部塊段含水性較強，并且工作面靠近軌道順槽一側(cè)底板巖層的含水性相對強于膠帶順槽一側(cè)。礦方針對綜合地球物理探測所圈定富水異常區(qū)布置鉆孔進行放水，證實全部含水異常區(qū)都不同程度含水，共計放出水量9.4萬m3，回采過程中水量小于5m3/h，放水效果顯著，為工作面安全順利回采奠定了堅實的基礎(chǔ)，從而充分證明了采用綜合地球物理方法探測工作面水文地質(zhì)條件的可行性和優(yōu)越性。

圖3 膠帶順槽綜合地球物理探測視電阻率剖面圖

4 結(jié)論

綜合運用礦井瞬變電磁法和高密度電阻率法進行礦井工作面水文地質(zhì)條件探測，既可以彌補全空間條件下礦井瞬變電磁法無法確定含水地質(zhì)異常體相對于發(fā)射框的具體位置的缺陷，又可以對兩種方法的探測結(jié)果相互驗證，排除由干擾引起的假異常，從根本上提高了礦井水文地質(zhì)條件綜合地球物理探測資料解釋精度，達到優(yōu)勢互補的效果。應(yīng)用結(jié)果表明：該技術(shù)可以有效查明礦井工作面水文地質(zhì)條件、圈定頂?shù)装鍘r層富水異常區(qū)，從而指導(dǎo)礦方有針對性地組織探放水，為工作面安全回采奠定基礎(chǔ)。同時，該綜合地球物理探測技術(shù)，在受水威脅的類似金屬、非金屬礦山也可推廣應(yīng)用。

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