大定源回線裝置在礦井水文地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

徐劍鋒

摘 要：該煤礦的地質(zhì)災(zāi)害主要有瓦斯、水害、火災(zāi)等，其中水害是在影響煤礦生產(chǎn)安全中最為嚴(yán)重，煤礦在掘進(jìn)或工作面回采過程中，巖層的天然平衡被破壞，周圍水體通過斷層、陷落柱、隔水層和巖層薄弱處進(jìn)入采掘工作面而形成的突水事故。該文介紹了瞬變電磁大定源回線裝置勘查方法對(duì)鑫和煤礦水文地質(zhì)勘查的主要成果，圈定了礦區(qū)不同位置采空區(qū)可能積水的低阻區(qū)域，為以后礦山安全生產(chǎn)提供了一定的科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大定源回線裝置 水文地質(zhì)勘查 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）03（a）-0062-02

鑫和煤礦位于河南省陜縣王家后鄉(xiāng)（原柴洼鄉(xiāng)）龍?zhí)洞寰硟?nèi)，地表屬低山丘陵區(qū)地形，區(qū)內(nèi)地勢(shì)溝谷較發(fā)育，整體地形自北向南呈高-低-高-低-高的“W”趨勢(shì)。為查明該礦范圍內(nèi)小煤礦采空區(qū)的分布特征及賦水性，評(píng)價(jià)斷層的賦水性及影響范圍，在該礦使用瞬變電磁大定源回線裝置進(jìn)行有針對(duì)性的勘測(cè)，取得了顯著效果，為鑫和煤礦水文地質(zhì)條件提供了依據(jù)。

1 瞬變電磁大定源回線裝置的工作原理及前提條件

瞬變電磁法是利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)，用線圈或接地電極觀測(cè)由該脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)的空間和時(shí)間分布，來解決有關(guān)地質(zhì)問題的時(shí)間域電磁法。瞬變電磁法有以下特點(diǎn)：（1）把頻率域的精度問題轉(zhuǎn)化為靈敏度問題，加大功率和提高靈敏度就可以增大信噪比，加大勘探深度；（2）在高阻圍巖區(qū)地形起伏不會(huì)產(chǎn)生假異常，在低阻圍巖區(qū)，由于多道觀測(cè)，早期道的地形影響也較易分辨；（3）可以采用同點(diǎn)組合進(jìn)行觀測(cè)，由于與勘探目標(biāo)的耦合緊密，取得的異常響應(yīng)強(qiáng)，形態(tài)簡(jiǎn)單，分層能力強(qiáng)；（4）對(duì)線圈位置、方位或收發(fā)距要求相對(duì)不高，測(cè)地工作簡(jiǎn)單、工效高；（5）有穿透低阻的能力，探測(cè)深度大；（6）剖面測(cè)量和測(cè)深工作同時(shí)完成，提供了較多的有用信息，減少了多解性。

有限導(dǎo)電地質(zhì)體瞬變電磁響應(yīng)可以用一個(gè)具有電阻和電感的回線上的響應(yīng)相等效，回線中的感應(yīng)電壓v2（t）正比于二次磁場(chǎng)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)：

v2（t）∝

式中：τ為衰減的時(shí)間常數(shù)。

大定源回線裝置是瞬變電磁測(cè)深的一種裝置形式，基于瞬變電磁法工作原理，該裝置發(fā)射線框邊長(zhǎng)為數(shù)百米甚至千米的矩形回線，采用小型線圈（或探頭）在回線內(nèi)部逐點(diǎn)測(cè)量，適用于煤田深部水文勘查。

2 勘查區(qū)的地電情況及地質(zhì)環(huán)境預(yù)想分析

勘查區(qū)位于區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層粘土、亞粘土地層電阻率一般為5～16 Ω·m；煤系地層電阻率一般為10～100 Ω·m；寒武系、奧陶系、石炭系灰?guī)r電阻率一般為100～1 000 Ω·m。

如果地下存在空洞洞穴，其電阻率要視其是否充填而定：若為無充填的巖溶空洞，其電阻率理論上可視為無窮大，若其為后期第四系泥水充填物充填，則其電阻率相對(duì)于圍巖為低阻，其與外圍地層存在較大的電阻率差異。一方面塌落帶由于后期充填等因素使得其相對(duì)于圍巖電阻率較低，與原巖存在著明顯的電阻率差異，采空區(qū)及塌落段由于存在空隙其視電阻率較四周圍巖偏高。瞬變電磁法對(duì)低阻體反映良好，故采用先進(jìn)的瞬變電磁技術(shù)方法找出工作區(qū)內(nèi)地下隱伏采空區(qū)、積水區(qū)及其影響范圍和其空間位置是行之有效的。

3 探測(cè)布置方法及探測(cè)成果

根據(jù)該項(xiàng)目探測(cè)目的設(shè)計(jì)參數(shù)勘探深度達(dá)到300 m。布設(shè)南北向剖面32條，單剖面長(zhǎng)400～960 m；剖面間距40 m；點(diǎn)距40 m。剖面總長(zhǎng)20 480 m，坐標(biāo)點(diǎn)物理點(diǎn)544個(gè)，質(zhì)量檢查點(diǎn)28個(gè)，總有效物理點(diǎn)572個(gè)。野外工作布置如圖1，回線內(nèi)200～320 m范圍內(nèi)觀測(cè)，接收線圈在發(fā)射線框內(nèi)距框80～200 m范圍內(nèi)按線逐點(diǎn)移動(dòng)測(cè)量。

由沿二1煤層底板切片視電阻率等值線圖可以看出：在測(cè)區(qū)西北部、北中部及東中部的藍(lán)色低阻區(qū)域（視電阻率值在15Ω·m以下）為推測(cè)一是煤層上部基本沒有砂巖、只有第四系覆蓋或煤礦采空積水區(qū)的大體范圍（黃虛線圈定的區(qū)域），其中在礦區(qū)范圍北中部采空區(qū)內(nèi)可能積水。其測(cè)區(qū)中部紅色圈定的高阻區(qū)域推測(cè)為：一是坍塌的采空區(qū)；二是F2斷層以南的無煤基巖區(qū)。由圖2F1～F4所在的位置可以看出，斷層通過的區(qū)域視電阻率不低，說明該斷層不含水，由于斷裂帶不含煤沒有開采的原因。主、付井及礦部所在的區(qū)域除兩個(gè)水倉(cāng)外，沒有發(fā)現(xiàn)大的水體存在。

4 勘查成果結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

此次的瞬變電磁工作共完成剖面32條。通過對(duì)此次工作成果圖的綜合分析，圈定了礦區(qū)不同位置采空區(qū)可能積水的低阻區(qū)域，為以后礦山安全生產(chǎn)提供了一定的科學(xué)依據(jù)：（1）圈定了測(cè)區(qū)內(nèi)北部煤層之上覆蓋層砂巖較薄或新生界直接壓煤，不排除采空區(qū)可能積水的低阻范圍；圈定了測(cè)區(qū)北中部采空區(qū)可能積水的范圍。（2）圈定和證實(shí)礦區(qū)中部的F1斷層的存在，該斷層走向近南北、傾向西的正斷層。證實(shí)礦區(qū)南緣的F2斷層的存在，該斷層走向近東西、傾向北的正斷層。證實(shí)礦區(qū)東緣的F3斷層的存在，該斷層走向北東25°左右、傾向北西的高角度正斷層。（3）推測(cè)礦區(qū)深部灰?guī)r巖溶不甚發(fā)育，其斷層深部賦水性較差。該測(cè)區(qū)北中部采空區(qū)積水，西北部和北部采空區(qū)可能積水。F1斷層在礦區(qū)中部通過、F2斷層在礦區(qū)南部邊緣、F3斷層處在礦區(qū)東部邊緣，F(xiàn)4斷層反映不明顯；斷層的水文地質(zhì)條件對(duì)區(qū)內(nèi)采礦活動(dòng)應(yīng)無大的影響。

4.2 建議

（1）測(cè)區(qū)北中部小煤礦開采的采空區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)較為明顯的老空水存在，測(cè)區(qū)西北部、北部采空區(qū)也可能有積水，建議將存量水疏干；或地下工程避開該區(qū)域施工。為安全起見，首先采用地質(zhì)工程進(jìn)行探水驗(yàn)證，若發(fā)現(xiàn)存量水將其疏干。（2）斷層帶上雖未發(fā)現(xiàn)明顯含水特征，但F2斷層的斷距較大，地下施工至少要保留30余米的安全距離。（3）在煤礦開采時(shí)盡可能不要?jiǎng)拥装?。施工要采用邊探邊采、探采結(jié)合的方式進(jìn)行，以確保生產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)

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