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(cè)識(shí)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(cè)方法往往難以取得理想的效果,造成探測(cè)精度不足,無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定地質(zhì)狀況。因此多種物探手段相互結(jié)合,相互驗(yàn)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(duì)低阻敏感性高,在煤礦井下水文地質(zhì)勘測(cè)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(cè)、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(duì)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(yàn)決定選擇此兩種物探方法,在已知采空區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)研究,分析其最優(yōu)探測(cè)參數(shù),先使用瞬變電磁法在采空區(qū)探測(cè)積水情況,再使用激電中梯法驗(yàn)證采空區(qū)積水狀況,最后綜合分析探究?jī)煞N方法在煤礦中對(duì)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(hào)煤層,井田總體面積為11.1214 km2,地形呈西北高東南低之勢(shì),為一不規(guī)則多邊形,南北最寬約2.5 km,東西最長(zhǎng)達(dá)7.0 km,井田范圍內(nèi)無(wú)大的地表河流、水庫(kù)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(hào)與15號(hào)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(hào)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(wú)煤,向東、向西煤層變厚,總體上向西有變厚的趨勢(shì),井田中總體西部煤層較穩(wěn)定,賦存區(qū)大量可采,一般無(wú)夾矸,煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)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(hào)煤層已開(kāi)采多年,存在較大面積的采空區(qū),其中有1個(gè)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(cè)。
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(jì)勘查面積2.33 km2??碧絽^(qū)地層整體近東西向之勢(shì),為收集最佳地電信號(hào),達(dá)到最佳效果,瞬變電磁測(cè)線(xiàn)偏南北向布置,共設(shè)計(jì)瞬變電磁測(cè)線(xiàn)46條,線(xiàn)距40 m,點(diǎn)距20 m。激電中梯法勘探線(xiàn)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(lái)驗(yàn)證瞬變電磁法的推斷,共布置3條測(cè)線(xiàn)。
此次實(shí)驗(yàn)所選探測(cè)儀器為IGGETEM-30A瞬變電磁儀,數(shù)據(jù)采用重疊回線(xiàn)進(jìn)行采集,回線(xiàn)參數(shù)為20 m×20 m×5匝。在試驗(yàn)點(diǎn)上對(duì)增益、疊加次數(shù)、測(cè)量延時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。
3.1.1 增益對(duì)比的選擇
瞬變電磁探測(cè)增益能夠解釋為:與無(wú)向性的理想點(diǎn)比對(duì),等倍放大輸入功率,在一定距離外的測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生理想的可測(cè)信號(hào)。因此選擇發(fā)射電流5.5 A,對(duì)增益為1、10進(jìn)行試驗(yàn),采取從最大、最小兩端開(kāi)始逐漸逼近的方法,衰減曲線(xiàn)如圖1所示。分析圖1可知,增益為1時(shí),衰減曲線(xiàn)晚期道有跳躍;增益為10時(shí)衰減曲線(xiàn)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(xiàn)對(duì)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(cè)中,無(wú)線(xiàn)電或者高壓線(xiàn)的存在會(huì)對(duì)探測(cè)信號(hào)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(guò)增加疊加次數(shù)的方式抑制游離的干擾信號(hào)。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(shí)驗(yàn)所得參數(shù),同時(shí)根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)選取128、256、512次進(jìn)行疊加次數(shù)試驗(yàn),如圖2所示??煽吹蒋B加次數(shù)為128和256次曲線(xiàn)有曲折,而512次疊加對(duì)干擾信號(hào)抑制效果顯著。
圖2 疊加次數(shù)為1 28、256、51 2次衰減曲線(xiàn)對(duì)比Fig.2 The comparison of attenuation curves for superposition times of 128,256 and 512
3.1.3 延遲時(shí)間的選擇
延時(shí)和探測(cè)地層深度相關(guān),低延時(shí)雖然能增加對(duì)較淺地層的探測(cè)能力,但影響深部地層信息的探測(cè)能力;相反,高延遲會(huì)提高對(duì)深部地層的探測(cè)準(zhǔn)確性,但是會(huì)對(duì)淺部地層的探測(cè)造成一定誤差。因此探測(cè)精度與合適的接收延時(shí)密切相關(guān)。通過(guò)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(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示??梢园l(fā)現(xiàn),0及50μs兩種延遲時(shí)間的早期數(shù)據(jù)存在溢出或畸變現(xiàn)象,120μs延遲時(shí)間數(shù)據(jù)平滑且規(guī)律,因此選用延遲時(shí)間120μs。
圖3 采樣延遲0、50μs、1 20μs衰減曲線(xiàn)對(duì)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(hào)為DZD-6A。為選擇合適參數(shù),優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行了AB線(xiàn)對(duì)比試驗(yàn)及供電時(shí)間與供電電流選擇對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
3.2.1 供電極距的選取
供電極距長(zhǎng)度受信號(hào)大小的限制不宜過(guò)大,一般在1 200~1 800 m,在觀測(cè)信號(hào)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(duì)比試驗(yàn),如圖4所示。2條曲線(xiàn)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(xiàn)Fig.4 The resistivity curves of the power supply polar distances of 1 200 m and 1500 m
3.2.2 供電時(shí)間的選取
采用1 200 m極距,激電工作的供電時(shí)間試驗(yàn)選擇4、8、12 s做對(duì)比,如圖5所示。發(fā)現(xiàn)供電時(shí)間為8 s時(shí),所測(cè)激電異常值能達(dá)到飽和值的90%左右,可以滿(mǎn)足激電中梯法探測(cè)異常區(qū)的需求,因此供電時(shí)間選擇8 s。
圖5 不同供電時(shí)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(shí)間在異常點(diǎn)上選擇幾組由小到大的電流進(jìn)行觀測(cè),如圖6所示。經(jīng)比對(duì),2 A和3 A的供電電流,曲線(xiàn)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(duì)瞬變電磁法增益、疊加次數(shù)、接收延遲時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn),確定最終參數(shù)為:時(shí)基40 ms、增益10、采樣道46道、接收延時(shí)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(yàn),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(shí)間8 s,供電電流2 A。
瞬變電磁多測(cè)道曲線(xiàn)用來(lái)描述二次感應(yīng)電壓不同延時(shí)沿測(cè)點(diǎn)的變化,電阻率變化較小時(shí)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(cè)線(xiàn)感應(yīng)電壓多測(cè)道曲線(xiàn)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(xiàn)多測(cè)道曲線(xiàn)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?chē)鷾y(cè)點(diǎn)高,推斷可能是含水異常區(qū)。
圖7 740線(xiàn)多測(cè)道曲線(xiàn)Fig.7 The multi-trace curve of No.740 line
視電阻率擬斷面圖可解釋勘測(cè)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(xiàn)視電阻率斷面圖如圖8所示。縱坐標(biāo)為深度,橫坐標(biāo)為測(cè)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(hào)煤層附近的視電阻率等值線(xiàn)總體平直,表明所測(cè)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(shì),分析是由含水異常引起的;1 150 m處為F2斷層。
圖8 740線(xiàn)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(lái)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(cè)道曲線(xiàn)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?zhuān)话阍陔娮杪矢凰苑治鰣D中含水異常顯示為較低數(shù)值。
2號(hào)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(shì)綜合分析,對(duì)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(hào)YC1~YC8。
圖9 2號(hào)煤層順層電阻率平面圖Fig.9 The plane of No.2 coal seam bedding resistivity
對(duì)瞬變電磁法分析推斷出的疑似采空積水區(qū)和已測(cè)得的采空區(qū),運(yùn)用激電中梯法探測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。選取橫跨勘查區(qū)內(nèi)可疑采空積水區(qū)YC2的1060測(cè)線(xiàn)進(jìn)行典型對(duì)比分析。已有資料得知,2號(hào)煤層底板標(biāo)高950—970 m,采空范圍380~1 280 m樁號(hào)。1060線(xiàn)物探成果如圖10所示。
1060線(xiàn)視電阻率擬斷面圖(圖10a)可以看出,整個(gè)剖面電阻率值為15~105Ω·m,在測(cè)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(cè)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(cè)線(xiàn)布置激電中梯法進(jìn)行驗(yàn)證,通過(guò)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(duì)較低、極化率較高,與瞬變電磁探測(cè)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(xiàn)物探成果圖Fig.10 Geophysical exploration results of No.1060 line
經(jīng)上述方法,通過(guò)在所測(cè)異常區(qū)處打鉆驗(yàn)證,均有水涌出,可知2種物探方法結(jié)合的探測(cè)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(duì)比可知勘查區(qū)內(nèi)2號(hào)煤層底板標(biāo)高890—990 m,2號(hào)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(duì)已知采空區(qū)進(jìn)行地面物探參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)、綜合物探效果分析,總結(jié)了試驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、分析,并與地質(zhì)資料的對(duì)比,得出結(jié)論如下。
(1)對(duì)瞬變電磁法及激電中梯法探測(cè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,確定瞬變電磁法儀器參數(shù)為時(shí)基40 ms,采樣道46道,關(guān)斷時(shí)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(shí)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(chǎng),表明在沁水煤田2號(hào)煤層探測(cè)效果較好,為以后該地區(qū)探測(cè)提供理論依據(jù)。
(2)地面物探采用瞬變電磁法探測(cè),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(yàn)證,將8處可疑區(qū)域定性為采空區(qū)積水,經(jīng)打鉆驗(yàn)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。