吳超凡邱占林陳 棟

(1.龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院,福建省龍巖市,364012; 2.龍巖學(xué)院礦井水害防治研究所,福建省龍巖市,364012)

基于礦井瞬變電磁法探測巖層裂隙富水性研究

吳超凡1,2邱占林1,2陳 棟1,2

(1.龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院,福建省龍巖市,364012; 2.龍巖學(xué)院礦井水害防治研究所,福建省龍巖市,364012)

為了查明武平縣某礦巖層裂隙富水性,采用多通道改進(jìn)小線框礦井瞬變電磁法探測技術(shù)對(duì)該礦＋350巷道側(cè)幫100 m、頂板50 m范圍內(nèi)巖層進(jìn)行3條測線實(shí)際探測。該方法能夠提高巷道周圍含水異常探測的準(zhǔn)確率,有助于增強(qiáng)其對(duì)含水體的敏感響應(yīng),并對(duì)研究巷道全空間渦流電場的分布特征規(guī)律均有重要意義。

礦井瞬變電磁法 裂隙水 富水性 小線框

近年來,礦井水害已位列福建省各類礦山地質(zhì)災(zāi)害的首位,對(duì)安全采掘構(gòu)成極大的威脅。而福建省礦井水害類型主要包括棲霞灰?guī)r巖溶水、老窯積水、斷層導(dǎo)水、裂隙水、雨季地表水水害等,從水害發(fā)生空間一般可劃分為頂板水害、底板水害、老空水水害、斷層及陷落柱水害、封閉不良鉆孔水害等。武平縣某礦位于福建省武平縣大禾鄉(xiāng)帽布村北,巖層裂隙發(fā)育,裂隙富水性強(qiáng),存在突、涌水的可能,對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。

目前,礦井水害探測方法較多,地質(zhì)推斷作為一種最基礎(chǔ)的分析方法,主要利用水文地質(zhì)等基礎(chǔ)地質(zhì)資料進(jìn)行綜合判別,往往存在因資料不足或人為因素造成誤差;水文地球化學(xué)分析是礦井水害防治的一種快速、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、有效手段,尤其在礦井突水水源判斷方面地質(zhì)效果明顯,但在尋找不同含水層標(biāo)準(zhǔn)組分過程中存在較大難度;鉆探的直接有效性、直觀性使其成為最常用的地面或井下的探測手段,但存在“一孔之見”,不能反映較大范圍內(nèi)的水文地質(zhì)情況,且費(fèi)時(shí)費(fèi)力,成本投入較大;而瞬變電磁法作為礦井水害主要的探測手段,越來越多地得到應(yīng)用,而適合福建復(fù)雜地質(zhì)條件的礦井瞬變電磁法(MTEM)探測技術(shù)也得到長足發(fā)展,并應(yīng)用于各種礦井水害探測中,且技術(shù)日臻成熟,地質(zhì)效果良好。相應(yīng)的儀器裝備也不斷得到改進(jìn),已由單通道發(fā)展為全方位的多通道,與傳統(tǒng)礦井瞬變電磁技術(shù)相比,多通道MTEM具有采集數(shù)據(jù)量更大、質(zhì)量更高、體積效應(yīng)影響更小和勘探分辨率更高等優(yōu)點(diǎn)。

因此,查清礦區(qū)巖體裂隙富水性,為礦井防治水工作提供可靠技術(shù)資料,為探放水設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)及確保該礦采掘活動(dòng)安全實(shí)施就顯得至關(guān)重要。為此,在該礦采用改進(jìn)的1.5 m×1.5 m多匝小線框裝置的本安型YCS360礦用多通道瞬變電磁儀查明＋350采掘巷道側(cè)幫100 m、頂板50 m范圍內(nèi)巖層視電阻率異常,以此判斷掘進(jìn)巷道工作面內(nèi)的巖體裂隙賦含水情況,為回采工作面防治水工作提供有效的水文地質(zhì)技術(shù)參數(shù)。

1 瞬變電磁法探測基本原理及地球物理響應(yīng)特征

1.1 瞬變電磁法探測原理

礦井瞬變電磁法的基本探測原理是在通以一定脈沖波形電流的發(fā)射線圈周圍空間會(huì)產(chǎn)生向下的一次場,在其激勵(lì)下,地下導(dǎo)電地質(zhì)體可產(chǎn)生渦旋感應(yīng)電流,斷電后不會(huì)馬上消失,所產(chǎn)生二次場感應(yīng)電流由于熱損耗等原因而隨時(shí)間逐漸衰減,衰減過程一般分為早、中、晚三個(gè)時(shí)期。早期電磁場頻率域中的高頻成分衰減快,趨膚深度小;中期次之;而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分,衰減慢,趨膚深度大。基于測試斷電后不同時(shí)間的二次場隨時(shí)間的變化規(guī)律,方可得到不同深度的地電場特征,據(jù)此可判斷異常地質(zhì)體的賦存位置、形態(tài)和電磁性特征。MTEM一次場和二次場波形分析見圖1,該圖較好地反映了瞬變電磁場響應(yīng)機(jī)理。

由于多通道MTEM探測是在井下巷道內(nèi)實(shí)施的,其MTEM裝置接收線圈中的感應(yīng)電位為井下巷道全空間范圍內(nèi)的有效探測數(shù)據(jù),是所有圍巖導(dǎo)電性的綜合響應(yīng),其視電阻率計(jì)算公式為:

式中:C——全空間響應(yīng)系數(shù);

S——接收回線線圈面積,m2;

N——發(fā)射線圈匝數(shù),匝;

V——感應(yīng)電位,V;

I——供電電流強(qiáng)度,A;

V/I——?dú)w一化二次場電位值,V/A;

t——二次場衰減時(shí)間,ms;

μ0——介質(zhì)在真空中的磁導(dǎo)率,一般取值4π×10－7H/m。

圖1 MTEM一次場和二次場波形分析

1.2 巖層裂隙富水性的地球物理響應(yīng)特征

瞬變電磁在礦井探水、探測構(gòu)造中的解釋原則是以分析不同地層電性分布規(guī)律異同為基礎(chǔ)。若存在巖層裂隙等不良地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,無論其是否含水,均將打破地層電性在橫、縱向上的變化特征和規(guī)律,引發(fā)巖石導(dǎo)電性的變化。一般而言,當(dāng)發(fā)育構(gòu)造裂隙帶時(shí),若裂隙帶內(nèi)不含水,則其導(dǎo)電性較差,局部電阻率值增高;若裂隙帶內(nèi)含水,因其導(dǎo)電性好,相當(dāng)于存在局部低阻體,可以解釋為相對(duì)賦水。

本次瞬變電磁試驗(yàn)在該礦井的采掘巷道中進(jìn)行,工作面水文地質(zhì)條件較復(fù)雜,影響掘進(jìn)巷道的主要充水水源為頂板裂隙含水。通過MTEM可觀測到電性不均勻體中的渦流變化情況,進(jìn)而查明巖層裂隙或頂?shù)装宓膶?dǎo)水、富水性,就可圈定采空區(qū)范圍并勘查其積、含水情況。

2 現(xiàn)場測點(diǎn)布置

本次探測試驗(yàn)采用本安型YCS360礦用多通道瞬變電磁儀,使用改進(jìn)的小線框裝置(邊長1.5 m×1.5 m),共采集3條測線數(shù)據(jù):其中1＃測線布置6個(gè)測點(diǎn),從迎頭開始以0.2 m間距沿側(cè)幫順層方向采集數(shù)據(jù),其觀測系統(tǒng)如圖2所示;2＃測線布置12個(gè)測點(diǎn),從＋350巷道開口向里4 m開始采集數(shù)據(jù),測點(diǎn)間距為3 m,探測方向?yàn)轫敯?0°和順層方向,如圖3(a)和3(c)所示; 3＃測線布置5個(gè)測點(diǎn),從＋350巷道西開口向里5 m開始采集數(shù)據(jù),測點(diǎn)間距為3 m,探測方向?yàn)轫敯?0°和順層方向,如圖3(b)、3(c)所示。

圖2 1＃測線觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

圖3 2＃、3＃測線觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

3 數(shù)據(jù)處理及成果解釋

3.1 成果解釋

本次探測所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)室內(nèi)回放、數(shù)據(jù)的預(yù)處理(轉(zhuǎn)化、拆分)、曲線剖面分析、濾波處理、視電阻率計(jì)算、維正反演、ρ－h(huán)剖面繪制等過程處理后,經(jīng)視電阻率計(jì)算與深度轉(zhuǎn)換,選用克里格法對(duì)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化,對(duì)扇形數(shù)據(jù)體一般采用自然零點(diǎn)法進(jìn)行等值線成圖,可得到較為直觀的MTEM視電阻率擬斷面圖,綜合礦區(qū)已有的相關(guān)基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)資料,可確定橫向、縱向和水平、垂向深度電性變化情況,進(jìn)而得到該礦＋350巷道瞬變電磁法探測成果圖(視電阻率剖面):1＃測線順層探測視電阻率圖見圖4;2＃測線順層、2＃測線頂板30°探測視電阻率圖見圖5;3＃測線順層、3＃測線頂板30°探測視電阻率圖見圖6。下圖中橫坐標(biāo)為測點(diǎn)坐標(biāo),縱坐標(biāo)為沿探測方向距離。

由圖4可知,1＃測線順層方向探測區(qū)域內(nèi)視電阻率值相對(duì)較高,右側(cè)附近有一面積約為36 m2的相對(duì)低阻區(qū)域C1－YC1(坐標(biāo)系中為X＝0.8～1.2 m,Y＝0～100 m),初步分析為低阻異常區(qū),因右側(cè)巷道含裂隙水影響所致,或采空區(qū)附近前期因采動(dòng)效應(yīng)誘發(fā)的應(yīng)力場改變而導(dǎo)致出現(xiàn)的離層,并經(jīng)后期裂隙水滲透充滿所致。

圖4 1＃測線順層探測視電阻率圖

由圖5(a)可知,2＃測線順層方向探測區(qū)域視電阻率值相對(duì)較高,探測正前方有一面積約為201.5 m2的相對(duì)低阻區(qū)域C2－YC1和C2－YC2 (坐標(biāo)系中為X＝0～6 m,Y＝75～100 m;X＝24～33 m,Y＝70～100 m),分析為采空區(qū)下方裂隙帶導(dǎo)水影響所致;由圖5(b)可知,2＃測線頂板30°探測區(qū)域視電阻率值相對(duì)較高,探測正前方有一面積約為500 m2的相對(duì)低阻區(qū)域C2－YC1、C2－YC2和C2－YC3(坐標(biāo)系中為X＝0～6 m,Y＝80～100 m;X＝21～33 m,Y＝70～100 m;X＝12～15 m,Y＝50～80 m),分析為采空區(qū)下方裂隙帶導(dǎo)水或采空區(qū)積水影響所致。

圖5 2＃測線探測視電阻率圖

圖6 3＃測線探測視電阻率圖

由圖6(a)顯示,3＃測線順層方向探測區(qū)域視電阻率值相對(duì)較高,沿探測方向前方有一面積約為190.5 m2的相對(duì)低阻區(qū)域C3－YC1(坐標(biāo)系中為X＝0～12 m,Y＝70～100 m),分析為采空區(qū)下方裂隙帶導(dǎo)水影響所致;由圖6(b)所示,3＃測線頂板30°方向探測區(qū)域視電阻率值相對(duì)較高,沿探測方向前方有一面積約為196 m2的相對(duì)低阻區(qū)域C3－YC2和C3－YC3(坐標(biāo)系中為X＝0～4 m,Y＝75～100 m;X＝7～12 m,Y＝60～100 m),分析為采空區(qū)下方裂隙帶導(dǎo)水或采空區(qū)積水影響所致。

3.2 后期跟蹤驗(yàn)證

礦方根據(jù)探測結(jié)果進(jìn)行跟蹤驗(yàn)證,先沿順層向前掘進(jìn)70 m后對(duì)物探低阻異常區(qū)進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)X＝1～4 m范圍內(nèi)存在水體,涌水量較小,但往前再掘進(jìn)2 m處,涌水量明顯增大。同時(shí),發(fā)現(xiàn)該處頂板淋水,礦方對(duì)頂板30°方向進(jìn)行工程鉆探,發(fā)現(xiàn)水量較大。據(jù)物探視電阻率成果圖,再向前跟蹤3～8 m,實(shí)施第二次探測,發(fā)現(xiàn)順層和頂板30°方向涌水量繼續(xù)增大,與物探結(jié)果基本吻合。至此礦方停止探測,采取工程措施進(jìn)行放水處理。

4 結(jié)論與建議

(1)通過分析驗(yàn)證,在巷道側(cè)幫100 m范圍內(nèi),巷道在采掘過程中頂板可能出現(xiàn)局部滴、淋水現(xiàn)象,1＃測線視電阻率低阻異常區(qū)主要受巷道右?guī)土严端绊?在2＃、3＃測線頂板低阻異常區(qū)范圍內(nèi),在排除為采空區(qū)積水引起的低阻異常情況下可解釋為存在局部富水巖體裂隙發(fā)育或巖性變化。

(2)多匝改進(jìn)小線框裝置MTEM技術(shù)具有較高的橫向異常分辨能力、較強(qiáng)的適應(yīng)能力、較大的數(shù)據(jù)采集能力,勘探體積小、成本低、效率高、方便觀測等優(yōu)點(diǎn)。但還存在反演的視電阻率及視深度偏小,由瞬態(tài)現(xiàn)象引起的異?；儾幻黠@等問題,需要在后續(xù)反演中得到進(jìn)一步改進(jìn),如增加修正系數(shù)等來調(diào)整視電阻率和視深度計(jì)算值等。

(3)在探測實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)重疊回線裝置方法技術(shù)探測深度較傳統(tǒng)理論深度大得多,但在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)時(shí),一定要有數(shù)據(jù)采集記錄,記錄每個(gè)物理測點(diǎn)的背景情況,特別是對(duì)具有干擾因素的物理測點(diǎn)一定要注明干擾的類型,以便在數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行校正,這樣得出的結(jié)果就更接近真實(shí)的地質(zhì)信息,解釋結(jié)果更為合理、準(zhǔn)確。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

《能源行業(yè)信用體系建設(shè)實(shí)施意見(2016－2020年)》印發(fā)

國家能源局印發(fā)《能源行業(yè)信用體系建設(shè)實(shí)施意見(2016－2020年)》(以下簡稱《意見》),以加快推進(jìn)能源行業(yè)信用體系建設(shè)。

能源行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ),是國家的重要經(jīng)濟(jì)命脈,也是社會(huì)信用體系建設(shè)的重要領(lǐng)域。能源行業(yè)信用體系建設(shè)一直缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和部署,相關(guān)工作任務(wù)不明晰,進(jìn)度安排和職責(zé)分工也不明確,導(dǎo)致能源行業(yè)信用體系建設(shè)推進(jìn)速度較慢。

近年來,能源行業(yè)信用體系建設(shè)逐步開展,對(duì)違規(guī)失信行為展開治理,整治和規(guī)范市場秩序,加強(qiáng)行業(yè)自律。為加快能源行業(yè)信用體系的建設(shè)進(jìn)程,營造更為規(guī)范、健全的信用環(huán)境,國家能源局根據(jù)相關(guān)規(guī)定,研究出臺(tái)了這一文件,以營造良好行業(yè)信用環(huán)境,促進(jìn)市場主體依法誠信經(jīng)營。

安全生產(chǎn)領(lǐng)域、工程建設(shè)領(lǐng)域、節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域、交易領(lǐng)域、統(tǒng)計(jì)領(lǐng)域、企業(yè)管理領(lǐng)域既是《社會(huì)信用體系建設(shè)規(guī)劃綱要(2014－2020年)》提出的社會(huì)信用體系建設(shè)的重點(diǎn)領(lǐng)域,也是能源行業(yè)失信問題較多、亟須加強(qiáng)信用建設(shè)的領(lǐng)域。

因此,《意見》將這6個(gè)領(lǐng)域劃為開展能源行業(yè)信用體系建設(shè)工作的重點(diǎn)領(lǐng)域,并通過加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo)、強(qiáng)化責(zé)任落實(shí)、加大人才和資金支持等保障措施,為能源行業(yè)信用體系建設(shè)提供有力的組織保障和人才資金支撐,促進(jìn)能源行業(yè)健康、有序發(fā)展。

為滿足我國現(xiàn)有能源行業(yè)市場主體對(duì)信用評(píng)價(jià)的需求以及行業(yè)監(jiān)管的需要,《意見》提出,完善信用評(píng)價(jià)體系,建立健全信用評(píng)價(jià)制度,指導(dǎo)開展信用評(píng)價(jià)工作,規(guī)范信用評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)管理,積極應(yīng)用信用評(píng)價(jià)結(jié)果,以緩解當(dāng)前能源行業(yè)信用評(píng)價(jià)活動(dòng)缺乏統(tǒng)一指導(dǎo)、不規(guī)范等問題。

6項(xiàng)任務(wù)基本都是依據(jù)《社會(huì)信用體系建設(shè)規(guī)劃綱要(2014－2020年)》、《國務(wù)院辦公廳關(guān)于運(yùn)用大數(shù)據(jù)加強(qiáng)對(duì)市場主體服務(wù)和監(jiān)管的若干意見》和《國務(wù)院關(guān)于建立完善守信聯(lián)合激勵(lì)和失信聯(lián)合懲戒制度加快推進(jìn)社會(huì)誠信建設(shè)的指導(dǎo)意見》等文件的有關(guān)要求提出。

《社會(huì)信用體系建設(shè)規(guī)劃綱要(2014－2020年)》的規(guī)劃期為2014－2020年,因此《意見》也以2020年為限,將2020年之前能源行業(yè)信用體系建設(shè)工作分兩個(gè)階段進(jìn)行。

由于能源行業(yè)信用體系建設(shè)基礎(chǔ)相對(duì)比較薄弱,因此計(jì)劃用2016－2018年的3年時(shí)間建立和夯實(shí)基礎(chǔ),并逐步實(shí)現(xiàn)全面深入推進(jìn);2019－2020年,根據(jù)國家提出的最新要求和能源行業(yè)信用體系建設(shè)的新形勢繼續(xù)進(jìn)行鞏固提升,以加快推進(jìn)能源行業(yè)信用體系建設(shè)。

Study on detecting fissure water content of rock stratum based on MTEM

Wu Chaofan1,2,Qiu Zhanlin1,2,Chen Dong1,2
(1.School of Resource Engineering,Longyan University,Longyan,Fujian 364012,China; 2.Mine Water Disaster Prevention&Control Research Institute,Longyan University,Longyan,Fujian 364012,China)

In order to find out fissure water content of a mine＇s rock stratum in Wuping county,actual detection using three measuring lines was carried out by using MTEM with multi-channel small coil within 100 m to the side wall and 50 m to the roof of the＋350 roadway of the mine.This method could increase detecting accuracy rate of the water-bearing abnormal zone around roadway,and was able to enhance its sensitive response to water-bearing zone,it was significant for studying the distribution characteristics rule of full-space vortex electric field.

MTEM,fissure water,water content,small coil

P631

A

吳超凡(1964－),男,福建仙游人,碩士,教授,研究方向:工程地質(zhì)、工程物探與地質(zhì)災(zāi)害防治。

福建省科技廳戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)項(xiàng)目(2015Y0073),福建省教育廳JK類科技項(xiàng)目(JK2014050)

吳超凡,邱占林,陳棟．基于礦井瞬變電磁法探測巖層裂隙富水性研究[J]．中國煤炭,2017,43(1):45－49．Wu Chaofan,Qiu Zhanlin,Chen Dong．Study on detecting fissure water content of rock stratum based on MTEM[J]．China Coal,2017,43(1):45－49．