馬 為,林 星,劉 正

(天津市地球物理勘探中心,天津 300170)

0 引言

開展探測工作的煤礦位于陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)內(nèi),井田煤炭資源豐富,4-3煤層是該礦的主采煤層。431303工作面位于井田中部,根據(jù)已有的水文地質(zhì)報告、物探及鉆探資料可知,4-3煤層回采期間的主要水害為上覆4-2煤層采空區(qū)積水。前期探放水及涌水監(jiān)測結(jié)果證實大部分積水已放空,但仍殘存少量動態(tài)水及小范圍低洼積水,回采至局部低洼點時仍存在瞬時涌水量激增造成水害的可能性。根據(jù)“物探先行、鉆探驗證、綜合治理”的防治水工作原則,在工作面回采前利用井下瞬變電磁技術(shù)對4-3煤層頂板采空區(qū)內(nèi)殘留積水情況進行探測。

1 井下瞬變電磁技術(shù)原理及特點

瞬變電磁法又稱時間域電磁法(簡稱TEM),地表觀測時是利用敷設(shè)的不接地回線發(fā)射脈沖電磁場,在脈沖電磁場間歇期間,由地下介質(zhì)感應(yīng)產(chǎn)生的二次渦旋電流向半空間擴散傳播(即“煙圈效應(yīng)”),通過觀測攜帶地下介質(zhì)信息的二次場時間和空間分布特征及變化規(guī)律,通過處理解釋(包括定量反演及地質(zhì)推斷)分析對應(yīng)的介質(zhì)形態(tài)、位置及電性特征,進而達(dá)到探測地質(zhì)體(采空區(qū)、破碎冒落帶等)的目的[1]。井下瞬變電磁法是在井下巷道內(nèi)進行觀測,不同于半空間擴散方式,存在全空間效應(yīng)[2],如圖1所示。

圖1 井下瞬變電磁法勘探原理示意Fig.1 Principle of transient electromagnetic exploration in mine

高阻煤層易于電磁波的傳播,不存在直流電場的高阻屏蔽性,接收線圈接收到的信號是觀測點周圍全空間巖石電性的綜合反映。因而在判定異常體空間位置時,需根據(jù)線圈平面的法線方向并結(jié)合地質(zhì)資料加以綜合分析確定[3-4]。井下瞬變電磁法兼顧瞬變電磁法的優(yōu)勢,即觀測純二次場、不受高阻層屏蔽、對低阻異常敏感、人工發(fā)射源可加大電流壓制隨機干擾、定向性好、測量距離大等[5-8],且可在巷道中更接近探測目標(biāo)體,具有距離優(yōu)勢,實現(xiàn)小點距精細(xì)探測。因此,目前被廣泛應(yīng)用于解決側(cè)幫及煤層頂?shù)装搴畼?gòu)造探測、掘進面超前預(yù)報等礦井地質(zhì)問題[9-15]。實際應(yīng)用過程中,由于實施地點的特殊性,需要考慮巷道空間條件、支護類型和線纜、變壓器以及大型機械車輛的影響。

2 礦井水文地質(zhì)條件及物性

2.1 井田地質(zhì)

井田地表基本被第四系覆蓋,僅北東部溝谷中有基巖出露。根據(jù)已有地質(zhì)勘探成果,地層由老至新依次為:三疊系永坪組(T3y)、侏羅系延安組(J2y)、直羅組(J2z)、新近系保德組(N2b)、第四系。其中侏羅系延安組(J2y)為井田含煤地層,主采煤層為延安組第2段(J2y2)的4-4、4-3、4-2煤層。井田內(nèi)斷裂不發(fā)育,井田南部存在一傾向北西的單斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)含水層以侏羅系延安組基巖裂隙承壓含水層為主,礦井水來源于煤層頂板、底板砂巖水,主要充水方式為裂隙水,大氣降水及第四系潛水通過開采形成的導(dǎo)水裂隙帶進入下伏工作面。此外,4-2煤層采空區(qū)積水是鄰近工作面的間接充水水源,是下伏4-3煤層開采的主要充水水源。

431303工作面位于井田南部,為431盤區(qū)第3個回采工作面,主采4-3煤層,工作面順槽長度均為1 650 m,切眼長度200 m,膠運巷掘進斷面尺寸為5.7 m×3.0 m,煤層平均厚度1.14 m,采用綜合機械化采煤工藝。根據(jù)已有資料,整體位于4-2煤層采空區(qū)之下,四周均為實煤區(qū)。工作面采空區(qū)采取封閉并預(yù)埋泄水孔的方法排放積水,采空積水區(qū)受波狀背斜構(gòu)造影響形成多個互不連通的積水區(qū)。

2.2 物性特征

巖石導(dǎo)電性差異(即電阻率大小)是井下瞬變電磁法進行采空區(qū)探測的前提條件。本區(qū)地層的沉積序列比較清晰,431303工作面上覆巖層為侏羅系中統(tǒng)延安組(含4-2煤層)及新生界,主要為粉砂巖、細(xì)粒砂巖、基巖風(fēng)化層、第四系粘土、沙土層等,其中煤層電阻率值相對較高、砂巖次之、粘土巖類最低,見表1。

表1 431303工作面煤系地層頂板以上巖石電阻率值Table 1 Resistance of rock above the coal strata roof in 431303 working face

在原生地層狀態(tài)下,導(dǎo)電性特征在縱向上有其固定的變化規(guī)律,即由淺至深電阻率逐步增大,而在橫向上相對比較均一。當(dāng)存在采空區(qū)、裂隙破碎帶時,由于地下水的流動性及電離作用導(dǎo)致局部電阻率下降,形成局部低阻閉合異常,與圍巖產(chǎn)生明顯的電性差異,故可以通過瞬變電磁法進行采空積水區(qū)探測。

3 儀器與施工方法

3.1 儀器及工作參數(shù)

受限于巷道空間,井下瞬變電磁均采用多匝小線圈開展工作。本次勘探使用加拿大Geonics公司產(chǎn)PROTEM-EM47加強型系統(tǒng)型儀器,接收與發(fā)射系統(tǒng)相對獨立,采用參考電纜同步。觀測裝置采用偶極-偶極(圖拉姆型),以便與地下(探測方向)異常體產(chǎn)生最佳偶合響應(yīng)。高頻接收線圈偶極距10 m,移動發(fā)射線圈采用邊長為2 m×2 m的48匝發(fā)射回線,以12 V外接電瓶供電時,電流最大可超過6 A;工作頻率25 Hz,工作模式30門,采集增益為1,疊加時間4～15 s,關(guān)斷時間1 μs。

3.2 施工方法

采集點距10 m。實際測量中,依據(jù)線框法向探測原則,在2條巷道內(nèi)分別進行如圖2所示的θ=30°、60°、90°這3個方向的探測。井下工作時,收發(fā)偶極固定距離移動,完成數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)自動存儲。為確保數(shù)據(jù)質(zhì)量,采集過程中對巷道附近做停電處理,觀測點避開了掘進機等大型金屬物,確保電纜及金屬管路不能橫穿發(fā)射及接收線圈,以減小干擾。探測起點為431303工作面東側(cè)運輸大巷向東30 m為剖面0點共計完成井下瞬變電磁測深點332個,2條剖面總長度3 300 m。

圖2 井下瞬變電磁法探測方向Fig.2 Direction of transient electromagnetic exploration in mine

數(shù)據(jù)處理使用WPTEM地下全空間瞬變電磁處理與解釋系統(tǒng),完成了數(shù)據(jù)編輯及電阻率反演計算,繪制多道響應(yīng)曲線及等效視電阻率斷面,等效視電阻率值采用全空間模型計算,其值的高低表明了巖石、地層間的電性差異。

4 探測效果分析及驗證

工作面頂板至地表的巖石物性表明,粉砂巖、煤層及放水處理后的采空區(qū)均為高阻,探測目標(biāo)為頂板100 m范圍內(nèi)的采空積水區(qū),即“高阻背景中的低阻異常”,一般等效視電阻率在25 Ω·m以下的異常為重點研究對象。由于原始地層縱向成層、橫向電性變化小,反演電阻率結(jié)構(gòu)中的橫向低阻異常主要由后期認(rèn)為改造(采空、坍塌等)引起,其異常形態(tài)與地質(zhì)體性質(zhì)有關(guān),原則上閉合低阻異常反映了采空區(qū)積水,而向上貫通的條帶狀低阻異常則疑似冒落帶。

圖3、圖4分別為膠運巷和回風(fēng)巷頂板瞬變電磁探測等效視電阻率等值線斷面圖,橫坐標(biāo)為觀測剖面長度,縱坐標(biāo)為沿探測方向的距離,數(shù)值為計算的等效視電阻率值。

圖3 膠運巷等效電阻率斷面圖及采空積水區(qū)推斷Fig.3 Section of belt transportation roadway equivalent resistance and prediction of goaf water

回風(fēng)巷與膠運巷等效電阻率斷面圖反映了分別從南北兩側(cè)對431303工作面頂板以上含水性進行的探測結(jié)果,二者具有較好的一致性,由于2條剖面間隔200 m,剖面結(jié)果中反映的同一位置低阻異常表征了采空積水的橫向連續(xù)性,便于后續(xù)對積水量進行判斷。

從膠運巷內(nèi)30°、60°、90°這3個探測方向的等視電阻率斷面圖分析,距頂板25 m處橫向上可見4處電阻率小于25 Ω·m的低阻圈閉異常,除B-2異常呈低阻條帶向上延伸,符合冒落帶特征外,其余異常均為閉合低阻,其異常幅值小于25 Ω·m,其周邊地層形態(tài)符合低洼特征,推測為采空區(qū)殘留積水所致。回風(fēng)巷探測結(jié)果中均為低阻閉合異常,相對而言異常的橫向規(guī)模更大,分析與南側(cè)工作面回采已完成、煤層坍塌有關(guān),也表明地層傾向變化易于積水殘留,預(yù)測水量大于北側(cè)。

圖5為431303工作面頂板以上25 m處電阻率平面圖,結(jié)合已知水文地質(zhì)資料推斷圖中3處低阻異常為采空積水所致,合計積水總面積90 063 m2。為提高探測結(jié)果精度,在431303工作面地表投影處施測地面瞬變電磁剖面一條,同樣證實在深度約為113 m處存在2處閉合低阻異常,對應(yīng)了JS-1與JS-2這2處推斷采空積水區(qū),與井下瞬變電磁探測結(jié)果吻合。

圖5 工作面頂板上25 m視電阻率等值線平面圖及推測采空積水區(qū)Fig.5 Plane of apparent resistance isoline at 25 m above working face roof and prediction of goaf water

礦方本著“有疑必探”的原則對4-2煤層采空區(qū)殘留積水實施打鉆放水作業(yè),34個疏放鉆孔中12個位于推測的3處采空積水區(qū)。其中8個孔出水,出水量1.6～6.0 m3/h,最大涌水量為6.1 m3/h。井下瞬變電磁探測成果對準(zhǔn)確部署疏放水孔、保證回采工作的順利開展起到了關(guān)鍵作用。

5 結(jié)論

(1)采用井下瞬變電磁法在431303工作面膠運巷及回風(fēng)巷分別布設(shè)剖面,觀測30°、60°以及90°3個探測方向的數(shù)據(jù)。實踐表明,井下瞬變電磁法裝置形式靈活,可實現(xiàn)多角度頂板富水性探測,在巷道內(nèi)貼近探測目標(biāo)工作,可實現(xiàn)高密度、小點距采集,顯著提高了探測的分辨率。

(2)通過全空間模型反演,克服了接收回線平面上下(或兩側(cè))地層對異常定位的影響,獲得了工作面頂板100 m范圍內(nèi)的可靠電性結(jié)構(gòu),結(jié)合已知的水文地質(zhì)資料推斷了3處低洼采空積水區(qū),后經(jīng)鉆孔驗證均存在積水,單孔涌水量為1.6～6 m3/h,證實了井下瞬變電磁法探測工作面頂板富水特征的準(zhǔn)確性和有效性。

(3)受井下工作條件限制,在探測過程中需要盡量避免礦井設(shè)備等人為設(shè)施的影響,同時在巷道內(nèi)金屬管線干擾抑制和消除、感應(yīng)電磁場全空間擴散規(guī)律研究等方面仍需加強研究。