李柬谷

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

采空區(qū)積水是誘發(fā)煤礦特大突水災(zāi)害事故的主要原因之一。事故調(diào)查資料顯示：采掘工程資料缺失或不詳，致使上部煤層采空積水情況不明，是造成老窯采空區(qū)積水透水災(zāi)害事故發(fā)生的主要原因[1-3]。因此，開采下部煤層必須對(duì)上部采空區(qū)積水予以查明。目前，我國煤礦水文地質(zhì)地球物理探測(cè)技術(shù)主要分地面與井下，地面主要有直流電阻率法、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁測(cè)深等；井下主要有礦井直流電法、礦井瞬變電磁法、音頻電透視等。受地形、人文設(shè)施及探測(cè)深度影響，地面水文物探分辨率、勘探精度及可靠性大為降低，雖然能滿足水源地勘查的需要，但還達(dá)不到煤礦防治水工作的精細(xì)勘查要求，只能作為煤礦制定采區(qū)防治水規(guī)劃的參考資料。礦井水文物探技術(shù)一是由于靠近目標(biāo)體，信號(hào)響應(yīng)強(qiáng)，分辨率較高，但也存在一定不足，對(duì)于直流電法勘探而言，比較突出的局限性是需要一定的測(cè)線長度，如果可施工巷道長度有限，則無法滿足勘探深度的要求；二是當(dāng)巖層破碎且干燥時(shí)，電極與巖層的接觸常常會(huì)帶來困難；三是當(dāng)工作面較寬時(shí)在工作面頂板上方中間部位容易形成探測(cè)盲區(qū)[4-7]。

受井地直流電法勘探與井地瞬變電磁法的啟發(fā)，提出多層采空區(qū)地面-巷道瞬變電磁探測(cè)方法[8-11]。地面-巷道瞬變電磁探測(cè)，即在井下回采工作面形成后，在地面鋪設(shè)發(fā)射回線建立人工場(chǎng)，在工作面上下兩巷及切眼等巷道內(nèi)布置接收點(diǎn)觀測(cè)瞬變場(chǎng)的衰減響應(yīng)，探測(cè)頂板上方采空積水情況。該探測(cè)方式既能兼取地面、井下物探技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，又能克服兩者的缺點(diǎn)。既能利用地面布設(shè)較大線圈、增強(qiáng)供電電流實(shí)現(xiàn)較大的探測(cè)深度；還能利用接收線圈距目標(biāo)體較近接收信號(hào)強(qiáng)，提高分辨率與探測(cè)精度，增強(qiáng)“旁視”能力，接收線圈置于巷道中可以避免低阻覆蓋層屏蔽作用及地面各種電磁信號(hào)影響。同時(shí)通過改變地面發(fā)射線圈與巷道中接收線圈的相對(duì)位置，或者改變巷道線圈中的接收方向，可以實(shí)現(xiàn)采空區(qū)積水邊界縱向、橫向上的準(zhǔn)確定位，實(shí)現(xiàn)精細(xì)探查。

1 礦井及81402工作面水文概況

1.1 礦井概況

陽煤一礦位于山西省陽泉市西北和盂縣交界處，隸屬于陽泉市管轄。井田平面呈一不規(guī)則的多邊形，井田東西走向長約14.5 km，南北寬約9.8 km，面積為83.612 6 km2。目前開采15#煤層。井田工業(yè)廣場(chǎng)有專線鐵路在陽泉車站與石太線接軌，運(yùn)距10 km；沿陽煤一礦公路南行2 km經(jīng)賽魚口可與太舊高速公路以及307國道線相連，與陽泉、平定、盂縣、壽陽等市縣結(jié)成公路網(wǎng)。

1.2 81402工作面水文地質(zhì)情況

工作面水文地質(zhì)條件簡單，主要充水因素包括4方面。

地表河流：本工作面地表有楊家峪河、召山河，屬季節(jié)性河流，在雨季水量充沛。

含水層水：工作面上方K2灰?guī)r、怪砂巖、K3灰?guī)r、K4石灰?guī)r等均屬局部裂隙含水層，工作面推進(jìn)至向斜軸部時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)頂板淋水，要做好防排水準(zhǔn)備工作。

老空水、小窯水、采空區(qū)積水：81402回采工作面上方的呈祥煤礦3空區(qū)存在積水。經(jīng)過走訪調(diào)查，原呈祥煤礦副斜井掘進(jìn)過程中沿23°坡度掘進(jìn)至3#煤層后向下進(jìn)行了延伸，但相關(guān)掘進(jìn)巷道資料不詳。3#煤回收封閉時(shí)發(fā)現(xiàn)副斜井內(nèi)3#煤至延伸巷道內(nèi)有巷道積水，由于封閉時(shí)間較長，受含水層水量補(bǔ)給，現(xiàn)副斜井內(nèi)積水可能已與3#煤采空區(qū)積水連通，勢(shì)必會(huì)對(duì)81402回采工作面回采產(chǎn)生影響。

鉆孔：工作面有D258、030號(hào)地質(zhì)鉆孔，也是充水因素之一。

2 地面-巷道瞬變電磁探測(cè)方案

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及概況

試驗(yàn)地點(diǎn)：選定在陽煤一礦81402工作面，地面布置1 200 m×600 m與600 m×400 m發(fā)射線框。在81402工作面回風(fēng)巷、尾巷、進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)以10 m點(diǎn)距布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行接收，各巷分別有51個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

試驗(yàn)地點(diǎn)概況：陽煤一礦81402工作面開采15#煤，原呈祥煤礦回風(fēng)斜井與副斜井均位于該工作面上方，并對(duì)3#煤層進(jìn)行了部分開采，形成局部采空區(qū)。根據(jù)前期調(diào)查，其副斜井穿過3#煤層開拓至9#煤層，該副斜井存在積水的可能。15#煤層距9#煤層約100 m左右。

2.2 地面-巷道瞬變電磁法探測(cè)方案

基本原理：地面-巷道瞬變電磁法基于傳統(tǒng)瞬變電磁方法的基本原理，將接收裝置放置在地下巷道中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。與傳統(tǒng)的瞬變電磁法和礦井瞬變電磁法相比，具有發(fā)射功率大、接收環(huán)境受地表電磁場(chǎng)干擾小、信噪比高、對(duì)采空區(qū)探測(cè)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。地面-巷道觀測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 地面-巷道觀測(cè)系統(tǒng)

儀器設(shè)備：實(shí)驗(yàn)采用美國ZONGE公司GDP32II多功能電法工作站。GPD32電法工作站自帶時(shí)鐘進(jìn)行同步，采用探頭進(jìn)行接收，滿足本次實(shí)驗(yàn)研究的要求。施工主要設(shè)備包括XMT-32S石英鐘、ZT-30瞬變電磁法發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和發(fā)電設(shè)備。

方案設(shè)計(jì)：在地表分別布置1 200 m×600 m和600 m×400 m的大回線矩形線框，分別在81402回風(fēng)巷、81402尾巷、81402進(jìn)風(fēng)巷布置51個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。巷道中接收點(diǎn)坐標(biāo)如圖2所示，測(cè)點(diǎn)距離10 m，每條測(cè)線長500 m，單條測(cè)線51個(gè)測(cè)量點(diǎn)。3條測(cè)線總計(jì)153個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量3個(gè)分量，物理測(cè)量點(diǎn)數(shù)為918個(gè)。

圖2 接收點(diǎn)平面圖

3 地面-巷道瞬變電磁法解釋方案

3.1 地面-巷道瞬變電磁法資料處理

確定最大幅值點(diǎn)：地面-巷道瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，該曲線的最大值點(diǎn)(即極值點(diǎn))出現(xiàn)的時(shí)間近似于瞬變電磁感應(yīng)渦流環(huán)傳播到接收點(diǎn)所在位置的時(shí)間。首先根據(jù)單點(diǎn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線的趨勢(shì)確定每個(gè)測(cè)點(diǎn)的接收信號(hào)最大幅值點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間。

繪制多測(cè)道曲線圖：鑒于地面-巷道瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線的特征，依據(jù)傳統(tǒng)方法繪制多測(cè)道曲線圖時(shí)將會(huì)出現(xiàn)大量的重合，不利于分析處理。因此，依據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線極大值出現(xiàn)的時(shí)間，將多測(cè)道曲線圖分為兩部分，分別為上升段和下降段。

一維反演：數(shù)據(jù)處理的核心內(nèi)容在于利用相關(guān)算法及采區(qū)的基本資料進(jìn)行視電阻率一維反演，從而獲得合適的解釋數(shù)據(jù)。

繪制視電阻率剖面圖：依據(jù)反演結(jié)果繪制視電阻率剖面圖，作為本次試驗(yàn)的最終解釋成果。

3.2 瞬變電磁資料解釋

解釋依據(jù)：試驗(yàn)的主要目的在于探測(cè)上部采空區(qū)積水以及副斜井位置及積水情況。分析地下目標(biāo)區(qū)域的賦水、導(dǎo)水性主要依據(jù)的是斷層破裂帶和陷落柱與圍巖電阻率的變化，斷層的電阻率主要取決于斷層的破碎程度及其賦水性。賦水?dāng)鄬雍蛯?dǎo)水?dāng)鄬拥碾娮杪蔬h(yuǎn)小于不賦水?dāng)鄬雍椭車毁x水地層的電阻率，這是電法探測(cè)含水?dāng)鄬雍瓦M(jìn)行賦水分區(qū)的物性依據(jù)。巖層賦(含)水性的解釋，剖面圖上主要是依據(jù)視電阻率的橫向變化特征，解釋原則是賦水地段的異常是低阻反映，賦水性越強(qiáng)則視電阻率越低，平面圖上賦(含)水區(qū)的解釋也是依據(jù)視電阻率的平面變化，賦(含)水異常區(qū)在平面圖上呈現(xiàn)相對(duì)低阻。

解釋原則：資料解釋堅(jiān)持“水文地質(zhì)研究與物探資料解釋相結(jié)合，定性解釋與定量解釋相結(jié)合”的基本原則，采用綜合處理與解譯技術(shù)，減少多解性，提高解釋可靠性。

4 試驗(yàn)效果

本次試驗(yàn)的主要目的為查明上覆煤層采空區(qū)域充水情況，基于地面-巷道瞬變電磁法的特性，通過地面-巷道瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線、多測(cè)道曲線圖以及視電阻率剖面圖對(duì)試驗(yàn)效果進(jìn)行分析。

4.1 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線

觀察重點(diǎn)：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線是觀察瞬變電磁原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的最直接方式，對(duì)于地面-巷道瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線，重點(diǎn)觀察其上端段趨勢(shì)以及最大值點(diǎn)即極值點(diǎn)所在位置。

典型感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線：圖3為典型的地面-巷道瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線，可知地面-巷道瞬變電磁信號(hào)整體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，中間存在一個(gè)極大值點(diǎn)。

圖3 地面-巷道瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線

回風(fēng)巷感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線：圖4為回風(fēng)巷地面-巷道瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線(Hz)，發(fā)射線框1 200 m×600 m，以此為例，可以得出，該地區(qū)地面-巷道瞬變電磁信號(hào)極大值點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間一般在0.451 3 ms左右。

圖4 回風(fēng)巷地面-巷道瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線(Hz)

4.2 多測(cè)道曲線圖

分析方法：基于地面-巷道瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線特征，將多測(cè)道曲線以0.451 3 ms為界分成兩部分，即地面-巷道瞬變電磁上升段多測(cè)道曲線圖(含0.451 3 ms)和下降段多測(cè)道曲線圖。以3條巷道各自測(cè)量所得的z方向數(shù)據(jù)為例，通過繪制地面-巷道瞬變電磁多測(cè)道曲線圖對(duì)試驗(yàn)效果進(jìn)一步分析。

尾巷多測(cè)道曲線：圖5為尾巷地面-巷道瞬變電磁多測(cè)道曲線圖(Hz)，由圖可知，上升段多測(cè)道曲線圖在35點(diǎn)附近接收信號(hào)出現(xiàn)大幅度波動(dòng)現(xiàn)象，且在左側(cè)區(qū)域，曲線變化較大。從原理上分析為該點(diǎn)上覆地層較周圍圍巖存在差異；而下降段多測(cè)道曲線圖各測(cè)點(diǎn)信號(hào)值基本一致。

圖5 尾巷地面-巷道瞬變電磁多測(cè)道曲線圖(Hz)

4.3 視電阻率剖面圖分析及采空區(qū)積水位置推測(cè)

分析方法：在瞬變電磁法解釋過程中，視電阻率剖面圖占據(jù)著重要的地位，同樣，在地面-巷道瞬變電磁解釋過程中依舊將視電阻率剖面圖作為重要的解釋依據(jù)。在對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行一維反演的基礎(chǔ)上，繪制地面-巷道瞬變電磁視電阻率剖面圖，取3條巷道地面-巷道瞬變電磁視電阻率剖面圖(Hz)對(duì)試驗(yàn)效果進(jìn)行分析。

進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷視電阻率：圖6、圖7分別為進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷的地面-巷道瞬變電磁視電阻率剖面圖(Hz)，由圖可知，發(fā)射線圈在1 200 m×600 m激發(fā)條件下獲得的視電阻率剖面圖中，早期段主要反映巷道上方附近的地電信息，紅色區(qū)域主要反映巷道頂板走向，50 ohm·m等值線反映相對(duì)低阻異常區(qū)域，推測(cè)為賦水采空區(qū)。而發(fā)射線圈600 m×400 m激發(fā)條件下獲得的視電阻率剖面圖中，與上述解釋一致，但由于接收點(diǎn)在發(fā)射回線外側(cè)，反映出的地層傾斜角度過大，且電阻率值相對(duì)較大。

a-發(fā)射線圈1 200 m×600 m；b-發(fā)射線圈600 m×400 m圖6 進(jìn)風(fēng)巷地面-巷道瞬變電磁視電阻率剖面圖(Hz)

尾巷視電阻率：圖8為尾巷地面-巷道瞬變電磁視電阻率剖面圖(Hz)，由圖可知，發(fā)射線圈1 200 m×600 m激發(fā)條件下獲得的視電阻率剖面圖中，早期段主要反映巷道上方附近的地電信息，紅色區(qū)域主要反映巷道頂板走向，50 ohm·m等值線反映相對(duì)低阻異常區(qū)域，推測(cè)為賦水采空區(qū)。但24#測(cè)點(diǎn)附近存在橫向上的相對(duì)高阻異常，結(jié)合地質(zhì)情況，推測(cè)為相對(duì)垂直的薄板狀的低阻異常體所產(chǎn)生的影響。而發(fā)射線圈600 m×400 m激發(fā)條件下獲得的視電阻率剖面圖中，紅色區(qū)域主要反映巷道頂板走向，350 ohm·m等值線反映相對(duì)低阻異常區(qū)域，推測(cè)為賦水采空區(qū)。但由于接收點(diǎn)在發(fā)射回線外側(cè)，反映出的地層傾斜角度過大，且電阻率值相對(duì)較大。

a-發(fā)射線圈1 200 m×600 m；b-發(fā)射線圈600 m×400 m圖7 回風(fēng)巷地面-巷道瞬變電磁視電阻率剖面圖(Hz)

a-發(fā)射線圈1 200 m×600 m；b-發(fā)射線圈600 m×400 m圖8 尾巷地面-巷道瞬變電磁視電阻率剖面圖(Hz)

采空區(qū)積水位置推測(cè)：根據(jù)3條巷道地面-巷道瞬變電磁探測(cè)結(jié)果，z方向分量探測(cè)結(jié)果顯示明顯為低阻異常區(qū)，推測(cè)采空區(qū)積水位置在8#～28#測(cè)點(diǎn)間。

5 結(jié)語

采用地面-巷道瞬變電磁法勘探后，認(rèn)為地面-巷道瞬變電磁法是可行的，相對(duì)傳統(tǒng)瞬變電磁法，該方法受地形影響較小，對(duì)淺部數(shù)據(jù)地質(zhì)信息反應(yīng)較好，所觀測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量比較高。3條巷道對(duì)采空區(qū)積水的位置有反映，與調(diào)查采空積水區(qū)基本一致，為采空區(qū)積水的防治提供了有力的參考依據(jù)，可以應(yīng)用于類似問題的探測(cè)。