朱若軍， 程久龍， 張要田,王玉和， 姜國(guó)慶

(1.國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cè)的主要水文物探方法。它們?cè)诠ぷ髅骓?、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(cè)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(diǎn)，這兩種方法在實(shí)際應(yīng)用中，仍存在一定的局限性。

礦井瞬變電磁法探測(cè)是在井下巷道中進(jìn)行的，測(cè)量的是巷道附近巖層在一次場(chǎng)激勵(lì)下產(chǎn)生的感應(yīng)二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律。在進(jìn)行煤層頂、底板巖層含水性探測(cè)時(shí)，接收天線接收的是來(lái)自煤層頂、底板兩個(gè)方向的地電信息，因此很難判斷電性異常是來(lái)自頂板、底板，或者是二者共同作用的結(jié)果，這就嚴(yán)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(chǎng)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(chǎng)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(yàn)結(jié)果均表明，全空間效應(yīng)和巷道空間對(duì)礦井電阻率法的影響是客觀存在的[2]。考慮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(yè)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(diǎn)電源的電流分布，可近似看作半空間，這一近似不影響探測(cè)地質(zhì)效果[3]。

基于以上分析，可以考慮綜合運(yùn)用兩種方法進(jìn)行工作面水文地質(zhì)條件的探測(cè)，這樣既可以彌補(bǔ)礦井瞬變電磁法無(wú)法分辨頂、底板異常的缺陷，達(dá)到對(duì)異常體準(zhǔn)確定位的目的，又可以對(duì)兩種物探方法的探測(cè)結(jié)果相互驗(yàn)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(chǎng)，在其激發(fā)下，巷道周圍導(dǎo)電巖礦體中激勵(lì)起的感應(yīng)渦流，將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)電磁場(chǎng)(二次場(chǎng))。由于二次場(chǎng)包含有巷道周圍地質(zhì)體豐富的地電信息，通過(guò)在一次場(chǎng)間歇期間觀測(cè)二次場(chǎng)，并對(duì)觀測(cè)信息進(jìn)行提取和分析，就可以達(dá)到探測(cè)巷道周圍導(dǎo)電介質(zhì)電性特征的目的[4]。

由“煙圈”理論來(lái)看，早期瞬變電磁場(chǎng)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(chǎng)是由距離發(fā)射線框相對(duì)較遠(yuǎn)的圍巖介質(zhì)的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，可以反映遠(yuǎn)距離的電性分布。全空間條件下，磁偶源晚期計(jì)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(shí)間；V/I為觀測(cè)到的歸一化二次場(chǎng)電位場(chǎng)值。礦井瞬變電磁法時(shí)深轉(zhuǎn)換公式為[6]

(2)

式中：Ds(t)為t時(shí)刻電磁場(chǎng)傳播深度；V(ρs,t)為任意導(dǎo)電介質(zhì)分布情況下電磁場(chǎng)垂直擴(kuò)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(cè)深和電剖面法于一體的陣列勘探方法。該方法的核心是實(shí)現(xiàn)的野外測(cè)量數(shù)據(jù)的快速、自動(dòng)和智能化采集，一次布極即可進(jìn)行多點(diǎn)、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(cè)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(yùn)用多種參數(shù)進(jìn)行綜合解釋，彌補(bǔ)了常規(guī)電阻率法測(cè)點(diǎn)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(cè)要求在工作面膠帶順槽、軌道順槽同時(shí)布置瞬變電磁探測(cè)測(cè)線和高密度電法探測(cè)測(cè)線，并充分利用礦井瞬變電磁法探測(cè)的方向性特點(diǎn)，進(jìn)行多方位探測(cè)。

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(qiáng)，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(jìn)行旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)，施工效率較高，同時(shí)根據(jù)小回線發(fā)射電磁波的方向性特點(diǎn)，可以進(jìn)行多方位探測(cè)。一般認(rèn)為，線框平面的法線方向即為探測(cè)的目標(biāo)方向。因此，通過(guò)靈活調(diào)整線圈法線與巷道底板的夾角，可探測(cè)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(jìn)行豎直方向和傾斜方向探測(cè)時(shí)，線圈的放置方式如圖1所示。

圖1 礦井瞬變電磁法探測(cè)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(chǎng)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(cè)量系統(tǒng)[8]。高密度電阻率法觀測(cè)系統(tǒng)布置如圖2所示，具體測(cè)量方式如下：首先在設(shè)計(jì)測(cè)線上按固定點(diǎn)距x布置一系列電極，然后將電極通過(guò)電纜與主控采集站(主機(jī))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(cè)量電極)經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)連接到主機(jī)進(jìn)行觀測(cè)，并通過(guò)轉(zhuǎn)換開關(guān)改變裝置類型，依次完成該測(cè)點(diǎn)上各種裝置形式的視電阻率觀測(cè)；一個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)完畢，轉(zhuǎn)換開關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)接下一組電極，以同樣方式進(jìn)行下一測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)，直到某一電極間距的整條剖面觀測(cè)完為止；改變電極間距，重復(fù)以上觀測(cè)，直到所有不同電極間距的剖面觀測(cè)完為止[8-9]。

圖2 高密度電阻率法觀測(cè)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(zhǎng)1501.6m，傾向長(zhǎng)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(xì)砂巖，直接底為泥巖或砂質(zhì)泥巖，老底為砂質(zhì)泥巖、細(xì)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(chǔ)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(shí)存在突水危險(xiǎn)。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(cè)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(lái)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(huì)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(qiáng)，則電阻率愈低。這是本次綜合地球物理探測(cè)的物理基礎(chǔ)。

3.3 數(shù)據(jù)采集

在綜合地球物理探測(cè)具體施工時(shí)，需在工作面軌道順槽、膠帶順槽中同時(shí)布置礦井瞬變電磁法探測(cè)測(cè)線和高密度電阻率法探測(cè)測(cè)線，探測(cè)點(diǎn)距10m。考慮到工作面傾向長(zhǎng)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(cè)在工作面兩順槽均設(shè)計(jì)兩個(gè)探測(cè)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(cè)方式見(jiàn)圖1。采用加拿大產(chǎn)PROTEM-47礦井瞬變電磁儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，裝置形式選用偶極方式，發(fā)射框?yàn)?m×2m的矩形線框。高密度電阻率法采用E60C型全自動(dòng)電法儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，儀器采用方波供電，抗干擾能力強(qiáng)、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(guò)專門數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理、成圖之后，可以生成視電阻率斷面圖。資料解釋時(shí)，需結(jié)合兩種方法獲得的成果圖進(jìn)行綜合對(duì)比。圖3所示為膠帶順槽距切眼500～1200m樁號(hào)段綜合地球物理探測(cè)的視電阻率斷面圖。X軸為測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，Y軸為探測(cè)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(duì)大小，解釋中將視電阻率值在0～4Ω.m的區(qū)域定為A級(jí)異常區(qū)，視電阻率在4～8Ω.m的區(qū)域定為B級(jí)異常區(qū)。該樁號(hào)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(duì)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(cè)(圖3b)510～610m段為A級(jí)異常區(qū)，含水性相對(duì)最強(qiáng)，但是在上傾45°方向(圖3a)對(duì)應(yīng)區(qū)段無(wú)明顯低阻反映。對(duì)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(gè)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(jí)異常區(qū)，但是在圖3a中與之對(duì)應(yīng)段為含水性B級(jí)異常，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是在這個(gè)區(qū)段，底板也存在一個(gè)低阻異常帶(圖3c中3#)，因此，圖3b中該A級(jí)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(cè)成果

采用上述資料解釋方式，并結(jié)合水文地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，即可得到整個(gè)工作面水文地質(zhì)條件綜合物探結(jié)果。通過(guò)結(jié)合礦井瞬變電磁法和高密度電阻率法進(jìn)行綜合地球物理探測(cè)，在121101工作面共圈定頂板A級(jí)富水區(qū)5個(gè)、頂板B級(jí)富水區(qū)4個(gè)、底板富水區(qū)14個(gè)。探測(cè)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(qiáng)，并且工作面靠近軌道順槽一側(cè)底板巖層的含水性相對(duì)強(qiáng)于膠帶順槽一側(cè)。礦方針對(duì)綜合地球物理探測(cè)所圈定富水異常區(qū)布置鉆孔進(jìn)行放水，證實(shí)全部含水異常區(qū)都不同程度含水，共計(jì)放出水量9.4萬(wàn)m3，回采過(guò)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，從而充分證明了采用綜合地球物理方法探測(cè)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(cè)視電阻率剖面圖

4 結(jié)論

綜合運(yùn)用礦井瞬變電磁法和高密度電阻率法進(jìn)行礦井工作面水文地質(zhì)條件探測(cè)，既可以彌補(bǔ)全空間條件下礦井瞬變電磁法無(wú)法確定含水地質(zhì)異常體相對(duì)于發(fā)射框的具體位置的缺陷，又可以對(duì)兩種方法的探測(cè)結(jié)果相互驗(yàn)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(cè)資料解釋精度，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)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(duì)性地組織探放水，為工作面安全回采奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，該綜合地球物理探測(cè)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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