王國(guó)強(qiáng)

（榆林市榆神煤炭榆樹灣煤礦有限公司，陜西 榆林 719000）

1 引言

由于早期煤礦開采技術(shù)及管理制度缺陷，我國(guó)部分煤礦中存在大量分布不明的采空積水區(qū)[1-3]，嚴(yán)重影響煤礦生產(chǎn)安全。因此，準(zhǔn)確探測(cè)煤礦采空區(qū)并及時(shí)采取防治措施對(duì)保證煤礦的安全性十分重要?，F(xiàn)有成果多是基于鉆探技術(shù)或單獨(dú)某種物探技術(shù)探測(cè)礦區(qū)采空區(qū)的存在，存在經(jīng)濟(jì)成本高、探測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確等問題[4-5]。因此，引入新型綜合物探技術(shù)并精確探測(cè)煤礦采空積水區(qū)的位置十分重要。

2 T-R 綜合物探技術(shù)

2.1 TEM 法

瞬變電磁法（TEM）是通過不接地回線或接地線源往地下發(fā)射脈沖電磁場(chǎng)，并在一次脈沖電磁場(chǎng)間歇期內(nèi)再次利用不接地線圈或接地電極探測(cè)二次渦流場(chǎng)的探測(cè)方法（圖1）。TEM 法具有定向性好、全方位探測(cè)、探測(cè)距離大和探測(cè)分辨率高等特殊優(yōu)勢(shì)。通過測(cè)量斷電后各個(gè)時(shí)間段內(nèi)二次場(chǎng)隨時(shí)間變化趨勢(shì)，可以獲得不同深度的地電特征。

圖1 TEM 法原理圖

2.2 RWP 法

無線電磁波探測(cè)法（RWP）的基本工作原理（圖2）是地下各種巖、礦石特別是斷層及采空區(qū)等對(duì)電磁波能量吸收程度不同，因此可以判別地下地層基本情況。通過研究采區(qū)煤層、地質(zhì)構(gòu)造及巖體斷層等對(duì)電磁波的影響及其造成的無線電波透視異常現(xiàn)象，可以進(jìn)行一定的地質(zhì)推斷和解釋。

圖2 無線電波透視探測(cè)原理示意圖

2.3 T-R 綜合物探技術(shù)

T-R 綜合物探技術(shù)采用大定源TEM 一維正演計(jì)算偏離發(fā)射回線中心不同位置測(cè)點(diǎn)的瞬變電磁響應(yīng)，再以大定源TEM 一維正演理論為基礎(chǔ)反演計(jì)算非中心點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確還原了模型的電性特征。進(jìn)一步對(duì)RWP 頻率進(jìn)行優(yōu)化，通過結(jié)合目標(biāo)層埋深加密對(duì)應(yīng)埋深范圍內(nèi)的頻點(diǎn)，提高了RWP對(duì)淺埋地質(zhì)體的分辨能力。該技術(shù)可以消除TEM法中偏離距帶來的早期信號(hào)偏差，還原模型的真實(shí)電阻率；同時(shí)響應(yīng)優(yōu)化頻率的RWP 采集更豐富的淺部地層信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)淺埋地質(zhì)體的精準(zhǔn)探測(cè)。

3 工程應(yīng)用分析

3.1 礦區(qū)地球物理特征

根據(jù)本次井下電法勘探實(shí)測(cè)成果，結(jié)合2008年完成的20102 工作面地電影像反演成果及鉆孔揭露地層資料分析，本區(qū)地層電性特征見表1。由表1 可知，本區(qū)煤層電阻率明顯高于頂板砂巖，煤層電阻率大于150 Ω·m，頂板延安組砂巖的電阻率為40～150 Ω·m，含水砂巖的電阻率明顯低，一般小于56 Ω·m；直羅組砂巖的電阻率為20～40 Ω·m，含水砂巖的電阻率明顯低，一般小于23 Ω·m?？梢娒簩印⑸皫r、含水砂巖電阻率有明顯的電性差異。

表1 地層巖性電性特征表

3.2 測(cè)試設(shè)備和測(cè)點(diǎn)布置

TEM 探測(cè)法采用國(guó)產(chǎn)YCS-111 型瞬變電磁儀，該儀器的發(fā)射電流小于5 A，發(fā)射電壓在20～30 V之間，共有160 個(gè)測(cè)道，采樣間隔為2μs，最小接收信號(hào)1uv，具有抗干擾能力強(qiáng)、輕便易攜和自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。RWP 探測(cè)工作采用WKT-E 型無線電波坑道透視儀，該設(shè)備共有4 個(gè)頻點(diǎn)，根據(jù)工作面的實(shí)際情況，采用88 kHz。

采用上述探測(cè)設(shè)備展開該區(qū)域的采空區(qū)探測(cè)，T-R 綜合物探技術(shù)測(cè)點(diǎn)布置如圖3。其中，TEM 測(cè)試線有兩條，分別為TEM-1 和TEM-11 線，兩條TEM 線的長(zhǎng)度為1000 m，每條測(cè)線上分布有50 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間距約20 m。RWP 測(cè)試線僅有一條，測(cè)線長(zhǎng)度為600 m，測(cè)線上共布置有20 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間距為30 m。TEM 測(cè)線和RWP 測(cè)線之間的夾角為45°。

圖3 T-R 綜合物探技術(shù)測(cè)點(diǎn)分布圖

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

圖4 為TEM-1 線和RWP-1 線上不同測(cè)點(diǎn)測(cè)試所得數(shù)據(jù)變化圖。由圖4（a）可知，測(cè)點(diǎn)的歸一化電壓隨時(shí)間逐漸衰減，且衰減迅速，在8 ms 探測(cè)時(shí)間內(nèi)，測(cè)點(diǎn)的歸一化電壓從3000 μV/A 降到0.1 μV/A 以下。歸一化電壓隨時(shí)間的衰減速率越來越慢，二者之間呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。8 號(hào)測(cè)點(diǎn)的電壓始終高于40 號(hào)測(cè)點(diǎn)，這表明8 號(hào)測(cè)點(diǎn)的電壓衰減速率較慢，因此可見其為相對(duì)低阻點(diǎn)。由圖4（b）可知，測(cè)點(diǎn)的視電阻率隨頻率增大而呈線性增大的變化趨勢(shì)。2 號(hào)測(cè)點(diǎn)的電阻率在2000～6000 Hz 范圍內(nèi)較低而在500～1000 Hz 范圍內(nèi)較高，根據(jù)RWP法測(cè)試原理可知在地下埋深100～150 m 處含有煤層。

基于TEM-RWP 綜合物探技術(shù)得到TEM-1 線、TEM-11 線和RWP-1 線的視電阻率成像如圖5、圖6。由圖可知，橫斷面整體呈左邊電阻低、右邊電阻高的變化趨勢(shì)，這與地區(qū)煤礦煤層的走勢(shì)相一致；縱斷面上左右電阻呈近似對(duì)稱分布狀態(tài)，且成像圖可以明顯反映出煤層的分布形態(tài)。在TEM-1 線上6～14 號(hào)測(cè)點(diǎn)覆蓋區(qū)間范圍內(nèi)為已知采空區(qū)，其在視電阻率成像圖上表現(xiàn)出低阻影響，因此可以推測(cè)該區(qū)域已經(jīng)有積水賦存。同時(shí)，在TEM-11 線上的1～16 測(cè)點(diǎn)間也存在某個(gè)低電阻異常區(qū)，再結(jié)合RWP 視電阻率成像結(jié)果可知（圖6），RWP-1 線上1～6 測(cè)點(diǎn)間的低電阻異常區(qū)反應(yīng)的是圖5 中的已知采空積水區(qū)，而相對(duì)應(yīng)的14～20 號(hào)測(cè)點(diǎn)之間的低電阻異常區(qū)則有可能是未知的采空積水區(qū)。因此，根據(jù)T-R 綜合物探技術(shù)得到的檢測(cè)結(jié)果，在TEM-11線的6 號(hào)測(cè)點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)鉆深為175 m 的鉆孔（穿透未知低電阻異常區(qū)），根據(jù)鉆孔探測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該低電阻異常區(qū)為采空積水區(qū)。因此可見，T-R 綜合物探技術(shù)能夠有效探測(cè)發(fā)現(xiàn)煤礦的采空區(qū)。

圖4 T-R 技術(shù)不同測(cè)點(diǎn)測(cè)試所得數(shù)據(jù)變化圖

圖5 TEM 線測(cè)點(diǎn)視電阻成像圖

圖6 RWP 線測(cè)點(diǎn)視電阻成像圖

4 結(jié)論

為準(zhǔn)確定位淺層煤礦中存在的采空積水區(qū)，保證煤礦生產(chǎn)安全，基于現(xiàn)有技術(shù)提出了一種新型T-R綜合物探技術(shù)，并依托榆樹灣煤礦開采工程，展開了現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)以驗(yàn)證該技術(shù)的可行性。研究主要結(jié)論如下：

（1）新型T-R 綜合物探技術(shù)能夠綜合發(fā)揮TEM 法和RWP 法的優(yōu)點(diǎn)，具有探測(cè)精度高、探測(cè)速度快等優(yōu)勢(shì)。

（2）榆樹灣煤礦綜合物探探測(cè)區(qū)域橫斷面整體呈左邊電阻低、右邊電阻高的變化趨勢(shì)，這與地區(qū)煤礦煤層的走勢(shì)相一致；縱斷面上左右電阻呈近似對(duì)稱分布狀態(tài)，且成像圖可以明顯反映出煤層的分布形態(tài)。

（3）T-R 綜合物探技術(shù)探測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)該區(qū)域存在兩個(gè)低電阻異常區(qū)，其中一個(gè)為已知采空積水區(qū)，另一個(gè)通過鉆探確定亦為采空積水區(qū)，可見T-R 綜合物探技術(shù)能夠有效探測(cè)發(fā)現(xiàn)煤礦的采空區(qū)。