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        多激勵(lì)源地空瞬變電磁法在煤礦隱蔽災(zāi)害探測中的應(yīng)用

        2023-11-04 14:09:36孫海川王文忠王亞峰張鵬寧邵程龍施望科魏代杰
        大科技 2023年46期
        關(guān)鍵詞:電性積水電阻率

        孫海川,王文忠,劉 磊,王亞峰,張鵬寧,邵程龍,施望科,徐 劼,魏代杰

        (甘肅煤炭地質(zhì)勘查院,甘肅 蘭州 730000)

        0 引言

        煤礦隱蔽致災(zāi)因素主要包括采空區(qū)積水、底板承壓水、陷落柱、煤與瓦斯突出、煤層自燃、封閉不良鉆孔等[1],其中采空區(qū)積水是較為常見,對(duì)煤礦生產(chǎn)安全影響較大的因素。因此,超前、精細(xì)查明影響煤礦安全生產(chǎn)的隱蔽致災(zāi)因素尤為重要,物探是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的重要手段之一[2]。瞬變電磁法作為一種重要的物探方法,以分辨力高、體積效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于資源勘查、礦山采空區(qū)、小窯積水勘探中[3]。本次以甘肅省白銀市H礦區(qū)為例,參考鄰區(qū)常規(guī)瞬變電磁探測效果并結(jié)合勘查區(qū)實(shí)際,采用多激勵(lì)源地空瞬變電磁法開展勘查工作,探測結(jié)果成功圈定了采空區(qū)積水的分布范圍,為礦井安全生產(chǎn)提供了保障。

        1 多激勵(lì)源地空瞬變電磁法工作原理

        多激勵(lì)源地空瞬變電磁方法,即在地面采用多個(gè)不同位置的電性源同時(shí)發(fā)射,在空中采用無人機(jī)掛載線圈接收磁場對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)或采用磁探頭接收不同方向的磁場實(shí)現(xiàn)高密度數(shù)據(jù)采集。發(fā)射端調(diào)整源的位置、發(fā)射電流來削弱噪聲以增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度,并減少體積效應(yīng)的影響,進(jìn)而提高探測深度及分辨率,達(dá)到實(shí)現(xiàn)精細(xì)地質(zhì)勘探的目的。該方法相較于傳統(tǒng)瞬變電磁法,能顯著提高野外工作效率及探測分辨率[4]。

        2 勘查區(qū)概況

        2.1 地質(zhì)特征

        (1)地形地貌。H 礦區(qū)區(qū)位于靖遠(yuǎn)礦區(qū)紅會(huì)一礦井田南部,地處平川區(qū)共和鎮(zhèn)境內(nèi),大部分為第四系沖洪積層覆蓋的灘地,地勢開闊,相對(duì)平坦,從東北至西南緩緩降低,平均海拔1800m。

        (2)地層。區(qū)內(nèi)地層自下而上包括:上三疊統(tǒng)延長群(T3yn),中侏羅統(tǒng)窯街組(J2y)、新河組(J2x),第四系(Q)。

        (3)構(gòu)造。馬家寬溝向斜軸從礦區(qū)東部由北至南穿過,礦區(qū)大部分處于向斜西翼。

        (4)含煤地層及煤層。含煤地層為窯街組,巖性為中、粗粒砂巖、砂礫巖及粉砂巖夾煤層,屬河湖沼澤相沉積,與下伏地層呈假整合接觸。1 煤層為井田內(nèi)主要可采煤層,埋深260~370m,平均300m;煤層底板標(biāo)高1430~1520m。煤層傾角較緩為2°~17°,平均傾角6°。煤層真厚為6~26m,平均10.4m。

        2.2 地球物理特征

        礦區(qū)地層相對(duì)穩(wěn)定,瞬變電磁曲線基本為H 型[5],結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料,得出了本區(qū)地層電性特征,如表1所示。

        表1 地層電性特征

        3 數(shù)據(jù)采集及資料處理

        3.1 數(shù)據(jù)采集

        物探測線在礦區(qū)北西南三面重點(diǎn)區(qū)域布設(shè),共布置18 條,線距20m,點(diǎn)距10m。采用地空瞬變電磁工作裝置,發(fā)射源為接地長導(dǎo)線源,電極使用鋁板與鋼釬并聯(lián)。工作電流20A,發(fā)射波形為25Hz 的方波。接收系統(tǒng)為無人機(jī)搭載接收機(jī)和線圈進(jìn)行采集,連續(xù)自接收GPS 同步模式(CSR-GPS)。接收線圈有效接收面積3000m2,飛行高程均為90m,飛行速度8m/s。完成測線長度6.32km,物理點(diǎn)350 個(gè)。

        3.2 資料處理

        采集完成后,需將各測點(diǎn)各個(gè)時(shí)窗(測道)的瞬變感應(yīng)電壓,換算成視電阻率、視深度等參數(shù),從而進(jìn)行下一步解釋。本次處理主要分4 步:①全波形數(shù)據(jù)基線校正。在無人機(jī)飛行的過程中,有可能受到風(fēng)等影響,造成線框在空中晃動(dòng),使得全波形衰減電壓的衰減程度不一致,因此,需要對(duì)全波形原始數(shù)據(jù)進(jìn)行基線校正,使得各個(gè)點(diǎn)的晚期都趨近于零。②數(shù)據(jù)預(yù)處理。③全域視電阻率定義。④時(shí)深轉(zhuǎn)換。

        4 資料解釋

        采空區(qū)裂隙帶充水或采空區(qū)積水時(shí),破壞了層狀的電性結(jié)構(gòu),表現(xiàn)為電阻率低值異常、等值線波動(dòng),可作為解釋本區(qū)采空區(qū)積水范圍的依據(jù)。圖1 為11 線反演電阻率推斷解釋剖面,剖面上自淺至深表現(xiàn)為中低阻-低阻-中高阻的電阻率特征,淺部(圖1 中黃色虛線以上)中低電阻率推斷為第四系黃土、砂礫巖的電性反映,高程變化在1720~1800m,視電阻率30~50Ω·m;中部(圖中黃色虛線至紅色虛線之間)低電阻率推斷為新河組泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及砂巖的綜合電性反映,高程變化在1530~1720m,視電阻率25~40Ω·m;深部(圖中紅色虛線以下)中高電阻率推斷為窯街組粉砂巖、砂巖、煤層及采空區(qū)積水的綜合電性反映,高程變化在1400~1530m,視電阻率40~180Ω·m;圖中黑色虛線所示的煤層底板等高線附近電阻率橫向變化大,測點(diǎn)640~840 的電阻率變化在40~60Ω·m,電阻率較低,測點(diǎn)840~5-760 電阻率變化在70~180Ω·m,為高阻特征,推斷該高阻特征為煤層及其頂?shù)装鍑鷰r的綜合電性反映,電阻率低阻異常為采空區(qū)積水的反映(圖1 中虛線框所示),積水頂?shù)捉鐦?biāo)高1410~1490m。

        圖1 11 線反演電阻率推斷解釋剖面

        勘查范圍內(nèi)煤層底板等高線變化在1430~1470m,煤層埋深由北向南逐漸變深,煤層傾角變化不大。本次通過水平切片追蹤煤層及采空區(qū)積水的平面分布特征,分 別 抽 取 高 程1410m、1430m、1450m、1470m、1490m 水平視電阻率值,繪制視電阻率等值線平面圖。不同切片上視電阻率特征大體類似,圖2 為1450m 高程視電阻率等值線平面,表現(xiàn)為1~5 線720~960 測點(diǎn)呈高電阻率特征,500~720 測點(diǎn)間電阻率較低,6~13線640~880 測點(diǎn)呈低電阻率特征,僅在11~13 線測點(diǎn)860 附近呈局部的高阻特征,14~18 線700~920 測點(diǎn)呈高電阻率特征,500~700 測點(diǎn)電阻率較低。結(jié)合勘查區(qū)實(shí)際,認(rèn)為低電阻率特征(30~80Ω·m)為采空區(qū)積水或煤層采空后形成的裂隙帶積水的電性反映。依據(jù)上述視電阻率的差異圈定了積水區(qū)的分布(圖2 中虛線框所示)。

        圖2 高程1450m 視電阻率等值線平面

        5 結(jié)論

        本次水害普查采用多激勵(lì)源地空瞬變電磁法,工作方法正確,參數(shù)選擇合理。采用多個(gè)地面發(fā)射源系統(tǒng),增強(qiáng)了采集信號(hào)強(qiáng)度,提高了數(shù)據(jù)信噪比,采用無人機(jī)空中接收系統(tǒng),極大的提高了工作效率,節(jié)約了成本。圈定的采空積水區(qū)基本可靠,完成了地質(zhì)任務(wù)。主要取得了以下地質(zhì)成果。

        (1)初步了解了勘查范圍內(nèi)地層的電性特征,第四系視電阻率約為30~50Ω·m,中侏羅統(tǒng)新河組視電阻率約為25~40Ω·m,中侏羅統(tǒng)窯街組煤層及其頂?shù)装鍑鷰r的視電阻率約為80~180Ω·m,煤層采空區(qū)積水后的視電阻率約為30~80Ω·m。

        (2)大致圈定了積水區(qū)的分布范圍,主要?jiǎng)澐址e水區(qū)2 塊,第一塊積水區(qū)主要分布在1~5 線測點(diǎn)500~720,6~10 線測點(diǎn)640~880 及11~13 線測點(diǎn)640~840,頂?shù)捉鐦?biāo)高1410~1490m,面積約為0.05km2;第二塊積水區(qū)主要分布在14~18 線500~700 測點(diǎn),頂?shù)捉鐦?biāo)高1410~1510m,面積約為0.016km2。初步分析含水區(qū)主要是煤層采空區(qū)及其裂隙帶充水所致,另外含水區(qū)內(nèi)地勢較低,也是導(dǎo)致含水的原因之一。

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