韋乖強(qiáng)，趙 慧

(1.山東省煤田地質(zhì)局第五勘探隊(duì)，濟(jì)南 250100； 2.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，濟(jì)南 250013)

0 引言

在資源整合礦井老窯采空區(qū)邊界探測(cè)中，地面常用的物探方法有瞬變電磁法、高密度電阻率成像法、CSAMT、地震勘探、放射性測(cè)量等；煤礦井下探測(cè)老窯采空區(qū)的物探方法有礦井瞬變電磁法、直流電法、探地雷達(dá)、地震波勘探方法等。在諸多方法中，礦井瞬變電磁法是目前礦井應(yīng)用最普遍的物探方法之一，該方法以其對(duì)低電阻率反映敏感、施工便利、距離目標(biāo)體近、體積效應(yīng)小、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于煤礦井下的水害探測(cè)、老窯采空區(qū)邊界及積水探測(cè)、斷層的導(dǎo)含水性、含水巖層富水性評(píng)價(jià)等，為煤礦井下安全采掘及開展防治水提供了依據(jù)。

1 礦井瞬變電磁法

瞬變電磁法(簡(jiǎn)稱TEM)是一種時(shí)間域的電磁感應(yīng)探測(cè)方法，在一次脈沖場(chǎng)激發(fā)下地質(zhì)體會(huì)激勵(lì)起感應(yīng)二次場(chǎng)，若探測(cè)位置存在良導(dǎo)體，則二次場(chǎng)衰減慢，反之衰減較快。由二次場(chǎng)的變化所反映的地質(zhì)體電性分布情況就可以推斷探測(cè)范圍內(nèi)不良地質(zhì)體的地質(zhì)特征[1-10]。

礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應(yīng)的勘探方法，受井下環(huán)境及測(cè)量線圈大小限制，其可靠探測(cè)距離約為100m，最大不超過150m。據(jù)“煙圈”理論可知，早、晚期的瞬變電磁場(chǎng)反映了不同距離地質(zhì)體的電性特征。礦井瞬變電磁根據(jù)不同時(shí)間t的感應(yīng)二次場(chǎng)變化，計(jì)算處理后便可獲得探測(cè)位置由近及遠(yuǎn)的巖層電性特征[1-3]。

礦井瞬變電磁晚期視電阻率ρs的計(jì)算公式為

(1)

式中：C為全空間響應(yīng)系數(shù)，為常數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率，為常數(shù)，4π×10-7N/A2；S為發(fā)射線圈面積，m2；N為發(fā)射線圈匝數(shù)，匝；s為接收線圈面積，m2；n為接收線圈匝數(shù)，匝;t為測(cè)量時(shí)間，ms；V/I為觀測(cè)到的感應(yīng)二次場(chǎng)，μV/A。求得視電阻率ρs后，便可利用下式進(jìn)行時(shí)-深轉(zhuǎn)換，求取不同延時(shí)的對(duì)應(yīng)深度[1-4]。

(2)

式中：Ds(t)為t時(shí)刻電磁場(chǎng)傳播距離，m；v(ρs，t) 為任意導(dǎo)電介質(zhì)分布情況下電磁場(chǎng)垂直擴(kuò)散速度，m/s。

2 礦井概況及探測(cè)技術(shù)

貴州水城某礦為資源整合礦井，因資源整合礦井開采時(shí)間較長(zhǎng),廢棄老窯及采空區(qū)多,存在老窯采空區(qū)資料不祥,積水情況不明等問題。該礦在掘進(jìn)1202工作面回風(fēng)巷道時(shí)，根據(jù)前期收集資料，在1202工作面回風(fēng)巷道左側(cè)上邦位置存在采空區(qū)，為了確定采空區(qū)是否存在及與擬掘進(jìn)巷道位置的距離、含水情況，組織實(shí)施了本次探測(cè)研究工作。

2.1 地質(zhì)概況

該礦的1202工作面主采M2煤層，平均煤厚1.7m，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含2～4層高嶺土夾矸，頂板巖性主要為粉砂巖，底板巖性為細(xì)砂巖。1202工作面回風(fēng)巷水平標(biāo)高約為1 380m，巷道高度約2.3m，寬度約2m，回風(fēng)巷迎頭存在地段部分積水，據(jù)已知資料顯示該工作面左上邦位置存在M5煤層采空區(qū)，巷道距離采空區(qū)的實(shí)際距離不詳，從圖紙上統(tǒng)計(jì)老窯采空區(qū)與掘進(jìn)巷道的距離如表1所示。

表1 老窯采空區(qū)邊界距離統(tǒng)計(jì)表

2.2 地球物理特征

從礦井瞬變電磁法探測(cè)實(shí)踐來看，正常煤系地層巖性主要為泥巖、砂巖及煤層，電阻率一般為20～80Ω·m，視電阻率等值線較為平緩。在地層原始狀態(tài)下，其電性特征有相對(duì)固定的變化規(guī)律，當(dāng)煤層開采并經(jīng)歷一定時(shí)間后，頂板垮塌，形成冒落帶、裂隙帶、彎曲變形帶[11-12]，采空區(qū)積水可能沿裂隙上升到裂隙帶，打破了原有的煤系地層結(jié)構(gòu)，采空區(qū)附近的電阻率也會(huì)出現(xiàn)明顯變化，電阻率的大小因巖層破壞程度、含水程度的不同而不同[6-8]。這些電性變化特征為礦井瞬變電磁法探測(cè)老窯采空區(qū)邊界及富水性評(píng)價(jià)提供了可靠的地球物理探測(cè)前提[4-16]。

2.3 探測(cè)技術(shù)方案

為查明1202回風(fēng)巷左側(cè)上邦采空區(qū)的邊界位置及富水性，對(duì)比分析老窯采空區(qū)邊界和擬掘設(shè)計(jì)巷道的距離，為巷道安全掘進(jìn)和防治水工作提供依據(jù)?，F(xiàn)有采掘平面圖顯示M5煤層和M2煤層的間距,及迎頭位置到采空區(qū)的推斷距離，分析認(rèn)為在迎頭左側(cè)沿30°方向的平面開展超前探測(cè)最為有效，因此在該探測(cè)平面內(nèi)布設(shè)了0°、15°、30°、45°、60°、90°、120°七個(gè)不同方向的探測(cè)角度，以最大限度滿足探測(cè)距離及反映目標(biāo)異常的需要，圖1為30°方向平面探測(cè)示意圖。

圖1 30°方向平面探測(cè)示意圖Figure 1 Schematic diagram of updip 30° plane prospecting

圖2為垂直方向的探測(cè)示意圖，該探測(cè)平面布置在水平探測(cè)平面的90°探測(cè)位置，垂向布設(shè)，分別布設(shè)了上60°、上45°、上30°、上15°、0°、下15°、下30°、下45°、下60°九個(gè)不同的探測(cè)角度，對(duì)比分析兩個(gè)不同探測(cè)平面的異常反映情況，以確定老窯采空區(qū)的邊界及影響范圍。

圖2 垂直方向探測(cè)示意圖Figure 2 Schematic diagram of vertical plane prospecting

本次探測(cè)選用多匝小回線共軸偶極裝置，基本參數(shù)為：回線邊長(zhǎng)1.5m×1.5m，匝數(shù)80匝，頻率25Hz,發(fā)射電流2.2A。

3 探測(cè)成果

圖3為1202回風(fēng)巷迎頭左上傾30°方向超前探測(cè)平面圖。從該成果圖可以看出，視電阻率高低差異明顯，在1202回風(fēng)巷掘進(jìn)方向的左側(cè)上邦方向55m位置，視電阻率相對(duì)較低，平均小于10Ω·m，推斷該位置巖層破碎、裂隙發(fā)育，富含水。圖4為垂直方向的探測(cè)成果，該圖在探測(cè)位置正前方55m左右，視電阻率等值線梯度也表現(xiàn)出明顯變化，視電阻率值相對(duì)較低，平均小于10Ω·m，探測(cè)結(jié)果說明該區(qū)域巖層完整性破壞，裂隙發(fā)育、富含水。

圖3 30°方向平面視電阻率剖面圖Figure 3 Updip 30° plane apparent resistivity section

圖4 垂直方向視電阻率剖面圖Figure 4 Vertical plane apparent resistivity section

對(duì)比分析上傾30°方向平面和垂直方向視電阻率剖面圖，推斷該低電阻率異常位置為老窯采空區(qū)的電性反映，兩個(gè)不同方向探測(cè)成果反映的低阻異常位置吻合較好，說明探測(cè)成果反映真實(shí)。

該整合礦原采掘平面圖顯示，探測(cè)位置下方存在M5煤老窯采空區(qū)(也即上邦采空區(qū))，采空區(qū)邊界距離擬掘設(shè)計(jì)巷道約63m，從本次探測(cè)成果圖5可以看出，推斷解釋的老窯采空區(qū)邊界位置整體向擬掘巷道有所偏移(表2)，偏移量平均約8.5m，

表2 老窯采空區(qū)邊界距離對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

圖5 1202工作面回風(fēng)巷超前探測(cè)成果圖Figure 5 Working face No.1202 outtake advancedprospecting result

根據(jù)本次探測(cè)成果和前期收集的采掘平面圖對(duì)比來看，在1202回風(fēng)巷上邦的采空區(qū)確實(shí)存在，且富含水。按照《煤礦防治水細(xì)則》的規(guī)定，制定專門的水文地質(zhì)分析報(bào)告和水害防治措施，采取探放水等相關(guān)措施查清采空區(qū)的積水量及補(bǔ)給情況等，綜合分析已知M5煤采空區(qū)和M2煤層的空間位置關(guān)系以及對(duì)1202工作面的影響，落實(shí)防治水措施，確保安全開采。

4 結(jié)論

通過礦井瞬變電磁法對(duì)資源整合礦井1202工作面回風(fēng)巷左上邦老窯采空區(qū)的探測(cè)成果表明,該方法推斷解釋的采空區(qū)邊界比已知采掘工程平面圖上的采空區(qū)上移了約8.5m，推斷其受老窯采空區(qū)影響，且該老窯采空區(qū)富水。探測(cè)實(shí)踐表明：

1)該方法對(duì)于資源整合礦井老窯采空區(qū)邊界及富水性的探測(cè)是一種快速有效的探測(cè)方法。

2)結(jié)合已知資料制定科學(xué)探測(cè)方案，最大限度滿足探測(cè)距離對(duì)反映異常目標(biāo)的需要。結(jié)合礦方現(xiàn)有實(shí)際采掘資料，運(yùn)用物探、水文地質(zhì)、開采技術(shù)等專業(yè)知識(shí)綜合分析，能夠取得相對(duì)可靠的地質(zhì)成果。

3)該方法的探測(cè)成果為煤礦優(yōu)化開采方案、指導(dǎo)礦井開展防治水提供了依據(jù)。