康　健,　傅知勇,　王洪波,　王偉明

(黑龍江科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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基于瞬變電磁法的采空區(qū)含水體分布探測

康健,傅知勇,王洪波,王偉明

(黑龍江科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

為探明采空區(qū)含水體層次結(jié)構(gòu)、展布范圍以及富水狀況,以黑龍江省雞東縣某礦為例,根據(jù)不同賦存狀態(tài)下巖層、煤層、采空區(qū)及其含水層電阻率的差異,采用PROTEM瞬變電磁儀進(jìn)行地面探測,分析采空區(qū)含水體的二次場變化情況,捕捉低阻異常體,進(jìn)而反演成像。結(jié)果表明:測區(qū)內(nèi)局部地段塌陷裂隙、斷層發(fā)育明顯;1、3號異常區(qū)為采空區(qū)含水體,2號異常區(qū)為斷層裂隙含水體。瞬變電磁法探測結(jié)果與現(xiàn)場鉆探結(jié)果一致。該方法為煤礦防治水工作、煤礦水害事故應(yīng)急救援及煤炭資源整合提供了可靠的技術(shù)支持。

瞬變電磁法; 采空區(qū); 含水體; 物探

礦井水害被稱之為煤礦“五大災(zāi)害”之一。礦井采空區(qū)含水體具有層次結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、展布范圍廣、富水性不均等特點(diǎn),若不能清楚地掌握采空區(qū)含水體的分布規(guī)律,則礦井的安全生產(chǎn)將時刻受到水害的威脅。為科學(xué)有效地對礦井突水等動力性災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警與防控,利用高精度的探測儀器對采空區(qū)含水體進(jìn)行探測十分必要[1-9]。

瞬變電磁法是一種地球物理勘探方法,屬時間域電磁測深法,又稱“純異常場法”,該方法通過階躍波形電磁脈沖激發(fā),利用不接地回線向地下發(fā)射一次場,在一次場的間歇期間,計(jì)算由地下介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)二次場隨時間變化情況,以達(dá)到尋找各種地質(zhì)目標(biāo)體的目的。該方法對低阻反映靈敏,對水敏感,其優(yōu)點(diǎn):一是觀測和研究的是二次場即純異常場,不存在一次場的干擾,更簡化,探測效果更明顯,原始數(shù)據(jù)的保真度更高;二是有穿透高阻覆蓋層的能力;三是采用同點(diǎn)組合(中心回線、重疊回線)進(jìn)行觀測,可以與探測目標(biāo)達(dá)到最佳耦合,取得的異常響應(yīng)強(qiáng),形態(tài)簡單,對高阻圍巖中的低阻反映敏感[10-13]。為探明采空區(qū)含水體分布情況,應(yīng)用該方法對雞東某礦進(jìn)行地面探測。

1　瞬變電磁法工作原理與工作方法

瞬變電磁法是利用發(fā)射回線向地下發(fā)射不同頻率的電磁脈沖,該脈沖沿產(chǎn)生變化的一次場下降并向周圍空間擴(kuò)散,該一次場進(jìn)入地下導(dǎo)電介質(zhì)時便產(chǎn)生隨時間變化的二次場,通過二次場的觀測和反演解釋便可以獲得地下介質(zhì)的電阻率值、電性分層、厚度變化、電性體埋深和產(chǎn)狀以及地下電性結(jié)構(gòu)等有關(guān)信息。這一過程在高阻巖層中瞬間建立和消失很快,而在良導(dǎo)地層中變得緩慢。研究瞬變電磁場隨時間的變化規(guī)律,可探測具有不同導(dǎo)電性的地層分布及其附存的較大的良導(dǎo)體。

瞬變電磁法工作裝置包括同點(diǎn)測量裝置和大定源測量裝置。此次探測采用大定源測量裝置,采集觀測框中心一定范圍內(nèi)數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,通過地下不同介質(zhì)中電阻率值的差異進(jìn)行解譯。

2　工程實(shí)例

2.1工程概況

黑龍江省雞西市雞東縣某礦,礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60萬t/a,現(xiàn)開采煤層為23#煤層,該礦采用雙斜井開拓,中央并列抽出式通風(fēng),主斜井進(jìn)風(fēng),副斜井回風(fēng)。采煤方法為走向長壁后退式采煤法。該礦煤層為無夾矸的單一煤層,煤層一般呈東西走向展布,勘探區(qū)地形為平地,井口高程為+221.9 m,現(xiàn)開采標(biāo)高為+66 m。

2.2工程設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理

2.2.1工程布置

測線垂直煤層走向布置,線距40 m,點(diǎn)距20 m。測線由西向東編號為2000E～3360E,點(diǎn)號按距離進(jìn)行編號。勘探區(qū)內(nèi)共設(shè)計(jì)16個線框,其中,580 m×320 m線框15個,420 m×320 m線框1個。測線35條,總長32 840 m,瞬變電磁坐標(biāo)點(diǎn)1 677個。瞬變電磁勘探工程布置如圖1所示,其中,實(shí)心框表示瞬變電磁勘探區(qū)域。

圖1　勘探工程布置

此次探測采用PROTEM57-MK2瞬變電磁儀,該儀器探測精度高,盲區(qū)小,抗干擾能力強(qiáng)。根據(jù)磁矩計(jì)算結(jié)果,采用大定源測量裝置。測量儀器為南方測繪儀器公司靈銳S86GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

2.2.2數(shù)據(jù)處理流程

采用BETEM軟件對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2　瞬變電磁數(shù)據(jù)處理流程

首先,將Geonics Gx7格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RED格式;然后,打開一個測區(qū)所有測線的DBR和BZR,計(jì)算所有測線的全程視電阻率,若發(fā)現(xiàn)因受各種噪音影響而發(fā)生畸變的數(shù)據(jù),要進(jìn)行畸變消除,再根據(jù)修改后的dBz/dT計(jì)算Bz,對所有測線進(jìn)行反演成像處理;最后,擬制二維剖面圖和三維剖面圖。

2.3結(jié)果分析

2.3.1電阻率二維圖像

圖3為不同測線視電阻率剖面圖。測區(qū)內(nèi)局部地段在地表發(fā)育明顯的塌陷裂隙,在視電阻率斷面圖上也出現(xiàn)明顯的低阻凹陷帶,且在視電阻率切片圖(圖4)上,表現(xiàn)為明顯的相對低阻閉圈。結(jié)合地質(zhì)資料推斷該地段為煤層采空范圍,或者為大部分采空。

圖3　不同測線視電阻率剖面

在不考慮局部異常的情況下,等值線出現(xiàn)明顯扭曲,表現(xiàn)為中間阻值低兩側(cè)阻值高,呈“凹”字形。受斷層影響附近次級構(gòu)造、裂隙較為發(fā)育,附近地層電阻值較低。斷層有明顯的瞬變電磁低阻異常反映,斷層附近低阻異常較為發(fā)育,在視電阻率剖面圖(圖4)上表現(xiàn)為漏斗狀低阻異常,斷層破碎帶有溝通含水層的可能,會造成礦井淹井事故,必須引起高度重視。

圖4　水平視電阻率切片

2.3.2電阻率三維圖像

由視電阻率不同高程水平切片圖(圖4)可見,勘探區(qū)內(nèi)共有三個低阻異常區(qū),分別位于勘探區(qū)的西北角、東北角和南部,異常區(qū)標(biāo)高分別在+70 ～-70 m、+70 ～-100 m、+70 ～-10 m,其空間分布見圖5。

圖5　異常區(qū)空間分布模型

結(jié)合現(xiàn)場工程實(shí)際和電阻率圖像分析,1號和3號異常區(qū)為采空區(qū)含水體,2號異常區(qū)為斷層裂隙含水體,具體描述如下:

(1)1號異常區(qū)

1號異常區(qū)位于勘探區(qū)的西北角,標(biāo)高在+70 m至-70 m。自+70 m標(biāo)高異常區(qū)開始顯現(xiàn),向深部區(qū)域逐漸擴(kuò)大,直到-10 m標(biāo)高時,異常區(qū)分布在2000E～2200E測線與點(diǎn)2020N～2100N合圍的區(qū)域;由2000E的2020N點(diǎn)測線向東異常區(qū)面積逐漸變大,至2160E時擴(kuò)大至2060N～2100N之間,直至2200E測線,擴(kuò)大到2020N～2100N之間的范圍;自-10 m標(biāo)高向深部,該異常區(qū)面積呈現(xiàn)減小的趨勢;至-70 m標(biāo)高時,該異常區(qū)縮小到2000E～2040E與點(diǎn)2060N～2100N圍成的區(qū)域。

(2)2號異常區(qū)

2號異常區(qū)位于勘探區(qū)的東北角位置,標(biāo)高在+70 m至-100 m。自+70 m標(biāo)高由測線3320E～3360E、點(diǎn)1980N～2040N合圍的區(qū)域向深部,異常區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大;至-10 m標(biāo)高時,異常區(qū)由+70 m的范圍擴(kuò)大到3280E～3360E測線與點(diǎn)1960N～2060N圍成的區(qū)域;從-10 m標(biāo)高向下,異常區(qū)面積呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢;至-100 m標(biāo)高時,異常區(qū)域縮小至3320E測線至東部勘探邊界、點(diǎn)2020N附近的區(qū)域。

(3)3號異常區(qū)

3號異常區(qū)位于勘探區(qū)南部,標(biāo)高在+70 m至-10 m之間。自+70 m標(biāo)高處開始顯現(xiàn),向深部區(qū)域逐漸增大;+70 m標(biāo)高時異常區(qū)分布在2560E～2760E測線與點(diǎn)1180N至南部勘探邊界所圍成的區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi)自2560測線向東,區(qū)域面積逐漸變大;至+30 m標(biāo)高時達(dá)到最大,西至2520E測線,東至探測邊界(2720E測線),北至1180N點(diǎn),南至探測邊界;至-10 m標(biāo)高時,該區(qū)域縮小為三處零星分布的異常區(qū),主要在2560E～2720E測線之間、點(diǎn)1160至南部探測邊界區(qū)域。

2.4現(xiàn)場驗(yàn)證

結(jié)合現(xiàn)場工程技術(shù)人員所掌握實(shí)際采掘工程圖(圖6)進(jìn)行比對驗(yàn)證,1號異常區(qū)與該礦已知采空區(qū)積水情況完全吻合,2號異常區(qū)與該礦已知斷層裂隙含水區(qū)完全吻合,3號異常區(qū)由于是歷史上小煤礦開采而造成的,原始地質(zhì)資料缺失無法考證。瞬變電磁法的探測結(jié)果與鉆探結(jié)果一致,驗(yàn)證了該方法的有效性。

圖6　采掘工程

3　結(jié)束語

以黑龍江省雞東縣某礦為例,根據(jù)煤巖體在磁性上存在的規(guī)律性及地下不同介質(zhì)中電阻率的差異,采用瞬變電磁法探測采空區(qū)含水體層次結(jié)構(gòu)、展布范圍。結(jié)果顯示,該礦局部地段存在采空區(qū)含水體和斷層裂隙含水體,其區(qū)域范圍與場鉆探結(jié)果一致。瞬變電磁法勘測可準(zhǔn)確確定地下采空區(qū)及積水區(qū)分布狀態(tài),為煤礦防治水工作和煤礦水害事故應(yīng)急救援等提供了技術(shù)保障。

[1]孔德山, 程久龍, 朱若軍, 等. 利用礦井瞬變電磁法探測工作面頂板巖層含水性的研究[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保, 2010, 37(3): 31-33.

[2]劉益永, 董哲. 應(yīng)用電法確定煤礦采空區(qū)積水[J]. 吉林地質(zhì), 2012, 31(1): 93-97.

[3]梁爽. 瞬變電磁法在煤礦水害防治中的應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探, 2012, 40(3): 70-73.

[4]于景邨, 劉志新, 湯金云, 等. 用瞬變電磁法探查綜放工作面頂板水體的研究[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2007, 36(4): 542-546.

[5]王粵, 龔育齡. 瞬變電磁法在探測煤礦采空積水區(qū)中的應(yīng)用[J]. 工程地球物理學(xué)報, 2012, 9(1): 71-74.

[6]隋旺華, 董青紅, 狄乾生, 等. 工程地質(zhì)模型在防水煤巖柱研究中的應(yīng)用[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報, 1999, 28(5): 6-9.

[7]孫?？? 徐新啟, 馬光軍. 基巖與第四系底界黏土共同作為防水煤柱提高開采上限的研究與實(shí)踐[J]. 山東煤炭科技, 2003(1): 48-49.

[8]江平晉. 論煤礦采空區(qū)積水的綜合利用[J]. 科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì), 2005, 15(2): 282-283.

[9]劉天泉. “三下一上”采煤技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 1995, 23(1): 5-7.

[10]張勇. 空洞探測技術(shù)在新疆煤田滅火安全施工中的應(yīng)用[J]. 中國西部科技, 2010, 9(17): 14-16.

[11]安慶. 淺談礦井水的防治與合理利用[J]. 西部探礦工程, 2003, 15(4): 85-86.

[12]鄭鵬. 基于相對隸屬度的采空區(qū)安全評價方法研究[D]. 長沙： 中南大學(xué), 2009: 16-19.

[13]劉耀紅. 物探技術(shù)在煤礦水害防治中的綜合應(yīng)用[J]. 科技信息, 2012(3): 97.

(編輯荀海鑫)

Detection of goaf water-contained distribution based on transient electromagnetic method

KANGJian,FUZhiyong,WANGHongbo,WANGWeiming

(School of Resources & Environmental Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

Aimed at identifying goaf water-contained hierarchical structure, distribution range and water-bearing situation, this paper draws on the difference of rock, coal, goaf and aquifer resistivity in different occurrence, as is evident in a mine of Jidong Country in Heilongjiang Province and introduces the efforts to achieve ground detection using transient electromagnetic instrument, analyze the change of goaf water-contained secondary filed, catch low resistance abnormal body and thus inverse imaging . The results reveal the occurrence of well-developed fissures and faults in local detection zone, the presence of water-contained goaf in No.1 and No.3 anomalies, and the presence of water-contained fissure and in No.2 anomaly area. The transient electromagnetic method detection produces results consistent with those from field drilling and promises a reliable technology in mine water control, mine flooding accident emergency rescue and coal resources integration.

transient electromagnetic method; goaf; water-contained; geophysical prospecting

2012-12-10

黑龍江省普通高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干支持計(jì)劃項(xiàng)目(1154G17)

康健(1973-)，男，蒙古族，內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰人，副教授，博士，研究方向：礦井水害防治，E-mail:kangjian94@126.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.03.011

TD322

1671-0118(2013)03-0263-05

A