采空區(qū)覆巖破壞高度的電磁成像探測(cè)

馬澤東

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采空區(qū)覆巖破壞高度的電磁成像探測(cè)

馬澤東

摘要地球物理方法是探測(cè)煤礦采空區(qū)的主要手段之一，采用電磁成像技術(shù)對(duì)某礦408盤(pán)區(qū)12#煤層采空區(qū)上覆巖層移動(dòng)與破壞范圍進(jìn)行探測(cè)，結(jié)果表明開(kāi)采12#煤層引起的頂板上覆巖破壞帶范圍是70 m～80 m，探測(cè)結(jié)果可供該區(qū)域上行開(kāi)采8#煤層提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞電磁成像系統(tǒng)；上行開(kāi)采；采空區(qū)

0　引言

目的巖層與其圍巖介質(zhì)物理性質(zhì)的差異性是采用礦山地球物理探測(cè)與分析的主要條件［1-2］。物探方法是通過(guò)分析獲得的物理參數(shù)的異常進(jìn)而查清地質(zhì)界限、地質(zhì)構(gòu)造或者是測(cè)定地質(zhì)體或地下人工埋設(shè)物的物理性質(zhì)或工程特性。物探方法能夠真實(shí)地反映采空區(qū)上覆巖層移動(dòng)與破壞范圍，并且十分的方便、經(jīng)濟(jì)［3-4］。本文采用EH-4電磁成像系統(tǒng)對(duì)某礦12#煤層408盤(pán)區(qū)采空區(qū)上覆巖層移動(dòng)與破壞范圍進(jìn)行探測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為該盤(pán)區(qū)8#煤層的上行開(kāi)采提供參考依據(jù)。

1　EH-4電磁成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介

EH-4電磁成像系統(tǒng)是由美國(guó)EMI公司和Geometrics公司在上世紀(jì)90年代聯(lián)合研制的一種天然和人工場(chǎng)源的雙源型大地電磁成像系統(tǒng)。它通過(guò)接收大地對(duì)天然電磁波的反應(yīng)，來(lái)達(dá)到電導(dǎo)率或電阻率測(cè)深的目的。它具有較高的分辨率，設(shè)備儀器輕便，觀測(cè)方便等特點(diǎn)。

1.1EH-4電磁成像系統(tǒng)方法原理

EH-4電磁成像系統(tǒng)利用采集到的天然電場(chǎng)E、磁場(chǎng)信號(hào)H及頻率f計(jì)算出相應(yīng)頻率所對(duì)應(yīng)的電阻率，來(lái)達(dá)到測(cè)定地下各層介質(zhì)電阻率的目的，其計(jì)算公式為：

在（1）式中：f是頻率，ρ是電阻率。因?yàn)榈叵陆橘|(zhì)不是均勻的，計(jì)算的ρ值是視電阻率值，探測(cè)度在理論上是趨膚深度，其計(jì)算公式為：

根據(jù)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(zhì)電阻率越大，工作頻率越小，則探測(cè)的深度越深。

在野外測(cè)量時(shí)EH-4多采用剖面法［5］。剖面法就是在與構(gòu)造走向垂直的剖面上，連續(xù)地進(jìn)行類似單點(diǎn)的測(cè)量。

1.2數(shù)據(jù)采集與處理

在野外測(cè)量時(shí)可以采集到兩個(gè)電場(chǎng)分量Ex、Ey和兩個(gè)磁場(chǎng)分量Hx、Hy，通過(guò)對(duì)采集的分量進(jìn)行傅氏變換，得到電磁場(chǎng)頻域的實(shí)分量和虛分量。然后計(jì)算各頻帶的視電阻率，電場(chǎng)磁場(chǎng)的振幅，相位差及全信息相干度等，并現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行一維Bostic反演。對(duì)于數(shù)據(jù)質(zhì)量不可靠的點(diǎn)，可以采取增加疊加次數(shù)及其他措施來(lái)改善數(shù)據(jù)質(zhì)量。在一維反演的基礎(chǔ)上，室內(nèi)資料處理中采用了Robust估計(jì)方法處理時(shí)間序列資料；用式（1）計(jì)算視電阻率即ρ，再利用EH-4系統(tǒng)的二維成像軟件進(jìn)行快速自動(dòng)成像并結(jié)合其它專業(yè)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(cè)區(qū)域概況

某礦408盤(pán)區(qū)12#煤層采用緩傾斜長(zhǎng)壁綜采方法全部開(kāi)采完畢，采用強(qiáng)制放頂和全部垮落法進(jìn)行頂板和采空區(qū)管理。煤層底板標(biāo)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(xiàn)為東北厚西南薄，部分煤層有1～3個(gè)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(biāo)高為+1 105 m～+1 123 m，根據(jù)兩煤層底板標(biāo)高，12#與8#煤層層間距平均為77 m。8#煤層目前有123.2萬(wàn)t為待上行開(kāi)采的儲(chǔ)量。

2.2勘探剖面線布置

為研究408盤(pán)區(qū)采空區(qū)上覆巖層移動(dòng)與破壞范圍，在408盤(pán)區(qū)采空區(qū)對(duì)應(yīng)的地面布置測(cè)線進(jìn)行物理探測(cè)。依據(jù)采空區(qū)特征和地面地形情況，一共設(shè)置3條測(cè)線，如圖1所示。

1#測(cè)線經(jīng)過(guò)12#層采空區(qū)的8804、8805和8806工作面，以及8#層采空區(qū)的8805和8806工作面，測(cè)線長(zhǎng)度是480 m，共25個(gè)測(cè)點(diǎn)；2#測(cè)線經(jīng)過(guò)12#層采空區(qū)的8806和8807-1工作面，以及8#層采空區(qū)的8806和8807工作面，測(cè)線長(zhǎng)度是300 m，共16個(gè)測(cè)點(diǎn)；3#測(cè)線經(jīng)過(guò)12#層采空區(qū)的8809和8810工作面，測(cè)線長(zhǎng)度300 m，共布置16個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖1　測(cè)線布置

2.3探測(cè)結(jié)果分析

由1#測(cè)線大地電導(dǎo)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(qū)域范圍位于12#煤層采空區(qū)上方，影響高度為80 m，異常區(qū)域下方電阻率等值線平滑，疏密變化不大，沒(méi)有錯(cuò)動(dòng)，呈層狀分布，電性標(biāo)志層穩(wěn)定，與巖層賦存特征相符。依據(jù)已知的地質(zhì)資料推斷該異常區(qū)域?yàn)槊簩娱_(kāi)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(qū)，但在此區(qū)域未見(jiàn)明顯高阻異常區(qū)域。此部分煤層為從上至下開(kāi)采，上覆巖層裂隙帶較高，因此判斷此部分為含水區(qū)域。

由2#測(cè)線大地電導(dǎo)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(qū)域范圍位于12#煤層采空區(qū)上方，影響高度為70 m，異常區(qū)域下方電阻率等值線平滑，疏密變化不大，無(wú)錯(cuò)動(dòng)，層狀分布，電性標(biāo)志層穩(wěn)定，與巖層賦存特征相符。依據(jù)已知的地質(zhì)資料推斷該異常區(qū)域?yàn)槊簩娱_(kāi)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(qū)域與8#煤層采空區(qū)之間電阻率等值線平滑，無(wú)錯(cuò)動(dòng)，推斷該區(qū)域受12#煤層開(kāi)采影響很小，覆巖為出現(xiàn)明顯破壞，12#煤層導(dǎo)水裂隙帶未與8#煤層覆巖的破壞區(qū)域聯(lián)通。

由3#測(cè)線大地電導(dǎo)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(qū)域范圍位于12#煤層上方，影響高度為70 m，依據(jù)已知的地質(zhì)資料推斷該異常區(qū)域?yàn)?2#煤層開(kāi)采引起的覆巖破壞影響范圍。

3　結(jié)論

根據(jù)電磁成像探測(cè)結(jié)果，12#煤層開(kāi)采導(dǎo)致上覆巖層破壞帶的高度在70 m～80 m之間。該結(jié)果為該盤(pán)區(qū)8#煤層的上行開(kāi)采提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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

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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(hào)TD166

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B

文章編號(hào)1000-4866（2016）03-0030-03

作者簡(jiǎn)介

馬澤東，男，現(xiàn)在內(nèi)蒙古同煤鄂爾多斯礦業(yè)投資有限公司工作。

收稿日期：2016-04-11