商宇航， 劉春雨， 邰振華， 劉世明， 杜添添

(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.黑龍江省煤田地質(zhì)物測隊(duì), 哈爾濱 150001)

楊澗煤礦位于寧武煤田北部，屬兼并重組煤礦，含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組，主要巖性為灰白，淺灰色粗粒砂巖、中粒砂巖，深灰色細(xì)粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及煤組成，水平、波狀和斜層理發(fā)育。共含煤層21層，其中穩(wěn)定可采煤層8層，分別為3#、8#、10#、11#、12-1#、12-2#、13#、15#煤層。

同位素測氡法確定的是平面異常，無法確定深度，但其基本不受電磁場及居民區(qū)干擾，可以彌補(bǔ)瞬變電磁法的不足[1-4]。筆者采用瞬變電磁法和同位素測氡法聯(lián)合約束的基本模式對測區(qū)進(jìn)行綜合勘探，推斷3#和8#煤層采空區(qū)、富水區(qū)及采空積水區(qū)的位置，為下部煤層安全開采提供地質(zhì)依據(jù)。

1 瞬變電磁法和同位素測氡法基本原理

1.1 瞬變電磁法

不同的巖層具有不同的導(dǎo)電性，進(jìn)而表現(xiàn)為具有不同的電阻率。一般情況下，泥巖、中粗砂巖、礫巖、煤層、灰?guī)r其電阻率值依次增高，但泥灰?guī)r電阻率略低于煤層電阻率。煤系地層和奧灰?guī)r地層均屬于沉積地層，空間分布為層狀分布，地層致密完整時橫向?qū)щ娦跃鶆蚍植迹煌瑱M向坐標(biāo)的縱向?qū)щ娦宰兓?guī)律相近[5-7]。如果巖層中有充水裂隙或巖溶存在，水體的導(dǎo)電性較好，與圍巖產(chǎn)生電性差異，巖層的電阻率隨裂隙水、巖溶水的礦化度與飽和度升高而降低[8]。煤層開采后，形成采空區(qū)，巖體發(fā)生不同程度的破壞和變形，致使采空區(qū)上部地層的地球物理特征發(fā)生顯著變化[9-10]。從瞬變電磁勘探的角度，可將采空區(qū)分為未充水和充水兩種情況分析：當(dāng)采空區(qū)未充水時，其電阻率明顯高于圍巖的電阻率；當(dāng)采空區(qū)充水時，由于地下水富含各種離子，受外界激發(fā)后，局部導(dǎo)電性增加，電阻率將明顯低于圍巖電阻率[11]。圖1為瞬變電磁激發(fā)原理。

圖1 瞬變電磁激發(fā)原理示意

由圖1可見，在地表敷設(shè)不接地線框，輸入階躍電流，當(dāng)回線中電流突然斷開時，在地下半空間將激起感應(yīng)渦流以維持?jǐn)嚅_電流前已存在的磁場，并且此渦流場隨時間以等效渦流環(huán)的形式向下、向外傳播。利用不接地線圈或地面中心探頭觀測二次渦流磁場或電場的變化情況，能夠反映出淺層至中深層的地電結(jié)構(gòu)。

圖2概述了瞬變電磁法的數(shù)據(jù)處理與解釋流程，且處理和解釋始終同步進(jìn)行。當(dāng)測區(qū)存在人為干擾時，需采用低通濾波壓制噪聲等高頻干擾。而后，依次做時間校正、視電阻率計算和時深轉(zhuǎn)換等基礎(chǔ)處理，計算出視電阻率和視深度。

圖2 瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理流程

視電阻率計算公式為：

(1)

式中:μ0——磁導(dǎo)率；

t——時窗時間；

m——發(fā)射磁矩；

q——接收線圈的有效面積；

V(t)——感應(yīng)電壓。

視縱向電導(dǎo)Sτ和視深度hτ的計算表達(dá)式為

(2)

(3)

式中:V(t)/I——?dú)w一化感應(yīng)電壓；

A——發(fā)射回線面積；

d(V(t)/I)/dt——?dú)w一化感應(yīng)電壓對時間的導(dǎo)數(shù)。

后續(xù)的正、反演計算采用迭代模式完成，不斷修改地電模型，直至模擬電性曲線與實(shí)際電性曲線的擬合度達(dá)到預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，最后形成能夠有效反映地下電性分布的視電阻率斷面圖[12]。若要顯示煤層或者目標(biāo)層的橫向電性差異，可使用相應(yīng)層位的視電阻率繪制順層平面圖。

1.2 同位素測氡法

氡(222Rn)是鈾系的子體，也是唯一呈氣態(tài)的惰性氣體，可以由地下深部遷移至地表，并攜帶出地層深部信息。氡衰變過程釋放出α粒子。α粒子減速后形成大量氡核，可將氡及其子體極化，并在電場力和范德華力的作用下，與氡及其子體相互作用形成“團(tuán)簇”，如圖3所示。當(dāng)“團(tuán)簇”結(jié)合的氦核達(dá)到一定數(shù)量時，氡就將隨之向上運(yùn)移，形成明顯的向上運(yùn)移氣流。

圖3 He和Rn形成“團(tuán)簇”示意

氡氣濃度與巖性存在一定的關(guān)系，如放射性物質(zhì)含量較高的巖漿巖，氡值較高，而沉積巖的氡值較低。煤層開采形成大面積采空區(qū)，促使地質(zhì)體發(fā)生變形，從而改變了地下氣體的運(yùn)移與集聚環(huán)境，放射性氡氣通過采空區(qū)的儲氣、集氣及通道作用，向采空區(qū)運(yùn)移、集聚，在地表形成一個與采空區(qū)形態(tài)相對應(yīng)的氡氣異常區(qū)。因此，測量地表氡元素的濃度(實(shí)際是測量氡及其子體衰變所釋放的射線的強(qiáng)度)，可以用于圈定采空區(qū)的平面位置。

2 探測工作量與質(zhì)量評價

2.1 瞬變電磁法工作量與質(zhì)量評價

瞬變電磁勘探在全區(qū)均勻布設(shè)測點(diǎn)，構(gòu)成線距20 m、點(diǎn)距20 m的測網(wǎng)。實(shí)際完成3 804個測點(diǎn)(包含336個干擾點(diǎn))、質(zhì)量檢查點(diǎn)156個(干擾區(qū)質(zhì)量檢查點(diǎn)13個)，完成試驗(yàn)點(diǎn)238個、試驗(yàn)物理點(diǎn)851個(干擾區(qū)內(nèi)65個)，總計完成物理點(diǎn)4 811個，覆蓋1.458 85 km2。

全區(qū)測深點(diǎn)已經(jīng)過三級質(zhì)量驗(yàn)收。其中，對非干擾區(qū)測點(diǎn)(3 468個)進(jìn)行評級，甲級測點(diǎn)2 942個，乙級測點(diǎn)526個，甲級率84.83%，乙級率15.17%。

依據(jù)《地面瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》(DZ/T 0187—1997)，質(zhì)量評價主要以系統(tǒng)檢查觀測來衡量。

全區(qū)各檢查點(diǎn)上各觀測道的均方誤差M計算公式為：

(4)

式中：Nj(ti)——第j點(diǎn)第i測道原始觀測數(shù)據(jù)；

Nj′(ti)——第j點(diǎn)第i測道系統(tǒng)檢查觀測數(shù)據(jù)；

n——參加統(tǒng)計計算的測道數(shù)。

質(zhì)量檢查143個，占野外資料采集數(shù)據(jù)(除336個受高壓線影響的點(diǎn)外)的4.12%，總均方相對誤差為6.36%，數(shù)據(jù)質(zhì)量符合《煤炭電法勘探規(guī)范》(MT/T898—2000)及《設(shè)計》要求。

2.2 同位素測氡法工程及數(shù)據(jù)質(zhì)量評價

本次采用TYHC-1活性炭測氡儀進(jìn)行測量數(shù)據(jù)，同位素測氡法以網(wǎng)狀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，線距40 m，點(diǎn)距20 m，共布置31條測線(2條重復(fù)觀測線)，測點(diǎn)1 287個(重復(fù)觀測點(diǎn)84個，室內(nèi)重復(fù)測量點(diǎn)77個)。

室外質(zhì)量檢查通過重復(fù)測量完成。在同一條線的相同點(diǎn)位置重復(fù)布設(shè)活性炭吸附器，將兩次測氡數(shù)據(jù)對比分析，結(jié)果表明，測量數(shù)據(jù)整體形態(tài)基本一致，每點(diǎn)的氡值差異在一定的范圍內(nèi)波動，氡值異常區(qū)范圍相近，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信。室內(nèi)以系統(tǒng)檢查觀測來衡量，質(zhì)量檢查點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)應(yīng)符合放射性測量的統(tǒng)計漲落規(guī)律。放射性測量數(shù)據(jù)服從泊松分布，滿足下列關(guān)系式，即

(5)

檢查點(diǎn)測量數(shù)據(jù)質(zhì)量誤差的衡量公式為

(6)

式中，σ——均方誤差。

相對標(biāo)準(zhǔn)誤差計算公式為

(7)

式中：nc——放射源加本底時的計數(shù)率；

nb——本底的計數(shù)率；

tb——確定nb所花費(fèi)的時間；

tc——確定nc所花費(fèi)的時間。

本次同位素測氡法野外重復(fù)觀測點(diǎn)84個，占全區(qū)設(shè)計物理點(diǎn)總數(shù)的7.0%；室內(nèi)共施工檢查點(diǎn)77個，占全區(qū)觀測工作點(diǎn)總數(shù)的6.4%，均符合規(guī)范要求。

3 資料解釋

3.1 視電阻率與同位素測氡對比分析

選擇研究區(qū)內(nèi)兩條較為典型的地電斷面(161線、185線)進(jìn)行詳細(xì)分析與解釋。斷面中等值線顏色從藍(lán)色—青色—淡紫羅蘭色—橙色—紅色的漸變，代表了視電阻率由低—較低—較高—高的漸變過程。

3.1.1 161線

圖4是161線視電阻率斷面(黑粗線為煤層底板)，圖5為161線測氡曲線。

圖4 161線瞬變電磁視電阻率擬斷面

圖5 161線測氡剖面

從縱向上看，由淺部到深部視電阻率值基本為“低—高—低”的變化特征，符合相應(yīng)地層的電性分布特征。從橫向上看，3#煤層底板附近，1 420—1 600段和1 640—2 000段為視電阻率低值區(qū)，幅值小于98.9 Ω·m，推斷為采空積水區(qū)，2 020—2 240段為視電阻率高值區(qū)，幅值105～140 Ω·m，推斷為采空區(qū)；8#煤層底板附近，1 420—1 680段、1 780—1 860段及2 020—2 240段均處于高值區(qū)，視電阻率值為105～140 Ω·m，推斷為采空區(qū)。

在圖5中，1 260—1 620號點(diǎn)段氡值較高，均超過600個計數(shù)/3 min，且波動較大，僅1 400和1 540測點(diǎn)氡值低于異常下限值，但不影響曲線整體形態(tài)，根據(jù)已有地質(zhì)資料和礦方提供的采掘資料，推斷為采空區(qū)。

3.1.2 185線

圖6為185線視電阻率斷面，圖7為185線測氡曲線。從縱向上看，由淺部到深部視電阻率值基本呈現(xiàn)“低—高—低”的變化特征，符合相應(yīng)地層的電性分布特征。從橫向上看，采用與161線相同的推斷方法，在3#煤層底板附近，1 240—1 600段、1 640—1 860段及1 920—2 060段為采空積水區(qū)；在8#煤層底板附近，1 240—1 560段和1 940—2 060段為采空積水區(qū)，1 600—1 700段為采空區(qū)。

在圖7中，1 420—1 600號點(diǎn)段、1 660—1 760號點(diǎn)段及1 820—2 020號點(diǎn)段氡值較高，均超過600個計數(shù)/3 min，且波動較大，僅個別測點(diǎn)氡值低于異常下限值，不影響曲線整體形態(tài)，推斷為采空區(qū)。

圖6 185線瞬變電磁視電阻率擬斷面

圖7 185線測氡剖面

3.2 順層視電阻率分析

圖8為3#煤層順層視電阻率切片，勘探區(qū)北部以低阻為主，南部主要為高阻區(qū)。結(jié)合實(shí)際開采資料，將視電阻率大于150 Ω·m的區(qū)域劃為3#煤層采空區(qū)；將視電阻率值為75.0～98.9 Ω·m的區(qū)域劃分為富水區(qū)，將視電阻率值小于75 Ω·m的區(qū)域劃分為采空積水區(qū)。

圖8 3#煤層順層視電阻率切片

圖9為8#煤層順層視電阻率切片，幅值同樣呈現(xiàn)北低南高的特征。

圖9 8#煤層順層視電阻率切片

結(jié)合實(shí)際開采資料，將視電阻率值大于150 Ω·m的區(qū)域劃為8#煤層采空區(qū)；將視電阻率值為75.0～98.9 Ω·m的區(qū)域劃分為富水區(qū)，將視電阻率值小于75.0 Ω·m的區(qū)域劃分為采空積水區(qū)。

3.3 同位素測氡濃度平面特征分析

同位素測氡法以氡氣濃度等值線為分析依據(jù)，與瞬變電磁綜合解釋，如圖10所示。反映了勘探區(qū)內(nèi)同位素氡氣濃度分布特征。依據(jù)各測氡曲線異常帶的劃定結(jié)果、生成同位素氡氣濃度的平面分布特征，結(jié)合瞬變電磁勘探解釋結(jié)果，將氡值大于650個計數(shù)/3 min以上的區(qū)域劃為采空區(qū)。對比順層視電阻率與氡氣濃度區(qū)域特征，推測的采空區(qū)位置基本一致，可信度較高。

圖10 勘探區(qū)內(nèi)氡氣濃度分布平面

3.4 煤層綜合推斷成果圖

依據(jù)瞬變電磁法與同位素測氡技術(shù)的斷面、平面解釋結(jié)果，分別得到3#煤層、8#煤層的綜合推斷成果圖見圖11、圖12。圖中，紅色網(wǎng)格區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)，青色網(wǎng)格區(qū)域?yàn)楦凰畢^(qū)，藍(lán)色網(wǎng)格區(qū)域?yàn)椴煽辗e水區(qū)。采空區(qū)為CK，采空積水區(qū)為CKJS，富水區(qū)為FS，由上到下、由左到右進(jìn)行編號。綜合分析3#、8#煤層視電阻率與氡濃度分布特征，圖11圈定了3#煤層采空區(qū)3處，采空積水區(qū)1處，富水區(qū)4處；圖12圈定了8#煤層采空區(qū)4處，采空積水區(qū)2處，富水區(qū)6處。本次圈定的采空區(qū)與現(xiàn)存的地質(zhì)、采掘資料基本吻合，部分采空積水區(qū)和富水區(qū)得到了生產(chǎn)驗(yàn)證，推斷成果可信度較高。

圖11 3#煤層綜合推斷成果圖

圖12 8#煤層綜合推斷成果圖

4 結(jié)束語

闡述了瞬變電磁法和同位素測氡法的測量原理，并將兩種方法綜合應(yīng)用于楊澗煤礦3#、8#煤層，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，獲得了各測線的視電阻率擬斷面圖、順煤層等值線圖及氡氣濃度分布平面圖。結(jié)合地質(zhì)資料，推斷3#、8#煤層的采空區(qū)、積水區(qū)、富水區(qū)分布情況，部分推測結(jié)果得到了實(shí)際生產(chǎn)的證實(shí)。本研究成果可為整合井田的采空區(qū)治理、災(zāi)害預(yù)測和開拓設(shè)計提供地質(zhì)依據(jù)。