黃 偉,蔡小超,鄭麗娟

(1.陜煤集團(tuán)銅川礦業(yè)陳家山煤礦,陜西 銅川 727102;2.陜西浩興坤達(dá)新能源科技有限公司,陜西 西安 710000)

0 引言

陳家山煤礦礦井自然條件復(fù)雜,煤、油、氣共存,水、火、瓦斯、煤塵、頂板災(zāi)害俱全,屬高瓦斯礦井。礦井東南邊界淺部4-2煤層露頭線附近分布較多小煤窯,其需要進(jìn)行更加精細(xì)的地質(zhì)勘探,以確認(rèn)分布位置及歷史采掘是否存在越界行為,對煤礦安全生產(chǎn)提供有效防治措施?；趹?yīng)力-自然電磁輻射的NEMV技術(shù)可采用無人機搭載數(shù)據(jù)接收儀器,能夠在不受地表建筑的影響、不破壞地表植被的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作,更加快速、有效地實現(xiàn)對勘探區(qū)內(nèi)煤層賦存狀態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、采空區(qū)、富水區(qū)等地質(zhì)信息的精細(xì)探查,有效解決煤礦開采中的實際問題。

1 礦井概況

陳家山煤礦位于焦坪礦區(qū),行政劃分隸屬陜西省銅川市耀州區(qū)廟灣鎮(zhèn)管轄,屬國有中型煤礦。本區(qū)屬黃土高原南緣的渭北殘塬溝壑地帶,地貌上屬壯年期中-低山侵蝕型山岳地形。區(qū)內(nèi)受長期風(fēng)化剝蝕、河流切割和溝蝕發(fā)育的影響,山陡崖高、基巖裸露、溝壑縱橫,溯源侵蝕作用明顯。山坡地帶多被森林所覆蓋,植被較發(fā)育。井田地勢總體向東南、西南漸次傾斜。礦井主采煤層為侏羅系延安組4-2煤層,采用一井一面綜放開采。4-2煤層厚0～34.88 m,一般厚8～12 m,平均10.30 m。

因礦井開采年限較長,南部邊界自淺部煤層露頭向深部方向200～500 m范圍內(nèi)共有24個小煤礦。受資源量和開采條件的制約,目前僅剩玉金煤礦處于停產(chǎn)(2019年10月停產(chǎn)至今),其余已全部閉坑。小煤窯多年廢棄之后,因地表水與地下水的入滲,已有少量積水存在。礦井周邊小煤窯分布如圖1所示。

1-稠桑鄉(xiāng)聯(lián)辦礦;2-春林西坡礦;3-春林春興礦;4-春機礦;5-春林新合礦;6-安子溝礦;7-春林聯(lián)辦礦;8-春林東坡斜井;9-春林東坡立井;10-寶合礦;11-柳林公社小煤窯;12-廟灣鎮(zhèn)新興礦;13-新風(fēng)礦;14-衣食村聯(lián)辦礦;15-衣食村西坡礦;16-機電四隊斜井;17-瑤曲鎮(zhèn)西河礦;18-衣食一礦;19-衣食二礦;20-董陳礦;21-興業(yè)礦;22-瑤曲三礦;23-王家砭公社小窯;24-河西聯(lián)辦礦;25-整合后的春林礦;26-整合后的玉金礦圖1 礦井周邊小煤窯分布Fig.1 Distribution of small coal pit around mines

2 技術(shù)原理

NEMV(自然電磁脈沖勘探)技術(shù)與傳統(tǒng)的地球物理勘探方法不同,其理論基礎(chǔ)是基于固體物理學(xué)中的晶格動力學(xué)-晶格波理論發(fā)展而來。該技術(shù)是一種新型的被動源地球物理測量技術(shù),采集的數(shù)據(jù)是非線性過程所產(chǎn)生的輻射及輻射傳播的信號,這使得該技術(shù)能夠研究地殼任何深度的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

1951年,中國著名科學(xué)家和教育家黃昆先生在英國工作期間提出聲子極化激元的經(jīng)典理論,極大的促進(jìn)各類極化激元概念和理論的建立及實驗方面的進(jìn)展。晶格間吸收一個電子代表釋放一個聲子,釋放一個電子代表吸收一個聲子,由此而產(chǎn)生了聲子輻射與吸收,其宏觀電磁分量以電磁脈沖形式向外輻射傳播。被探測目標(biāo)體(固體)晶格結(jié)構(gòu)由于應(yīng)力的存在產(chǎn)生的聲子振動具有明顯的偏振方向,由此產(chǎn)生的聲子極化波具有強方向性和弱衰減性[1-2],如圖2所示。

圖2 晶格振動理論示意Fig.2 Theoretical diagram of lattice vibration

根據(jù)固體物理學(xué),任何固體的晶格間都在不斷進(jìn)行聲子輻射與吸收,同時也受到其它任一點電磁輻射源的干擾,通過聲子輻射信號的接收和研究,就能夠獲得地殼任何深度的地質(zhì)信息。地殼巖石是一類礦物成分復(fù)雜、裂隙缺陷發(fā)育、非均勻性極強的復(fù)雜固體材料。巖石破裂過程中的自然脈沖輻射與巖石應(yīng)力場、破裂場的空間形態(tài)變化與位置具有強烈的規(guī)律性和相關(guān)性[3-4],可以被NEMV技術(shù)所探知,其數(shù)值變化有效映射出研究區(qū)內(nèi)應(yīng)力異常與裂隙發(fā)育、陷落柱發(fā)育之間的關(guān)系[5-6]。NEMV技術(shù)就是通過記錄地下不同深度的固體在應(yīng)力作用下所激發(fā)出的自然電磁脈沖信號并對其進(jìn)行分析來提取和還原地殼中不同層位的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和異常的地質(zhì)信息。

3 工作方法

3.1 數(shù)據(jù)采集

采用陜西浩興公司自主研發(fā)無人機搭載NEMV勘探技術(shù)設(shè)備(矢量電磁信號接收系統(tǒng))進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集,接收頻帶帶寬為1～50 kHz,主頻設(shè)置為38 kHz。經(jīng)過一系列提前測試準(zhǔn)備以及定點調(diào)整驗證數(shù)據(jù),確定本項目所使用的參數(shù):數(shù)據(jù)采樣時間間隔0.2 s,曝光時間0.2 s,無人機(六旋翼)巡航速度9 m/s。當(dāng)儀器進(jìn)入工作狀態(tài),并且已經(jīng)進(jìn)入工作區(qū)域開始數(shù)據(jù)采集工作時,不得改變數(shù)據(jù)采集天線的前進(jìn)方向,保證天線自身的方向不變,并保證天線一直處于水平狀態(tài)。根據(jù)NEMV技術(shù)特點及測線部署原則,項目按照50 m(主測線)×50 m(輔助測線)勘探網(wǎng)距部署測線,主測線方向垂直于測區(qū)內(nèi)的主要地質(zhì)構(gòu)造走向,輔助測線與主測線垂直布置。本項目NW方向布置主測線16條,NE方向布置輔助測線10條,測線向區(qū)外兩端延伸長度為600 m,具體測線布置如圖3所示。

圖3 工區(qū)勘探測線布置Fig.3 Layout of exploration lines in the work area

3.2 數(shù)據(jù)處理

原始采集數(shù)據(jù)包含多段數(shù)據(jù),需要按每條測線端點坐標(biāo)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切分段,只保留各條測線的飛行數(shù)據(jù),然后對每條測線數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、剖面投影、網(wǎng)格化、數(shù)據(jù)去噪等,形成預(yù)處理后數(shù)據(jù)。預(yù)處理數(shù)據(jù)通過科學(xué)算法(主要運用了小波分析、傅里葉分析、空間域相關(guān)分析、奇異譜分析等)以及人工智能、層析成像等手段首先建立層析成像剖面圖,然后利用區(qū)域內(nèi)的地形數(shù)據(jù)對剖面進(jìn)行地形校正,最終形成以測線長度為橫坐標(biāo)、海拔高度為縱坐標(biāo)的層析成像剖面和應(yīng)力系數(shù)剖面,反應(yīng)剖面內(nèi)的應(yīng)力分布情況。通過在應(yīng)力系數(shù)剖面上對勘探區(qū)內(nèi)4-2煤層頂、底板應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行拾取并經(jīng)歸一化處理及數(shù)據(jù)合并后成圖,根據(jù)應(yīng)力系數(shù)范圍采用不同色卡進(jìn)行高低應(yīng)力區(qū)的顯示,形成4-2煤層底板應(yīng)力系數(shù)平面圖,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.3 成果分析

3.3.1 應(yīng)力異常的劃分

根據(jù)地質(zhì)力學(xué)理論,地層巖層完整、無構(gòu)造,應(yīng)力分布比較均勻;當(dāng)?shù)貙哟嬖诘刭|(zhì)運動、構(gòu)造發(fā)育、巖層松散孔隙度發(fā)育、采空區(qū)及積水區(qū)則應(yīng)力相對較小,是劃分應(yīng)力異常的地球物理前提[7-8]。通過對陳家山煤礦勘探區(qū)內(nèi)應(yīng)力數(shù)據(jù)分布特點的研究,其正常煤巖層的應(yīng)力系數(shù)基本大于-0.2,采空區(qū)應(yīng)力系數(shù)大致分布在-0.4～-0.2范圍內(nèi),而積水區(qū)域則小于-0.6。據(jù)此并結(jié)合以往項目經(jīng)驗對本區(qū)域應(yīng)力系數(shù)進(jìn)行分級,共分為5級。其中Ⅰ類高異常區(qū)為應(yīng)力系數(shù)大于0.4的區(qū)域,Ⅱ類高異常區(qū)為應(yīng)力系數(shù)0.2～0.4區(qū)域,正常區(qū)域為應(yīng)力系數(shù)-0.2～0.4區(qū)域,Ⅱ類低異常區(qū)為應(yīng)力系數(shù)-0.4～-0.2區(qū)域,Ⅰ類低異常區(qū)為應(yīng)力系數(shù)小于-0.4區(qū)域。依據(jù)異常區(qū)的展布范圍、表現(xiàn)形態(tài),結(jié)合煤礦采空區(qū)、積水區(qū)、保護(hù)煤柱、采掘巷道的應(yīng)力特點和相關(guān)已知資料,進(jìn)行采空區(qū)、積水區(qū)、保護(hù)煤柱和采掘巷道以及天然高、低應(yīng)力區(qū)的預(yù)測劃分。

經(jīng)過對4-2煤層底板應(yīng)力異常分布圖進(jìn)行研讀,在勘探區(qū)4-2煤層共劃分出5處低應(yīng)力異常區(qū)和1處高應(yīng)力異常區(qū),如圖4所示。

圖4 4-2煤層底板應(yīng)力異常對比Fig.4 Comparison of stress anomalies of 4-2 coal seam floor

3.3.2 采空區(qū)

4-2煤層底板應(yīng)力異常分布圖中L1、L4異常區(qū)應(yīng)力系數(shù)范圍分別為-0.4～-0.2、-0.25～-0.2,按照應(yīng)力系數(shù)分類劃分為Ⅱ類低應(yīng)力異常,其應(yīng)力系數(shù)區(qū)間與采空區(qū)應(yīng)力系數(shù)相符,推斷其為采空區(qū)(圖4)[9]。通過與礦井的采掘工程平面圖進(jìn)行疊合比對,這2個區(qū)域與409、411采掘工作面對應(yīng)較好,位置基本相符,推斷較為準(zhǔn)確。該2處采掘工作面回采年代較早,已形成大面積采空區(qū)。

3.3.3 小煤窯盜采區(qū)

L3異常區(qū)位于勘探區(qū)東南方向,面積0.008 3 km2,應(yīng)力系數(shù)范圍-0.75～-0.4,屬Ⅰ類低應(yīng)力異常區(qū),符合采空積水區(qū)應(yīng)力系數(shù)的分布范圍。從NW05、NE09、NE10測線應(yīng)力剖面上均發(fā)現(xiàn)該區(qū)域從煤頂向上有延伸到地面的小范圍低應(yīng)力異常區(qū);NW06測線應(yīng)力剖面圖上顯示該低值區(qū)延伸到4-2煤層頂上部60 m左右。該異常區(qū)域煤層頂板距地面高度約為165 m,如圖5所示。將應(yīng)力平面圖與采掘工程圖疊加后發(fā)現(xiàn),該低值區(qū)地面相對位置為衣食村河正下方,衣食村水庫大壩東南側(cè);同時,該低值區(qū)距離東側(cè)臨近小煤窯礦界垂直距離為150 m且有向東側(cè)延伸的趨勢。綜合分析推斷該區(qū)域為臨近小窯盜采形成的采空區(qū),采空區(qū)塌陷后形成塌陷裂縫。

圖5 L3低應(yīng)力異常區(qū)在平面及剖面上的反映Fig.5 Reflection of L3 low-stress anomaly area on plane and profile

L5異常區(qū)位于勘探區(qū)東北角,面積0.015 4 km2,應(yīng)力系數(shù)范圍-0.4～-0.2,屬于Ⅱ類低應(yīng)力異常區(qū),符合采空區(qū)應(yīng)力系數(shù)的分布范圍。在NW14/15、NE09/10測線的應(yīng)力系數(shù)剖面上對應(yīng)位置也均顯示為低應(yīng)力區(qū),剖面上低應(yīng)力區(qū)域基本在煤層附近,如圖6所示。

圖6 L5低應(yīng)力異常區(qū)在平面及剖面上的反映Fig.6 Reflection of L5 low-stress anomaly area on plane and profile

通過與采掘工程圖疊加,該低值區(qū)邊界與東側(cè)小煤窯垂直距離約100 m且有向東側(cè)延伸的趨勢,綜合分析推斷該區(qū)域為鄰近小窯越界盜采形成的采空區(qū)[10-12]。

4 成果驗證

為了驗證物探解釋的準(zhǔn)確性,礦井對使用NEMV技術(shù)勘探得到的L3應(yīng)力異常區(qū)為小煤窯盜采區(qū)進(jìn)行了鉆探驗證,鉆孔施工至4-2煤層下24.08 m(孔深211.13 m)。鉆孔施工至埋深72 m之前,鉆液消耗量比較穩(wěn)定,平均0.38 m3/h。鉆進(jìn)至72 m時,鉆液消耗量突然增大至3.99 m3/h,且循環(huán)液中斷,鉆液無法返回地面,如圖7所示。鉆探進(jìn)入煤層后于孔深178m處發(fā)生第一次掉鉆,井口出現(xiàn)吸風(fēng)現(xiàn)象,取出的煤芯為短柱狀、塊狀;孔深185 m處發(fā)生第二次掉鉆,取出的取芯為塊狀、泥煤,煤層采出率37%。綜合所有現(xiàn)象,確定該孔所在區(qū)域為小煤窯盜采區(qū)。

圖7 鉆孔鉆液漏失量隨深度變化曲線Fig.7 Curve of the loss of drilling fluid with change of depth

5 結(jié)論

(1)NEMV勘探技術(shù)作為一種全新的且不同于傳統(tǒng)方法的物探技術(shù),基于應(yīng)力分布特征能夠?qū)γ禾镒龅骄?xì)化探查,發(fā)現(xiàn)影響煤礦安全開采的構(gòu)造和應(yīng)力異常,對煤礦采掘作業(yè)和安全生產(chǎn)工作部署提供依據(jù)。

(2)此勘探方法可以實現(xiàn)對采空區(qū)、小煤窯盜采區(qū)形態(tài)和大小的精細(xì)化分析,精準(zhǔn)地解決煤礦開采中的實際問題,縮短勘探周期,在煤礦精細(xì)化勘查中具有廣泛的應(yīng)用前景。