鐘聲

(山東泰山地質(zhì)勘查公司，山東 泰安　271000)

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技術(shù)方法

地面與井下瞬變電磁法聯(lián)合探測煤礦富水區(qū)域

鐘聲

(山東泰山地質(zhì)勘查公司，山東 泰安271000)

煤層附近的富水區(qū)嚴(yán)重威脅著煤礦的生產(chǎn)安全，在1171工作面巷道采掘過程中，前方出水量明顯增大，為避免水害發(fā)生，整個工作面開展瞬變電磁測量工作。對比地面與井下瞬變電磁結(jié)果，兩者對于富水區(qū)域結(jié)果是相同，聯(lián)合探測降低了物探資料多解性問題，大大提高了勘探精度，為煤礦防治水構(gòu)造提高了可靠的水文地質(zhì)資料。

瞬變電磁法；富水性；煤礦水害；防治水；井下

引文格式：鐘聲.地面與井下瞬變電磁法聯(lián)合探測煤礦富水區(qū)域[J].山東國土資源，2016,32(7)：71-74.ZHONG Sheng. Exploration of Water-rich Region in Ground and Underground Coal Mine by Using Transient Electromagnetic Method[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(7)：71-74.

1　概況

魚卡煤田位于柴達木盆地北緣，介于南側(cè)的綠梁山與北側(cè)的達肯大坂山隆起之間，為一呈NW向展布的狹長盆地，屬柴達木準(zhǔn)地臺柴北緣殘山斷褶帶的一部分。魚卡煤田尕秀區(qū)段為陸相山前拗陷盆地型，以煤層厚度巨大，可采儲量集中為特點。

礦1171工作面所采煤層為石門溝組中下段和大煤溝組7層煤。其中煤5位于石門溝組下部，可采厚度0.83～1.70m，平均1.30m，局部可采，夾矸0～2層，夾矸為炭質(zhì)泥巖或泥巖，煤層頂板為粗砂巖，底板為粉砂巖；煤6位于大煤溝組上部，可采厚度1.31～9.10m，平均6.27m，局部可采，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾矸1～6層，夾矸大部為炭質(zhì)泥巖，偶為泥巖，頂板為含礫粗砂巖，底板為細(xì)砂巖；煤7位于大煤溝組底部，可采厚度4.80～105.83m，平均19.34m，全區(qū)可采，夾矸多層，煤層分層不易對比，具有多向分岔的特點，該煤層屬穩(wěn)定煤層，但厚度變化較大，煤層頂板為細(xì)砂巖、粗砂巖，底板為含礫砂巖。

7煤層為該次工作的主要研究對象。巷道采掘至該次物探工作迎頭位置時，前方出水量明顯增大，為避免水災(zāi)水害事故發(fā)生，保證工作面安全回采，應(yīng)對礦區(qū)進行賦水性探測研究，圈定富水區(qū)域，指導(dǎo)下一步探放水工程，降低水害發(fā)生的可能性。

2　水文地質(zhì)情況

青海省大柴旦魚卡煤田1171工作面水的主要來源是該煤層頂、底板含水層的承壓裂隙水。煤7頂板含水層在井田內(nèi)廣泛分布，煤7頂板巖性以粗粒砂巖、含礫巖砂巖為主。裂隙節(jié)理發(fā)育，成分以石英為主，粗砂巖分選中等，遇水疏松。該層平均厚度50m，厚度由西向東變薄，鉆孔抽水統(tǒng)計結(jié)果，單位涌水量為0.017L/sm，滲透系數(shù)(k)為0.024m/d，水位標(biāo)高3157.42m，高山含水層6.37m，該含水層屬承壓裂隙含水層，水質(zhì)為CI+SO4-Na型水。

基巖裂隙巖類煤5頂板含水層和煤7頂板含水層之間有泥巖等隔水層相隔，隔水性較好，基本上不會發(fā)生水力聯(lián)系。

3　地面與井下聯(lián)合勘探

3.1勘探方法

瞬變電磁法具有勘探深度大、抗干擾能力強、分辨力高、施工效率高等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查及水文、工程勘察等領(lǐng)域[1-13]。井下瞬變電磁勘探時富水區(qū)段顯示電性低阻，可以預(yù)測突水風(fēng)險。工作面回采前，分別對工作面上、下巷進行了瞬變電磁垂探和內(nèi)側(cè)俯探。

3.2試驗

為了取得較好的勘探效果，在正式探測前進行了多次實驗來確定儀器設(shè)備的參數(shù)設(shè)置?，F(xiàn)場測試試驗地點選在該露天礦某一已揭露鉆孔實驗，經(jīng)測試確定了較合理的施工參數(shù)。具體內(nèi)容如下:

(1)發(fā)射邊框大?。?煤層在大約150～200m，考慮到地形和施工效率因素，選用了240m×240m，發(fā)射邊框比較適合該區(qū)，各邊框衰減曲線光滑連續(xù)。

(2)發(fā)射頻率：25Hz的衰減曲線形態(tài)較好，外部的強烈干擾而尾部道干擾較小。

(3)發(fā)射電流：電流為11A時，衰減曲線尾部相對較為平滑，能夠有效地壓制背景干擾噪聲，提高探測分辨率。

(4)其他參數(shù)：增益為1，其他參數(shù)隨頻率變化由儀器內(nèi)部設(shè)置自動調(diào)節(jié)變化。

3.3地面瞬變電磁

對地面數(shù)據(jù)進行處理、分析，形成了各測線的綜合視電阻率斷面圖，利用軟件BETEM進行反演，得到視電阻率-深度數(shù)據(jù)，并抽取7煤層上10m、7煤層附近、7煤層下25m視電阻率順層切片平面組合圖，如圖1所示。

圖1　7煤層上10m、7煤層、7煤層下20m視電阻率順層切片平面組合圖

圖2　L2260線瞬變電磁法視電阻率斷面圖

根據(jù)視電阻率等值線的梯度變化、范圍、各測線的低阻異常的分布、在平面上的連通情況，并結(jié)合已知資料(在L1000～L1960線預(yù)計存在兩塊積水區(qū)域以及塌陷范圍)，該范圍內(nèi)的褶皺比較發(fā)育，圈定了7煤層附近的富水區(qū)，該區(qū)域視電阻率整體均小于15Ω·m，長約1100m，寬50～250m，面積約為98327m2。在L1500～L1700段，視電阻率等值線梯度變化較大，推斷該位置裂隙發(fā)育，含水性較強。

在7煤層上10m斷面圖，圈出兩塊視電阻率小于10Ω·m的區(qū)域，分別標(biāo)記為T1，T2，面積約為15000m2，其中T2為強富水區(qū)；在7煤層附近位置斷面圖，圈出存在3塊視電阻率小于10Ω·m的區(qū)域，分別標(biāo)記為W1，W2，W3，總面積98300m2，其中W3富水區(qū)的視電阻率值最低，應(yīng)該引起高度重視；在7煤層下25m斷面圖，圈出2塊視電阻率小于10Ω·m的區(qū)域，分別標(biāo)記為Y1，Y2，面積約為60000m2，兩處皆為強富水區(qū)。

W1與T1富水區(qū)平面位置相對應(yīng)，T1較W1面積更大，富水更強，在煤層底板相應(yīng)位置富水面積變小，結(jié)合地質(zhì)資料可知該范圍內(nèi)褶皺發(fā)育，張裂隙發(fā)育充水。W2，W3兩處富水區(qū)在煤層頂板時合并為T2一個大的富水區(qū)，在面積與富水強度上都有所增加，在煤層底板處分成Y1，Y2兩個小的富水區(qū)，富水強度有所減小，結(jié)合地質(zhì)資料可知，此范圍內(nèi)的褶皺發(fā)育，裂隙發(fā)育充水。目前巷道出水來源主要是頂板砂巖，采空區(qū)積水通過導(dǎo)水裂隙也進行一定的水源補充，隨著巷道向前掘進，頂板砂巖裂隙出水量會增加。

圖2為圖1右側(cè)斷層，對測線L2260線進行分析，等值線形態(tài)變化紊亂，高低阻相間分布；在測線中部存在一條U字形梯度變化帶，電阻率值相對較低，數(shù)值在25～50Ω·m之間，視電阻率等值線梯度變化大。結(jié)合已知資料，該位置為已知逆斷層F4的反映，該逆斷層下部含水，導(dǎo)水性相對較好。

3.4井下瞬變電磁

在井下開展了2個不同平面的超前探測，2個探測平面相互垂直，其中一個平面是沿巷道掘進方向，該平面和巷道底板平行；另一平面是沿巷道軸線豎向平面，即探測平面和巷道底板垂直。

圖3、圖4為在1171綜放工作面迎頭兩個不同方位探測所繪制的的視電阻率斷面圖。從水平斷面圖可以看出：0～30m范圍為受環(huán)境干擾的工作盲區(qū)，在40～80m范圍內(nèi)的巷道左存在相對低阻條帶，為頂板砂巖，裂隙發(fā)育，富水性強；在巷道右側(cè)的電阻率等值線梯度變化帶，電阻率值較大，富水性較差，為煤層及底板。

圖3　迎頭超前探(水平方向)

圖4　迎頭超前探(垂直方向)

從垂向上探測斷面圖來看，在0～30m范圍內(nèi)的高阻異常為受環(huán)境干擾的工作盲區(qū)；擬掘巷道上部以及前方40～80m位置，即黑色虛線圈畫區(qū)域，推斷為頂板砂巖含水區(qū)和頂板含水區(qū)。在前方100～120m范圍內(nèi)受現(xiàn)場干擾因素的影響，數(shù)據(jù)可靠性較差。因此，在掘進過程中，應(yīng)密切注視掘進時的異常情況，做好探放水工作，保障礦井安全生產(chǎn)。

探測有效范圍內(nèi)，在掘進巷道正前方40～80m，上方10～80m，頂板砂巖裂隙發(fā)育，含水性強，存在一定的靜儲量，富水性強。

4　井上與井下瞬變電磁對比

圖5為井下瞬變電磁L1線側(cè)幫視電阻率的成果圖。在距離側(cè)幫40～60m位置，存在橫向上的2個相對低電阻率條帶分別命名為富水體1和富水體2，推斷該位置相對富水。圖6為在L1頂板探測的成果圖。在距離側(cè)幫30～100m位置，存在低電阻率閉合圈異常或低阻條帶異常，推斷該低電阻率位置相對富水。在圖6中用3條虛線進行畫出，結(jié)合地質(zhì)資料可知，前兩條斜虛線所在位置為褶皺發(fā)育位置，構(gòu)造裂隙發(fā)育充水所致；水平虛線位置為兩個向斜構(gòu)造的平穩(wěn)過渡地段，地層穩(wěn)定，連續(xù)性較好，是頂板含水層。

圖5　L1側(cè)幫視電阻率

圖6　L1頂板視電阻率

圖7、圖8分別為富水體1，2在地面瞬變電磁法探測結(jié)果。結(jié)合地質(zhì)資料可知，富水體1所處的位置為背斜構(gòu)造的兩翼，是良好的儲水構(gòu)造，富水體2所處位置褶皺發(fā)育，距離南側(cè)圈畫的頂板富水區(qū)邊界很近，推斷為右?guī)蜕皫r含水，與地面物探成果相吻合。

圖7　L1040線視電阻率斷面圖

圖8　L1220線視電阻率斷面圖

5　結(jié)論

利用地面與井下瞬變電磁資料相結(jié)合的技術(shù)，可在地面瞬變電磁斷面圖中清晰分辨逆斷層F4，且逆斷層下部含水，導(dǎo)水性相對較好。探測有效范圍內(nèi)，在掘進巷道正前方40～80m，上方10～80m，頂板砂巖裂隙發(fā)育，含水性強，存在一定的靜儲量，富水性強，隨著掘進在達到T2中心部位(視電阻率阻值最低部位)頂板出水量有變大趨勢。探測結(jié)果與已知資料吻合，對7煤層附近及頂?shù)装甯凰蕴綔y結(jié)果較好，為提高煤礦防治水構(gòu)造提供了可靠的水文地質(zhì)資料。

[1]范亮,錢榮毅.瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)的應(yīng)用研究[J].工程地球物理學(xué)報,2011,8(1):29-33.

[2]劉樹才,劉志新,姜志海.瞬變電磁法在煤礦采區(qū)水文勘查中的應(yīng)用[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,34(4):414-417.

[3]李貅,郭文波,李毓茂.瞬變電磁法在煤田礦井涌水通道勘查中的應(yīng)用[J].西安工程學(xué)院學(xué)報,2000,22(3):35-38.

[4]韓自豪,魏文博,牛立軍，等.瞬變電磁資料砂巖賦水性定量解釋[J].山東科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2007,(3):5-7.

[5]閻述,傅君眉,李正斌，等.瞬變電磁法探測地下洞體的有效性[J]．煤田地質(zhì)與勘探,1999,27(2):64-68.

[6]孔祥貴,楊衛(wèi)亮,張偉強.瞬變電磁法在查明斷層陷落柱含導(dǎo)水性中的應(yīng)用[J].山東國土資源,2014,30(3):82-85.

[7]姜志海,岳建華,劉志新.礦井瞬變電磁法在老窯水超前探測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報,2007,4(4):291-294.

[8]于景邨,劉振慶,廖俊杰，等.全空間瞬變電磁法在煤礦防治水中的應(yīng)用[J]．煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(9):110-113．

[9]劉衍高.礦井瞬變電磁法探測底板導(dǎo)(含)水構(gòu)造[J].煤礦開采,2008,13(4):88-90.

[10]馮兵,孟小紅,張斌，等.TEM框內(nèi)回線裝置發(fā)射框邊界影響及消除方法[J].煤田地質(zhì)與勘探,2010,38(5):61-66.

[11]梁爽,李志民.瞬變電磁法在陽泉二礦探測積水采空區(qū)效果分析[J].煤田地質(zhì)與勘探,2003,31(4):49-51.

[12]李云波,李好.礦井瞬變電磁法富水體超前探測原理及應(yīng)用研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2013,40(2):69-72．

[13]基于FLAC3D數(shù)值模擬的老采空區(qū)剩余沉降量分析計算[J].山東國土資源,2015,31(7):56-59.

Exploration of Water-rich Region in Ground and Underground Coal Mine by Using Transient Electromagnetic Method

ZHONG Sheng

(Shandong Taishan Geologic Survey Company Shandong Tai’an 271000)

Watery zones adjacent to coal seams are seriously imperiling coalmine’s safety in production. In 1171 roadway of mining process, in front of a content was significantly increased, in order to avoid the water disaster, the whole working face to carry out transient electromagnetic measurement work. The results of the ground and underground transient electromagnetic field are the same, and the results are the same for the rich water area. The combined detection reduces the problem of multi solution of geophysical prospecting data. It can greatly improve the exploration precision. It can improve the reliability of the coal mine prevention and control.

TEM; rich aqueous;water hazards in coal mine; prevention and cont rol of water; underground

2015-08-05；

2015-09-21；編輯：曹麗麗

鐘聲(1969—)，男，高級工程師，山東棲霞人，主要從事研究領(lǐng)域為電磁法勘探；E-mail：zhongsheng827@163.com

TD741；P631.325

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