林井祥 李月超 李國鑫 李博文 李彬仕

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

在煤礦建設(shè)和生產(chǎn)中，采空區(qū)積水成為礦井水害事故的主要原因。因此清楚地掌握采空區(qū)含水體的分布規(guī)律，成為煤礦安全生產(chǎn)的依據(jù)[1-4]。通過實(shí)踐證明，當(dāng)前主要是使用地球物理勘探技術(shù)探測(cè)采空區(qū)含水體的分布規(guī)律，而最有效的地面地球物理探測(cè)方法主要是電法勘探。電法勘探的方法有很多種分類方式，按照產(chǎn)生異常電磁場(chǎng)的原因來分類，則可分為傳導(dǎo)類電法、感應(yīng)類電法[5]。由于井工煤礦開采形成的采空區(qū)相對(duì)深度較深，所以其更適用于感應(yīng)類電法勘探[6-7]。瞬變電磁法和大地電磁法這兩種電法是對(duì)煤礦采空區(qū)積水很敏感的感應(yīng)類電法勘探方法，同時(shí)運(yùn)用這兩種方法進(jìn)行勘探對(duì)比研究，能更準(zhǔn)確地反映煤礦采空區(qū)積水情況[8]。

目前基于電法勘探確定礦井采空區(qū)含水體分布規(guī)律的方法眾多，但不同方法之間對(duì)比的研究較少[9-11]。鑒于此，筆者結(jié)合雞西礦區(qū)某煤礦工程實(shí)例，應(yīng)用瞬變電磁法和大地電磁法對(duì)煤礦采空區(qū)積水體進(jìn)行探測(cè)，通過瞬變電磁法與大地電磁法探測(cè)反演成果與已知資料及鉆探結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析研究，比較兩種研究方法四種探測(cè)設(shè)備在煤礦采空區(qū)積水體探測(cè)中的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用效果。

1 研究方法

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法——基于電磁感應(yīng)原理上的時(shí)間域人工源電磁探測(cè)方法。它利用發(fā)送回線Tx(磁源)發(fā)送脈沖磁場(chǎng)(通常稱為一次場(chǎng))，在一次場(chǎng)關(guān)斷的瞬間，由于作用在良導(dǎo)電礦體上磁通的變化，在良導(dǎo)電礦體中激勵(lì)起的感應(yīng)渦流，其是隨時(shí)間衰變的渦流場(chǎng)，從而激勵(lì)起隨時(shí)間變化的感應(yīng)電磁場(chǎng)(通常稱為二次場(chǎng))。由于二次場(chǎng)包含有良導(dǎo)電礦體形狀、大小、位置及導(dǎo)電性等豐富的地電信息，在一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期間，利用接收線圈Rx觀測(cè)二次場(chǎng)(或稱響應(yīng)場(chǎng))，通過對(duì)這些響應(yīng)信息的提取和分析，從而達(dá)到探測(cè)目的[12-13]。

1.2 大地電磁法

大地電磁法——基于電磁感應(yīng)原理，用于研究地球電性的一種地球物理方法。它利用宇宙中的太陽風(fēng)、雷電等入射到地球上的天然電磁場(chǎng)信號(hào)作為激發(fā)場(chǎng)源，稱為一次場(chǎng)，該一次場(chǎng)是平面電磁波，垂直入射到大地介質(zhì)中，大地介質(zhì)中將會(huì)感應(yīng)出變化的電場(chǎng)即大地電流場(chǎng)，并產(chǎn)生二次電磁場(chǎng)，在地球內(nèi)部，這種電磁場(chǎng)的分布取決于巖石的電性結(jié)構(gòu)。在地面上單點(diǎn)觀測(cè)天然交變電磁場(chǎng)互相垂直的Ex、Ey、Hx、Hy四個(gè)分量，分析研究地面波阻抗隨頻率的變化，可以探測(cè)出地球內(nèi)部巖石電性隨深度的分布規(guī)律[14]。

2 瞬變電磁法和大地電磁法勘探

2.1 勘探區(qū)概況

勘探區(qū)為黑龍江省雞西市雞冠區(qū)某煤礦，其礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為0.6 Mt/a，現(xiàn)開采煤層為無夾矸的1#、2#煤層，1#、2#煤層均位于侏羅系上統(tǒng)雞西群城子河組上部。該礦開拓方式為雙斜井開拓，通風(fēng)方式為中央并列抽出式通風(fēng)，采煤方法為走向長壁后退式采煤法。井口高程為+295 m，現(xiàn)開采水平為-65 m?？碧絽^(qū)地層自上而下見表1?？碧絽^(qū)地形為山地，測(cè)區(qū)內(nèi)有廠礦企業(yè)、高壓線、水溝、鐵路等。

表1 勘探區(qū)地層情況

為保證對(duì)比試驗(yàn)效果，根據(jù)勘探區(qū)地表及地質(zhì)情況，試驗(yàn)并確定理想的采集數(shù)據(jù)參數(shù)，同時(shí)保證采集數(shù)據(jù)質(zhì)量和設(shè)備儀器性能符合相關(guān)規(guī)程，因此對(duì)比試驗(yàn)線選擇在勘探區(qū)西部的2120E測(cè)線，測(cè)點(diǎn)選擇在勘探區(qū)北部的720 N～920 N測(cè)點(diǎn)，此處沒有電磁干擾的廠礦企業(yè)、高壓線、水溝、鐵路等影響因素，同時(shí)存在已知采空積水區(qū)。

2.2 瞬變電磁法及勘探成果

本次瞬變電磁法勘探選用大定源回線裝置，采用加拿大GEONICS公司生產(chǎn)的PROTEM-57瞬變電磁儀和澳大利亞MONEX GeoScope公司生產(chǎn)的TerraTEM24瞬變電磁儀，這兩套儀器均具備探測(cè)精度高、受地形干擾小等優(yōu)點(diǎn)。儀器主要性能參數(shù)見表2。

表2 PROTEM-57瞬變電磁儀和TerraTEM24瞬變電磁儀性能參數(shù)表

通過運(yùn)用PROTEM-57瞬變電磁儀和TerraTEM24瞬變電磁儀對(duì)勘探區(qū)進(jìn)行探測(cè)，由于論文篇幅限制，采集參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)不展開介紹了，兩套設(shè)備主要工作參數(shù)見表3。采用反演軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用Surfer軟件成像出圖，如圖1中(a)為PROTEM-57瞬變電磁儀探測(cè)所得，(b)為TerraTEM24瞬變電磁儀探測(cè)所得。

表3 PROTEM-57瞬變電磁儀和TerraTEM24瞬變電磁儀工作參數(shù)表

圖1 瞬變電磁法測(cè)線視電阻率剖面圖Fig.1 The apparent resistivity profiles of the line of TEM

從圖1中可見，第一，視電阻率變化特征基本相似，呈“低—中—高—低—中”變化。第二，視電阻率絕對(duì)值差別較大，PROTEM-57瞬變電磁儀所得電阻率值為15～85 Ω·m，TerraTEM24瞬變電磁儀探測(cè)所得電阻率值為10～105 Ω·m。第三，圖中均出現(xiàn)了明顯的低阻異常反映且存在局部差異，探測(cè)推斷的采空區(qū)積水區(qū)域范圍大致相同(圖中橢圓圈定區(qū)域)，并推斷水源的導(dǎo)水通道(圖中虛線)。PROTEM-57瞬變電磁儀探測(cè)采空區(qū)積水區(qū)是測(cè)點(diǎn)840 N—920 N之間-90～+130 m標(biāo)高范圍內(nèi)，TerraTEM24瞬變電磁儀探測(cè)采空區(qū)積水區(qū)是測(cè)點(diǎn)720 N—920 N之間-70～+110 m標(biāo)高范圍內(nèi)。第四，由于采用不同的反演軟件，前者是用BETEM軟件，后者是用IX1Dv3軟件，前者反演結(jié)果在圖中顯示分辨率較高，細(xì)節(jié)更豐富，識(shí)別規(guī)模的地質(zhì)體特征強(qiáng)于后者，可見BETEM軟件反演效果要優(yōu)于IX1Dv3軟件。

2.3 大地電磁法及勘探成果

本次大地電磁法勘探采用美國電磁研究機(jī)構(gòu)EMI和電磁儀器制造商Geometrics公司聯(lián)合研制的EH-4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀和Geode EM3D電磁勘探系統(tǒng)，這兩套儀器均具備工作效率高、設(shè)備體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。儀器主要性能參數(shù)見表4。

表4 EH-4 連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀和Geode EM3D電磁勘探系統(tǒng)性能參數(shù)表

通過運(yùn)用EH-4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀和Geode EM3D電磁勘探系統(tǒng)對(duì)勘探區(qū)進(jìn)行探測(cè)，由于論文篇幅限制，采集參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)不展開介紹了，兩套設(shè)備主要工作參數(shù)見表5。采用反演軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用Surfer軟件成像出圖，如圖2中(a)為EH-4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀探測(cè)所得，(b)為Geode EM3D電磁勘探系統(tǒng)探測(cè)所得。

從圖2中可見，第一，視電阻率變化特征差異較大，前者呈“低—中—高—中—低—中”變化，后者呈“高—中—低—中”變化，差異主要來源于Geode EM3D電磁勘探系統(tǒng)淺部盲區(qū)數(shù)據(jù)導(dǎo)致的。第二，視電阻率絕對(duì)值沒有差別，EH-4 連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀和Geode EM3D電磁勘探系統(tǒng)探測(cè)所得電阻率值為0～100 Ω·m。第三，圖中均出現(xiàn)了明顯的低阻異常反映且存在局部差異，探測(cè)推斷的采空區(qū)積水區(qū)域范圍大致相同(圖中橢圓圈定區(qū)域)，并推斷水源的導(dǎo)水通道(圖中虛線)。EH-4 連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀探測(cè)采空區(qū)積水區(qū)是測(cè)點(diǎn)820 N—900 N之間-70～+150 m標(biāo)高范圍內(nèi)，Geode EM3D電磁勘探系統(tǒng)探測(cè)采空區(qū)積水區(qū)是測(cè)點(diǎn)800 N—900 N之間-130～+130 m標(biāo)高范圍內(nèi)。第四，由于采用不同的反演軟件，前者是用設(shè)備自帶的IMAGEM 2D軟件，后者是用 第三方Zonge SCS 2D軟件，可見前者數(shù)據(jù)處理時(shí)間明顯少于后者。

表5 EH-4 連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀和Geode EM3D電磁勘探系統(tǒng)工作參數(shù)表

圖2 大地電磁法測(cè)線視電阻率剖面圖Fig.2 The apparent resistivity profiles of the line of magnetotelluric method

2.4 兩種方法與已知資料及鉆探對(duì)比分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查和礦方提供的水文地質(zhì)資料及采掘工程圖(圖3)可知，在該測(cè)線的840 N-920 N測(cè)點(diǎn)處為2014年炮采形成的1#、2#左五片采空區(qū)，采空區(qū)積水的導(dǎo)水通道主要是該測(cè)線附近的已知F3斷層與采空區(qū)及上覆巖層裂隙形成的。

圖3 采掘工程圖Fig.3 The mining engineering drawing

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該測(cè)線860 N測(cè)點(diǎn)處進(jìn)行探空鉆探驗(yàn)證，探空鉆探結(jié)果顯示：鉆孔深度在160 m處見空同時(shí)見水，探空鉆孔情況見表6。

表6 鉆孔探空情況一覽表

根據(jù)以上分析結(jié)果，瞬變電磁法和大地電磁法兩種方法的四種設(shè)備探測(cè)的采空區(qū)積水相應(yīng)深度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際資料及鉆探結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了這兩種方法的有效性，其中瞬變電磁法的PROTEM-57瞬變電磁儀勘探結(jié)論更為精確。

3 結(jié)論

以雞西礦區(qū)某煤礦工程為實(shí)例，采用瞬變電磁法和大地電磁法的四種設(shè)備探測(cè)采空區(qū)積水空間位置，根據(jù)探測(cè)成果的視電阻率變化值、反演剖面圖、采空區(qū)積水體探測(cè)效果的差異，結(jié)合已知資料及鉆探結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果顯示，四種探測(cè)設(shè)備反演結(jié)果的視電阻率變化特征基本相似，都能較好地反映出電性層在垂向上的分布規(guī)律，視電阻率絕對(duì)值差別不大，所得電阻率值為0～100 Ω·m，探測(cè)推斷的采空區(qū)積水區(qū)域范圍大致相同，并指出水源的導(dǎo)水通道，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際資料及鉆探結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了這兩種方法的有效性，其中瞬變電磁法的PROTEM-57瞬變電磁儀勘探結(jié)論更為精確。該研究可為煤礦防治水工作提供技術(shù)支持，具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值。