林建功,張 磊,肖 勇
(1.山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院,山西 大同037003,2.山西省煤炭地質(zhì)115勘查院,山西 大同 037003)
采空區(qū)積水給礦井安全生產(chǎn)造成隱患,因此,查明老采空區(qū)的位置、分布以及積水情況,降低煤礦水害發(fā)生的可能性。地球物理勘探技術(shù)利用煤層與采空區(qū)、巖層之間的巖石物性差異探測識別地下構(gòu)造體結(jié)構(gòu)、采空區(qū)分布及含水情況,是煤礦防治水工作中常用的勘探方法。但工區(qū)的干擾以及物探資料解釋的多解性,單一的探測方法往往難以取得理想的效果,造成探測精度不足,無法準(zhǔn)確測定地質(zhì)狀況。因此多種物探手段相互結(jié)合,相互驗證的綜合物探方法可以取得更好的效果。瞬變電磁法因其對低阻敏感性高,在煤礦井下水文地質(zhì)勘測方面應(yīng)用較好,常用于礦井水害防治;激電中梯法在金屬礦探測、地質(zhì)勘查中應(yīng)用較多,主要特點(diǎn)是效果明顯,特別是對于含硫化礦物的反應(yīng),能很好的吻合地質(zhì)情況,提高勘探效率和勘探精確度。此次試驗決定選擇此兩種物探方法,在已知采空區(qū)進(jìn)行試驗研究,分析其最優(yōu)探測參數(shù),先使用瞬變電磁法在采空區(qū)探測積水情況,再使用激電中梯法驗證采空區(qū)積水狀況,最后綜合分析探究兩種方法在煤礦中對于采空區(qū)積水的勘探效果。
山西蘭花沁裕煤礦坐落于沁水煤田西南部邊沿地帶,獲批采掘2~15號煤層,井田總體面積為11.1214 km2,地形呈西北高東南低之勢,為一不規(guī)則多邊形,南北最寬約2.5 km,東西最長達(dá)7.0 km,井田范圍內(nèi)無大的地表河流、水庫等,礦井充水大多由大氣降水和地下水組成。
井田內(nèi)含煤地層總厚130.44 m,共10層煤,煤層總厚度7.34 m,含煤系數(shù)5.63%。2號與15號兩煤層可采,可采煤層總厚度大約3.64 m,含煤系數(shù)2.79%。2號煤層處在山西組中部,煤層厚度0~2.40 m,平均為1.40 m,井田西部煤層穩(wěn)定,中部變薄,局部無煤,向東、向西煤層變厚,總體上向西有變厚的趨勢,井田中總體西部煤層較穩(wěn)定,賦存區(qū)大量可采,一般無夾矸,煤層結(jié)構(gòu)較簡單,頂板主要巖體分布為泥巖、粉砂巖,底板大多為泥巖、砂質(zhì)泥巖。
該井田2號煤層已開采多年,存在較大面積的采空區(qū),其中有1個采空區(qū)存在積水。
此次運(yùn)用瞬變電磁法與激電中梯法相結(jié)合的綜合物探方法進(jìn)行物探勘測。
物探勘查區(qū)域覆蓋井田中部,勘查區(qū)內(nèi)海拔最高處1 247 m,最低處1 005 m,高差242 m。設(shè)計勘查面積2.33 km2??碧絽^(qū)地層整體近東西向之勢,為收集最佳地電信號,達(dá)到最佳效果,瞬變電磁測線偏南北向布置,共設(shè)計瞬變電磁測線46條,線距40 m,點(diǎn)距20 m。激電中梯法勘探線布設(shè)在瞬變電磁法分析推斷的采空積水異常區(qū)域及采空區(qū)上,用來驗證瞬變電磁法的推斷,共布置3條測線。
此次實驗所選探測儀器為IGGETEM-30A瞬變電磁儀,數(shù)據(jù)采用重疊回線進(jìn)行采集,回線參數(shù)為20 m×20 m×5匝。在試驗點(diǎn)上對增益、疊加次數(shù)、測量延時進(jìn)行試驗。
3.1.1 增益對比的選擇
瞬變電磁探測增益能夠解釋為:與無向性的理想點(diǎn)比對,等倍放大輸入功率,在一定距離外的測試點(diǎn)產(chǎn)生理想的可測信號。因此選擇發(fā)射電流5.5 A,對增益為1、10進(jìn)行試驗,采取從最大、最小兩端開始逐漸逼近的方法,衰減曲線如圖1所示。分析圖1可知,增益為1時,衰減曲線晚期道有跳躍;增益為10時衰減曲線表現(xiàn)圓滑,因此選擇增益為10為數(shù)據(jù)采集參數(shù)。
圖1 增益1、1 0衰減曲線對比Fig.1 The comparison of gain No.1 and No.10 attenuation curves
3.1.2 疊加次數(shù)的選擇
在瞬變電磁法探測中,無線電或者高壓線的存在會對探測信號造成不同程度的干擾,為提高采集數(shù)據(jù)的信噪比,可通過增加疊加次數(shù)的方式抑制游離的干擾信號。為確定壓制隨機(jī)電磁干擾的最少疊加次數(shù),采用上述實驗所得參數(shù),同時根據(jù)以往經(jīng)驗選取128、256、512次進(jìn)行疊加次數(shù)試驗,如圖2所示??煽吹蒋B加次數(shù)為128和256次曲線有曲折,而512次疊加對干擾信號抑制效果顯著。
圖2 疊加次數(shù)為1 28、256、51 2次衰減曲線對比Fig.2 The comparison of attenuation curves for superposition times of 128,256 and 512
3.1.3 延遲時間的選擇
延時和探測地層深度相關(guān),低延時雖然能增加對較淺地層的探測能力,但影響深部地層信息的探測能力;相反,高延遲會提高對深部地層的探測準(zhǔn)確性,但是會對淺部地層的探測造成一定誤差。因此探測精度與合適的接收延時密切相關(guān)。通過在發(fā)射電流5.5 A、疊加次數(shù)512次、增益10的條件下進(jìn)行接收延遲0、50μs、120μs的試驗,試驗結(jié)果如圖3所示??梢园l(fā)現(xiàn),0及50μs兩種延遲時間的早期數(shù)據(jù)存在溢出或畸變現(xiàn)象,120μs延遲時間數(shù)據(jù)平滑且規(guī)律,因此選用延遲時間120μs。
圖3 采樣延遲0、50μs、1 20μs衰減曲線對比Fig.3 The comparison of attenuation curves for sampling delay of 0μs,50μs and 120μs
激電中梯法選用多功能直流電法(激電)儀,型號為DZD-6A。為選擇合適參數(shù),優(yōu)化實驗結(jié)果,進(jìn)行了AB線對比試驗及供電時間與供電電流選擇對比實驗。
3.2.1 供電極距的選取
供電極距長度受信號大小的限制不宜過大,一般在1 200~1 800 m,在觀測信號能保證精度要求下,設(shè)置接收電極MN距離為40 m,在勘探區(qū)進(jìn)行1 200 m、1 500 m供電極距對比試驗,如圖4所示。2條曲線從800~1 080 m處均呈現(xiàn)了低視電阻率和高視極化率的特征,分析認(rèn)為此處符合采空積水的特征,精度較高且平穩(wěn)性好、異常反應(yīng)穩(wěn)定且規(guī)律,因此選用AB=1 200 m的極距。
圖4 供電極距分別為1 200、1 500 m電阻率曲線Fig.4 The resistivity curves of the power supply polar distances of 1 200 m and 1500 m
3.2.2 供電時間的選取
采用1 200 m極距,激電工作的供電時間試驗選擇4、8、12 s做對比,如圖5所示。發(fā)現(xiàn)供電時間為8 s時,所測激電異常值能達(dá)到飽和值的90%左右,可以滿足激電中梯法探測異常區(qū)的需求,因此供電時間選擇8 s。
圖5 不同供電時間剖面圖Fig.5 The profiles of different power supply time
3.2.3 供電電流的選取
采用所選定的極距、供電時間在異常點(diǎn)上選擇幾組由小到大的電流進(jìn)行觀測,如圖6所示。經(jīng)比對,2 A和3 A的供電電流,曲線區(qū)別不大,因此供電電流選取2 A。
圖6 不同供電電流剖面圖Fig.6 The profiles of different power supply currents
對瞬變電磁法增益、疊加次數(shù)、接收延遲時間等參數(shù)進(jìn)行試驗,確定最終參數(shù)為:時基40 ms、增益10、采樣道46道、接收延時120μs、疊加次數(shù)512次、發(fā)射電流5.5A。
根據(jù)激電中梯法參數(shù)優(yōu)化試驗,施工參數(shù)最終確定為:供電極距AB=1 200 m,點(diǎn)距MN=20 m,供電時間8 s,供電電流2 A。
瞬變電磁多測道曲線用來描述二次感應(yīng)電壓不同延時沿測點(diǎn)的變化,電阻率變化較小時圖像變化均勻且平緩,有小概率存在電性異常體(含水地質(zhì)體)。平面上,各測線感應(yīng)電壓多測道曲線是瞬變電磁資料的主要依據(jù)之一,二次感應(yīng)電壓中間高兩側(cè)低可解釋含水異常體特征,富水性越強(qiáng),變化幅度越大。740線多測道曲線如圖7所示。圖7中,560~640 m、780~860 m和1 150 m處感應(yīng)電壓比周圍測點(diǎn)高,推斷可能是含水異常區(qū)。
圖7 740線多測道曲線Fig.7 The multi-trace curve of No.740 line
視電阻率擬斷面圖可解釋勘測區(qū)內(nèi)存在的地質(zhì)異常情況,是瞬變電磁數(shù)據(jù)的重要圖件資料,可判斷含水異常體。740線視電阻率斷面圖如圖8所示??v坐標(biāo)為深度,橫坐標(biāo)為測點(diǎn)??v向分析表明,視電阻率值按顏色深淺表現(xiàn)不同電性特征,反映不同地層的電性變化。從橫向上看,2號煤層附近的視電阻率等值線總體平直,表明所測區(qū)域地層構(gòu)造及基底形態(tài)。在620 m、760~860 m處電阻率呈低阻或劇烈變化態(tài)勢,分析是由含水異常引起的;1 150 m處為F2斷層。
圖8 740線視電阻率擬斷面圖Fig.8 The apparent resistivity section diagram of No.740 line
順層電阻率圖也常常被用來分析瞬變電磁法。在順層電阻率平面圖中,它不僅可以顯示含水異常的整體輪廓,而且配合多測道曲線和視電阻率擬斷面圖可以進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確的含水異常解釋,一般在電阻率富水性分析圖中含水異常顯示為較低數(shù)值。
2號煤層順層電阻率情況如圖9所示。根據(jù)地質(zhì)資料并結(jié)合視電阻率擬斷面圖的整體數(shù)據(jù)與走勢綜合分析,對于低于10Ω·m的低阻區(qū)域,推斷出疑似采空積水異常區(qū)8處,分別編號YC1~YC8。
圖9 2號煤層順層電阻率平面圖Fig.9 The plane of No.2 coal seam bedding resistivity
對瞬變電磁法分析推斷出的疑似采空積水區(qū)和已測得的采空區(qū),運(yùn)用激電中梯法探測進(jìn)行驗證。選取橫跨勘查區(qū)內(nèi)可疑采空積水區(qū)YC2的1060測線進(jìn)行典型對比分析。已有資料得知,2號煤層底板標(biāo)高950—970 m,采空范圍380~1 280 m樁號。1060線物探成果如圖10所示。
1060線視電阻率擬斷面圖(圖10a)可以看出,整個剖面電阻率值為15~105Ω·m,在測點(diǎn)480~1 240煤層上覆巖層電阻率畸變明顯,符合采空區(qū)特征,與已知采空區(qū)資料顯示一致;在測點(diǎn)820~900電阻率明顯較低,為可疑采空積水區(qū)YC2。
在上述測線布置激電中梯法進(jìn)行驗證,通過視極化率、視電阻率剖面圖(圖10b)可知,在840~900范圍在采空區(qū)內(nèi),電阻率相對較低、極化率較高,與瞬變電磁探測結(jié)果異常特征一致,判斷840~900范圍為采空區(qū)積水段。
圖1 0 1 060線物探成果圖Fig.10 Geophysical exploration results of No.1060 line
經(jīng)上述方法,通過在所測異常區(qū)處打鉆驗證,均有水涌出,可知2種物探方法結(jié)合的探測結(jié)果可信度較高,8處推斷異常區(qū)域均可定性為采空積水區(qū)。綜合對比可知勘查區(qū)內(nèi)2號煤層底板標(biāo)高890—990 m,2號煤層在勘查區(qū)中部有較大范圍采空。
運(yùn)用瞬變電磁法及激電中梯法兩種物探方法對已知采空區(qū)進(jìn)行地面物探參數(shù)優(yōu)化試驗、綜合物探效果分析,總結(jié)了試驗結(jié)果。經(jīng)過對試驗數(shù)據(jù)的處理、分析,并與地質(zhì)資料的對比,得出結(jié)論如下。
(1)對瞬變電磁法及激電中梯法探測參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,確定瞬變電磁法儀器參數(shù)為時基40 ms,采樣道46道,關(guān)斷時間120μs,疊加次數(shù)512次,發(fā)射電流5.5A;激電中梯法供電極距1 200 m,供電時間8 s,供電電流至少2 A。將優(yōu)化后參數(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場,表明在沁水煤田2號煤層探測效果較好,為以后該地區(qū)探測提供理論依據(jù)。
(2)地面物探采用瞬變電磁法探測,確定可疑采空積水區(qū)8處,在此基礎(chǔ)上采用激電中梯法進(jìn)行驗證,將8處可疑區(qū)域定性為采空區(qū)積水,經(jīng)打鉆驗證有水涌出,表明兩種物探方法結(jié)合應(yīng)用效果較好,結(jié)果可信度較高。