衛(wèi)金善,張會(huì)兵,竇文武,段彥飛

(1.山西晉煤集團(tuán) 技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,山西 晉城 048006;2.山西長(zhǎng)平煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 晉城 048006)

長(zhǎng)平礦3#煤層感應(yīng)電磁場(chǎng)衰減規(guī)律研究

衛(wèi)金善1,張會(huì)兵2,竇文武1,段彥飛2

(1.山西晉煤集團(tuán) 技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,山西 晉城 048006;2.山西長(zhǎng)平煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 晉城 048006)

長(zhǎng)平礦水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜,3#煤層開(kāi)采過(guò)程中頂板上部K8、K10砂巖含水層受到破壞,局部底板承壓大于2 MPa,為保證安全開(kāi)采,采用瞬變電磁儀對(duì)巷道進(jìn)行超前探測(cè)。通過(guò)研究多年探測(cè)結(jié)果的感應(yīng)電磁場(chǎng)衰減變化規(guī)律,分析有干擾因素和無(wú)干擾情況下的衰減特征,對(duì)比不同盤區(qū)的視電阻率變化和地質(zhì)特征關(guān)系,總結(jié)得出:1)在無(wú)干擾條件下,長(zhǎng)平礦區(qū)正常煤巖體視電阻率波動(dòng)范圍處于0 Ω·m～250 Ω·m 之間,視電阻率低于 20 Ω·m 時(shí)淋水概率增大;2)在鐵器干擾情況下,感應(yīng)電壓衰減加劇,整體視電阻率降低,容易造成富水區(qū)的漏報(bào)或誤報(bào);3)在電力干擾下,感應(yīng)電磁場(chǎng)電壓極不穩(wěn)定,視電阻率不能真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)情況,該情況下的數(shù)據(jù)不可用作物探結(jié)果。

長(zhǎng)平礦;瞬變電磁;視電阻率;感應(yīng)電磁場(chǎng)

1 概述

長(zhǎng)平礦3#煤層主要受二疊系山西組及 K8 砂巖裂隙含水層威脅,該含水層為碎屑巖裂隙含水層,井田內(nèi)無(wú)出露,包括K7、K8砂巖及3#煤層頂板砂巖裂隙含水層,構(gòu)成主采3#煤層的充水水源。巖性以中、細(xì)粒砂巖為主,局部砂巖裂隙發(fā)育。該含水層屬富水性弱的砂巖裂隙含水層。二疊系砂巖含水層層間隔水層主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖組成,單層厚度一般小于20 m。垂向分布呈平行復(fù)合結(jié)構(gòu),阻隔上下各含水層層間的水力聯(lián)系,起層間隔水作用。 礦區(qū)由于地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜,3#煤層導(dǎo)水裂縫帶高度界于12.14 m～94.54 m之間,開(kāi)采過(guò)程中,3#煤層頂板以上K8、K10砂巖含水層受到破壞;井田內(nèi)奧灰水位標(biāo)高625 m,而3#煤層底板標(biāo)高介于425 m～705 m,局部區(qū)域底板承壓大于2 MPa。為保證長(zhǎng)平礦安全開(kāi)采,避免水害事故發(fā)生,采用瞬變電磁儀對(duì)巷道進(jìn)行超前探測(cè),其中,首要任務(wù)是掌握長(zhǎng)平礦的水文地質(zhì)感應(yīng)電磁場(chǎng)特征規(guī)律。

通過(guò)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),眾多專家學(xué)者在瞬變電磁在礦井應(yīng)用方面做了深入應(yīng)用研究。梁慶華[1]分析了固定平移法、轉(zhuǎn)換角度法、綜合法等礦井瞬變電磁探測(cè)工作方法優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍;梁爽[2]、劉志新[3]通過(guò)數(shù)值模擬和物理模型實(shí)驗(yàn),總結(jié)了礦井地質(zhì)條件下瞬變電磁場(chǎng)的分布規(guī)律;文獻(xiàn)[4-7]分析了礦井干擾源對(duì)瞬變電磁探測(cè)的干擾特征;文獻(xiàn)[8-10]都以長(zhǎng)平礦為研究對(duì)象,為分析地質(zhì)資料提供針對(duì)性較強(qiáng)的參考價(jià)值。

2 地球物理電磁場(chǎng)特征

由于煤系地層的沉積序列比較清晰,在原生地層狀態(tài)下,導(dǎo)電性特征在縱向上有其固定的變化規(guī)律,而在橫向上相對(duì)比較均一;在同一個(gè)巖層內(nèi),電性分布相對(duì)均一(層內(nèi)均一性);不同巖層組合,其垂向電性分布和變化是有序的且與巖性組合順序相對(duì)應(yīng)(垂向規(guī)律有序性)。不同巖性的導(dǎo)電性一般存在明顯差異,一般而言泥巖、頁(yè)巖、粉砂巖、中粗砂巖、灰?guī)r的電阻率是依次增高的,煙煤的電阻率通常很大,常以明顯的高阻異常區(qū)別于頂?shù)装鍘r層(如泥巖、砂巖等)。

長(zhǎng)平礦3#煤層頂板巖層主要為泥巖、細(xì)砂巖、粗砂巖,通過(guò)煤樣檢測(cè)得知該測(cè)區(qū)內(nèi)巖層電性變化的一般規(guī)律為:煤層電阻率值相對(duì)較高(250 Ω·m～300 Ω·m)、砂巖次之(50 Ω·m～100 Ω·m)、粘土巖類最低(20 Ω·m ～30 Ω·m),即泥巖、細(xì)砂巖、粗砂巖等與煤層的導(dǎo)電性差異明顯。當(dāng)存在煤層采空區(qū)(積水或不積水)及巖層巖溶、裂隙、斷層破碎帶等構(gòu)造(即地質(zhì)異常體)時(shí),地質(zhì)異常體及其附近導(dǎo)電性分布將發(fā)生明顯變化(物性異常);如果構(gòu)造內(nèi)不含水,則其導(dǎo)電性較差,使局部電阻率值增高;如果構(gòu)造含水,由于礦井水的礦化度較高(實(shí)測(cè)地下水礦化度 0.3 g/L～0.6 g/L),其導(dǎo)電良好,相當(dāng)于存在局部低電阻率值的地質(zhì)體。巖層或煤層的富水情況決定其電阻率的高低情況。

3 感應(yīng)電磁場(chǎng)衰減規(guī)律

感應(yīng)電磁場(chǎng)是在一次脈沖激發(fā)之后形成的二次感應(yīng)電磁場(chǎng), 感應(yīng)電磁場(chǎng)隨著時(shí)間逐漸向遠(yuǎn)處傳播,感應(yīng)電流和電壓逐漸減弱。通過(guò)分析二次感應(yīng)電磁場(chǎng)的衰減變化規(guī)律,可以推測(cè)探測(cè)區(qū)域煤巖體的分布特征。

3.1正常煤巖體電磁場(chǎng)衰減規(guī)律

正常巖體是指探測(cè)區(qū)域煤層無(wú)構(gòu)造、無(wú)富水區(qū)域,探測(cè)時(shí)無(wú)明顯大型鐵器干擾。圖1至圖3為長(zhǎng)平礦具有代表性的正常煤巖體感應(yīng)電磁場(chǎng)衰變曲線和反演成果圖。

圖1 正常煤巖體視電阻率衰減曲線圖Fig.1 Attenuation curve of apparent resistivity in normal coal-rock mass

圖2 正常煤巖體二次場(chǎng)感應(yīng)電壓曲線圖Fig.2 Secondary field induced voltage curve of normal coal-rock mass

由圖 1 可知,在正常煤巖體中,當(dāng)一次脈沖關(guān)閉后開(kāi)始形成二次感應(yīng)電磁場(chǎng),二次感應(yīng)場(chǎng)的視電阻率逐漸衰減,位于20 Ω·m～250 Ω·m之間;由圖2可知,感應(yīng)電壓由106μV逐漸衰減到10 μV,在50測(cè)道后電壓降到100 μV,衰減速度符合擬合電壓趨勢(shì)(藍(lán)色曲線)。

注:橫坐標(biāo)0點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)掘進(jìn)頭位置,橫坐標(biāo)軸負(fù)方向?qū)?yīng)掘進(jìn)頭位置左側(cè)幫,正方向?qū)?yīng)掘進(jìn)頭位置右側(cè)幫。下同圖6、圖9圖3 正常煤巖體視電阻率成果Fig.3 Apparent resistivity results of normal coal-rock mass

由圖 3 可知,視電阻反演成果圖等值曲線平滑,間距均勻,兩側(cè)幫受到錨網(wǎng)影響,衰減速度相對(duì)較快。

3.2富水區(qū)電磁場(chǎng)衰減規(guī)律

圖4至圖6為長(zhǎng)平礦實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),在巷道揭露過(guò)程中,低阻區(qū)域出現(xiàn)大量淋水現(xiàn)象。由圖4可知,二次感應(yīng)場(chǎng)的視電阻率急劇衰減,后期又有較小回升;由圖5可知,感應(yīng)電壓在50測(cè)道之前就降到100 μV,衰減速度明顯偏離擬合電壓趨勢(shì)(藍(lán)色曲線);由圖6可知,視電阻反演成果圖等值曲線平滑,但間距發(fā)生明顯變化,富水區(qū)形成了明顯的低值等勢(shì)面。

圖4 富水區(qū)視電阻率衰減曲線圖Fig.4 Attenuation curve of apparent resistivity in water-rich area

圖5 富水區(qū)二次場(chǎng)感應(yīng)電壓曲線圖Fig.5 Secondary field induced voltage curve in water-rich area

圖6 富水區(qū)視電阻率成果Fig.6 Apparent resistivity results in water-rich area

3.3金屬干擾電磁場(chǎng)衰減規(guī)律

圖7至圖9為現(xiàn)場(chǎng)有大量金屬體時(shí)采集的數(shù)

據(jù),金屬干擾是指除了現(xiàn)場(chǎng)錨桿錨網(wǎng)支護(hù)外,另有大型機(jī)組、地溜、鉆機(jī)等鐵器存在的情況。

圖7 鐵器干擾情況下視電阻率衰減曲線圖Fig.7 Attenuation curve of apparent resistivity under iron interference

圖8 鐵器干擾情況下二次場(chǎng)感應(yīng)電壓曲線圖Fig.8 Secondary field induced voltage curve under iron interference

圖9 鐵器干擾情況下視電阻率成果Fig.9 Apparent resistivity results under iron interference

由圖7 可知,受鐵器干擾的二次感應(yīng)場(chǎng)的視電阻率初始值較小,且急劇衰減;由圖8可知,感應(yīng)電壓初始值只有 105μV,在44測(cè)道就降到 100 μV,衰減速度較快;由圖9可知,視電阻反演成果圖等值曲線平滑,間距均勻,兩側(cè)幫受錨網(wǎng)影響,衰減速度加劇。

3.4不同盤區(qū)視電阻率分析

通過(guò)選取近幾年同一種儀器在長(zhǎng)平探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境存在不可避免的金屬干擾(錨桿、錨網(wǎng)等),實(shí)際測(cè)得的視電阻率相對(duì)要比理論值低,長(zhǎng)平礦一、二盤區(qū)整體視電阻處于20 Ω·m～250 Ω·m之間,低于20 Ω·m時(shí)淋水概率增大;三盤區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,處于奧灰水位下,富水性一般,整體視電阻處于0 Ω·m～120 Ω·m 之間,阻值偏低;四盤區(qū)部分區(qū)域處于奧灰水位下,南翼富水性較強(qiáng),北翼富水性一般,整體視電阻處于0 Ω·m ～250 Ω·m 之間,視電阻率低于20 Ω·m時(shí),揭露過(guò)程中淋水概率增大。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)平礦區(qū)瞬變電磁在3#煤層測(cè)得的感應(yīng)二次場(chǎng)數(shù)據(jù)研究分析,總結(jié)得出:1)在無(wú)干擾條件下,長(zhǎng)平礦區(qū)正常煤巖體視電阻率波動(dòng)范圍處于0 Ω·m～250 Ω·m之間,視電阻率低于20 Ω·m時(shí)淋水概率增大;2)在鐵器干擾情況下,感應(yīng)電壓衰減加劇,整體視電阻率降低,容易造成富水區(qū)的漏報(bào)或誤報(bào);3)在電力干擾下,感應(yīng)電磁場(chǎng)電壓極不穩(wěn)定,視電阻率不能真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)情況,該情況下的數(shù)據(jù)不可用作物探結(jié)果。

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AttenuationLawofInducedElectromagneticFieldinNo.3CoalSeaminChangpingMine

WEIJinshan1,ZHANGHuibing2,DOUWenwu1,DUANYanfei2

(1.InstituteofTechnology,ShanxiJinchengCoalGroup,Jincheng048006,China;2.ChangpingCoalCo.,Ltd.,Jincheng048006,China)

The hydrogeological condition in Changping Mine is complex.During the mining of No.3 coal seam,K8 and K10 sandstone aquifer are damaged,with regional floor pressure being more than 2 MPa.To ensure safe mining, transient electromagnetic method was used in advanced detection.On the analysis of attenuation law of induced electromagnetic field,the attenuation features were studied with and without interference factors.According to the connection between the apparent resistivity and geological features at different panels,we draw conclusions as follows:(1)without interference,the fluctuation of the apparent resistivity of normal coal-rock mass ranges from 0 to 250 Ω·m;when the apparent resistivity is less than 20 Ω·m,probability of water spray increases;(2)with iron interference,the attenuation of induced voltage increases and overall apparent resistivity decreases,which causes missing and misreporting data in water rich area;(3)with electricity interference,the voltage of induced electromagnetic field is extremely unstable;the apparent resisitivity could not reflect the actual situation,therefore the data could not be used as the geophysical results.

Changping Mine; transient electromagnetic method; apparent resistivity; induced electromagnetic field

企業(yè)科技推廣項(xiàng)目(jsyj-jskf-2015-008)

1672-5050(2017)04-0017-05

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.006

2017-07-15

衛(wèi)金善(1967-),男,山西陽(yáng)城人,本科,工程師,從事地球物理勘探、水文地質(zhì)勘查、地測(cè)防治水等水文地測(cè)相關(guān)工作。

P641.7

A

(編輯:楊 鵬)