王圣龍

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400039)

近年來(lái)隨著煤礦開(kāi)采深度增加，煤礦礦井地質(zhì)災(zāi)害也越來(lái)越復(fù)雜,在煤炭開(kāi)采過(guò)程中,斷層、陷落柱、含水層(體)、巖漿巖、采空區(qū)、煤層結(jié)構(gòu)變化等是不可忽視的災(zāi)害性地質(zhì)異常體,它們破壞了煤層的連續(xù)性,嚴(yán)重降低井下實(shí)際工作效率,甚至引發(fā)透水、瓦斯突出等事故,給煤礦的安全生產(chǎn)帶來(lái)極為嚴(yán)重的威脅。

現(xiàn)在礦井物探方法中對(duì)于工作面隱伏構(gòu)造探測(cè)效果較好的方法主要有無(wú)線電波透視儀及槽波，高瓦斯礦井下槽波工作方法較為復(fù)雜，一般選擇無(wú)線電波透視儀。礦井水害的探測(cè)主要依靠礦井瞬變電磁法及電法，基于瞬變電磁法裝置小、方向性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此井下較多選擇礦井瞬變電磁法。

現(xiàn)在煤礦井下實(shí)際探測(cè)中，并沒(méi)有一種方法可以同時(shí)有效探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造及其富水情況，單一物探方法存在本身的局限性，在防治煤礦地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)過(guò)程中往往不能取得滿(mǎn)意的探測(cè)效果, 利用多種物探方法綜合探測(cè)煤礦多層采空區(qū)，既能發(fā)揮各個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)，又可相互印證，而且可以互相補(bǔ)充單一物探方法的技術(shù)局限，因此采用綜合物探方法對(duì)隱伏導(dǎo)水構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)。

1 基本原理

無(wú)線電透視電磁波在地下巖層中傳播時(shí)，由于各種巖、礦石電性(電導(dǎo)率σ、介電常數(shù)ε，磁導(dǎo)率μ)的不同，它們對(duì)電磁波能量吸收不同，低阻巖層對(duì)電磁波具有較強(qiáng)的吸收作用，當(dāng)波前進(jìn)方向遇到斷裂構(gòu)造的界面時(shí)，電磁波將在界面上產(chǎn)生反射和折射作用，造成能量的損耗。因此，在礦井地質(zhì)條件下，如果發(fā)射源發(fā)射的電磁波在穿過(guò)煤層途中遇到斷層、陷落柱、含水裂隙、煤層變薄區(qū)或其他構(gòu)造時(shí)，波能量被吸收或完全屏蔽，則在巷道接收機(jī)收到微弱信號(hào)或收不到透射信號(hào)，形成透視異常區(qū)，即為所要探測(cè)異常體的位置和范圍。

礦井瞬變電磁法是利用不接地回線于井下巷道，線圈往周?chē)鷰r層發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，在周?chē)貙涌臻g產(chǎn)生一次場(chǎng)，在巷道周?chē)貙又挟a(chǎn)生感應(yīng)電流又將激勵(lì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)二次場(chǎng)，該二次場(chǎng)的大小及衰減速度與周?chē)刭|(zhì)體的電性特征有關(guān)。如果圍巖地層為富水性巖層則二次場(chǎng)衰減較慢，反之則二次場(chǎng)衰減較快。通過(guò)對(duì)接收到的信號(hào)的處理、分析及解釋?zhuān)瑥亩私庀锏乐車(chē)貙又械乃牡刭|(zhì)信息，如圖1所示。

由于礦井瞬變電磁法的發(fā)射和接受均在巷道中進(jìn)行，受制于巷道空間，線圈采用多匝小回線裝置。瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)來(lái)自全空間地層的綜合信息，記錄不同瞬變延時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。瞬變電磁場(chǎng)在圍巖介質(zhì)中的傳播是一個(gè)能量不斷衰減的過(guò)程，由“煙圈”理論可知，瞬變電磁場(chǎng)的早期信號(hào)反映的是近距離周?chē)橘|(zhì)的電性特征，而晚期信號(hào)則反映的是深部地層介質(zhì)的電性特征。

圖1 礦井瞬變電磁法探測(cè)示意圖

2 采煤工作面隱伏地質(zhì)構(gòu)造數(shù)值模擬

2.1 基本公式

無(wú)線電波透視法只測(cè)固定頻率的透射電磁波的磁場(chǎng)(或電場(chǎng))振幅分量。在電磁波射線路徑上，介質(zhì)電磁性質(zhì)的變化和波阻抗的變化會(huì)造成電磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化；分析電磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，就可以預(yù)測(cè)區(qū)介質(zhì)的物性變化。

煤層中傳播的電磁波在介質(zhì)中任意點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)表達(dá)式可表示為：

(1)

式中：Hp——接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值，A/m；

H0——發(fā)射點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值，A/m；

r——發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的直線距離，m；

β——煤層對(duì)電磁波的吸收系數(shù)；

f(θ)——方向因子。

其中煤層對(duì)電磁波的吸收系數(shù)為：

(2)

對(duì)式(1)取對(duì)數(shù)，即：

則有：

(5)

在一定的頻率時(shí)，β值是煤層或者巖層的介電常數(shù)ε、磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率σ的函數(shù)。由于煤層相當(dāng)于頂?shù)装鍘r層，是一種波導(dǎo)介質(zhì)，當(dāng)介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，其波阻抗會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致β和H的變化，因此可以根據(jù)煤層對(duì)電磁波吸收系數(shù)和磁場(chǎng)的變化值的大小、曲線形態(tài)，結(jié)合地質(zhì)條件來(lái)分析、判斷異常體的性質(zhì)，進(jìn)行綜合解釋。

2.2 數(shù)值模擬

圖2 工作面地質(zhì)構(gòu)造模型

圖3 各種異常情況的接收?qǐng)鰪?qiáng)值變化

圖4 穿透導(dǎo)水構(gòu)造電磁波接收值變化

綜合圖3、圖4可以得出結(jié)論：在均勻介質(zhì)電磁波傳播過(guò)程中，煤層對(duì)電磁波的衰減系數(shù)為恒定值，電磁波按照指數(shù)均勻衰減，衰減平緩。在穿透地質(zhì)構(gòu)造過(guò)程中，如果地質(zhì)構(gòu)造為高阻體，電磁波在透過(guò)異常區(qū)過(guò)程中，異常區(qū)對(duì)電磁波產(chǎn)生了折射、反射和吸收，衰減曲線幅度增大，透過(guò)異常區(qū)后，電磁波重新按照指數(shù)衰減模式進(jìn)行均勻衰減，接收巷道接收到的場(chǎng)強(qiáng)值相對(duì)于均勻介質(zhì)中大幅減小。當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造為低阻體時(shí)，異常區(qū)對(duì)電磁波的反射更強(qiáng)，電磁波透過(guò)時(shí)較高阻異常體衰減幅度更大，接收巷道接收到的場(chǎng)強(qiáng)值更低。同時(shí)做對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)導(dǎo)水構(gòu)造電阻率越來(lái)越小時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)值呈急速衰減，接收巷道會(huì)接收不到有效的場(chǎng)強(qiáng)值。

無(wú)線電波透視法穿透高阻異常體時(shí)，異常體的電阻率及介電常數(shù)都要比煤層高，電磁波主要被折射及反射，電磁波衰減較小，因此無(wú)線電波透視法針對(duì)高阻異常區(qū)有較好的識(shí)別性，可以根據(jù)煤層對(duì)電磁波吸收系數(shù)及場(chǎng)強(qiáng)變化來(lái)判斷異常區(qū)的位置及范圍，若穿過(guò)導(dǎo)水構(gòu)造，低阻構(gòu)造的電阻率比煤層低，但介電常數(shù)相對(duì)煤層要高。低阻構(gòu)造對(duì)電磁波具有更強(qiáng)反射能力，導(dǎo)致接收?qǐng)鰪?qiáng)值非常小，對(duì)異常構(gòu)造的定位也要優(yōu)于高阻體，但當(dāng)?shù)妥杞橘|(zhì)較大且電阻率很低時(shí)，有可能造成接收點(diǎn)接收到的電磁波場(chǎng)強(qiáng)為零，電磁波衰減殆盡。

因此無(wú)線電波透視法可以界定異常體的位置，但是無(wú)法劃分隱伏地質(zhì)構(gòu)造的富水性。礦井瞬變電磁法對(duì)工作面地質(zhì)構(gòu)造的富水性有很好的探測(cè)效果，受制于井下空間的限制及物探方法的局限性，單一物探方法無(wú)法解決具體的實(shí)際問(wèn)題，因此在工作面隱伏含水構(gòu)造勘查中采用瞬變電磁法和無(wú)線電波透視法綜合探測(cè)方法來(lái)界定異常區(qū)范圍及其富水性。

3 采煤工作面采空區(qū)探測(cè)試驗(yàn)

山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左權(quán)宏遠(yuǎn)煤業(yè)有限公司受工作面隱伏地質(zhì)構(gòu)造的影響，煤礦安全生產(chǎn)進(jìn)度緩慢，為進(jìn)一步探明工作面內(nèi)隱伏地質(zhì)構(gòu)造及其富水性，對(duì)工作面開(kāi)展瞬變電磁法和無(wú)線電波透視法探測(cè)試驗(yàn)工作。

3.1 地質(zhì)概況

宏遠(yuǎn)煤業(yè)150105回采工作面工作面長(zhǎng)度800 m、寬度120 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。根據(jù)巷道實(shí)際揭露及鄰近工程揭露，工作面共揭露11條斷層，發(fā)育4個(gè)陷落柱。工作面水文地質(zhì)條件復(fù)雜，頂板含水層水和奧灰?guī)r溶水是主要水患，構(gòu)造導(dǎo)水、采空滯水次之。根據(jù)掘進(jìn)期間涌水情況分析，工作面在回采過(guò)程中預(yù)計(jì)會(huì)有淋滴水現(xiàn)象。在探測(cè)工作前設(shè)置無(wú)線電波透視發(fā)射頻率為0.5 MHz，接收機(jī)頻率為0.5MHz,每隔50 m設(shè)置一個(gè)發(fā)射點(diǎn)，巷道揭露的斷層附近發(fā)射點(diǎn)距設(shè)計(jì)為20～30 m,每隔10 m設(shè)置一個(gè)接收點(diǎn)，瞬變電磁法發(fā)射點(diǎn)間距設(shè)置為10 m，設(shè)置3個(gè)探測(cè)方向，順煤層方向、沿著煤層方向向上偏30°、沿著煤層方向向下偏30°。

圖5 工作面無(wú)線電波透視成果圖

圖6 工作面瞬變電磁探測(cè)成果圖

3.2 構(gòu)造異常區(qū)綜合物探成果分析

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)層析成像技術(shù)反演，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，結(jié)合地質(zhì)資料和相對(duì)衰減強(qiáng)弱規(guī)律劃分異常范圍，工作面共圈出3處衰減較大的異常區(qū)，其中，A1號(hào)異常區(qū)位于工作面運(yùn)輸巷15～50 m范圍內(nèi)，該異常區(qū)相對(duì)于周?chē)簩訛橄鄬?duì)較強(qiáng)衰減區(qū)。結(jié)合地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)情況，推測(cè)工作面內(nèi)陷落柱是造成異常的主要因素。A2號(hào)異常區(qū)位于工作面運(yùn)輸巷70～110 m范圍內(nèi)，為相對(duì)強(qiáng)衰減區(qū)，結(jié)合地質(zhì)資料分析，推測(cè)工作面內(nèi)隱伏斷層是造成異常的主要因素。A3號(hào)異常區(qū)位于工作面運(yùn)輸巷230～250 m范圍內(nèi)，該異常區(qū)場(chǎng)強(qiáng)衰減范圍為相對(duì)強(qiáng)衰減區(qū)。推測(cè)工作面內(nèi)的隱伏陷落柱揭露的斷層向工作面內(nèi)延伸是造成異常的主要因素，異常區(qū)范圍有一定延展性，不排除陷落柱附近發(fā)育小斷層的可能。通過(guò)礦井瞬變電磁法探測(cè)工作面煤層富水性，刨除地質(zhì)及巷道金屬體對(duì)電磁場(chǎng)的干擾。工作面共圈出2處電阻率較低的異常區(qū)，B1低阻異常區(qū)位于工作面運(yùn)輸巷100～150 m、深度35～60 m處，總體視電阻率較煤層偏低。B2低阻異常位于工作面運(yùn)輸巷200～250 m、深度35～55 m處。結(jié)合無(wú)線電波透視法及礦井瞬變電磁技術(shù)成果分析，A3異常區(qū)和B2異常區(qū)存在重合之處，說(shuō)明A3區(qū)域處為富水陷落柱，A2異常區(qū)和B1異常區(qū)位置離得很近，隨著工作面回采，煤層如果發(fā)生擠壓破裂，B1異常區(qū)域內(nèi)的水將沿著導(dǎo)水帶進(jìn)入A2異常區(qū)域，形成新的富水異常區(qū)。最終經(jīng)過(guò)礦方地質(zhì)鉆孔勘察，得出的勘探結(jié)果與綜合物探結(jié)果推斷一致。

4 結(jié)論

(1)對(duì)無(wú)線電透視波穿透地質(zhì)構(gòu)造曲線進(jìn)行分段模擬分析，隱伏地質(zhì)構(gòu)造的電阻率ρ和介質(zhì)對(duì)無(wú)線電透視波衰減系數(shù)β呈負(fù)相關(guān)。在均勻介質(zhì)電磁波傳播過(guò)程中，煤層對(duì)電磁波的衰減系數(shù)為恒定值，電磁波按照指數(shù)均勻平緩衰減。在穿透地質(zhì)構(gòu)造過(guò)程后，接收巷道接受到的場(chǎng)強(qiáng)值相對(duì)于均勻介質(zhì)中大幅減小，若地質(zhì)構(gòu)造含水，異常區(qū)的電阻率相對(duì)于煤層偏低，異常區(qū)對(duì)電磁波的反射及折射更強(qiáng)，相對(duì)于透過(guò)高阻地質(zhì)構(gòu)造時(shí)衰減幅度更大，接收巷道接收到的場(chǎng)強(qiáng)值更低，接收巷道有可能接收不到有效的場(chǎng)強(qiáng)值。

(2)礦井瞬變電磁法對(duì)低阻體具有更高的探測(cè)和分辨能力，當(dāng)隱伏地質(zhì)構(gòu)造含水且呈現(xiàn)低阻時(shí)，回采工作面的采動(dòng)變化會(huì)導(dǎo)致工作面內(nèi)部形成新的導(dǎo)水裂隙帶，單純地依賴(lài)礦井瞬變電磁法只能判斷水源，而無(wú)法判斷地質(zhì)構(gòu)造的破壞程度，因此結(jié)合無(wú)線電波透視技術(shù)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)，可以動(dòng)態(tài)分析礦井地質(zhì)構(gòu)造的危險(xiǎn)程度，服務(wù)于煤礦的安全回采。