切片技術(shù)在煤礦回采工作面瞬變電磁法探測中的研究與應(yīng)用＊

牟 義

（1.煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭科學(xué)研究總院煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市朝陽區(qū)，100013）

由于煤礦多年的開采，在礦區(qū)內(nèi)及周邊形成了許多地下巷道和采空區(qū)，在開采的同時(shí)也使地表構(gòu)造發(fā)生了很大的改變，地表形成很多裂縫和大小不等的陷落坑。這樣就使地下水的補(bǔ)給由少量入滲補(bǔ)給轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯拥娜霛B補(bǔ)給。地面的大氣降水通過地表裂隙、坑洞直接滲入地下，巷道、采空區(qū)提供了儲水空間，有利于地下水的匯集存儲。碾盤梁煤礦在1136工作面掘進(jìn)過程中，1136進(jìn)風(fēng)巷道和回風(fēng)巷道距離3-1帶式輸送機(jī)大巷100～400m 之間出現(xiàn)大量淋水、滴水現(xiàn)象，尤其在1136回風(fēng)巷道距離3-1帶式輸送機(jī)大巷100～200 m 之間淋水嚴(yán)重，且在1136進(jìn)風(fēng)巷道打鉆有出水現(xiàn)象，在1136工作面揭露的斷層位置也有出水現(xiàn)象。以該煤礦1136工作面區(qū)域探測為例，通過切片技術(shù)分析工作面區(qū)域頂板富水性強(qiáng)弱的不同電阻率響應(yīng)特征，形象、立體、直觀展示了1136工作面頂板不同層位的富水性，大大增強(qiáng)了工作面區(qū)域全方位探測準(zhǔn)確性。

1 工作面概況和地球物理特征

該礦井田含可采煤層9層，分別是2-1下、2-2上、3-1上、3-1下、4-1下、4-2中、5-1上、5-1、6-2中煤層，井下物探施工工作面為3-1上煤層的1136 工作面。3-1上煤層厚度2.72～4.01m，基本在3～4m 之間，頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，局部為粉砂巖、細(xì)砂巖，底板以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，局部為粉砂巖，3-1上煤層上距2-2上煤層15.02～42.73m，平均30.48m。1136工作面推進(jìn)長度1030 m，長度200 m，采高3.20m。設(shè)計(jì)采用綜采一次采全高采煤方法，支撐掩護(hù)式液壓支柱支護(hù)，工作面采用后退式回采，頂板采用全部冒落法管理。

當(dāng)存在煤層采空區(qū) （積水或不積水）及巖層巖溶、裂隙、斷層破碎帶等構(gòu)造 （即地質(zhì)異常體）時(shí)，地質(zhì)異常體及其附近導(dǎo)電性分布將發(fā)生明顯變化 （物性異常）；如果構(gòu)造內(nèi)不含水，則其導(dǎo)電性較差，使局部電阻率值增高；如果構(gòu)造含水，由于礦井水的礦化度較高 （實(shí)測地下水礦化度8.13～20.13g／L），因其導(dǎo)電良好，相當(dāng)于存在局部低電阻率值地質(zhì)體。巖層或煤層的富水情況將決定其電阻率的高低情況。通過瞬變電磁測深法探測煤層上方巖層電阻率及其變化，可以判定巖層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和富水性，可以判斷采空區(qū)、斷層等構(gòu)造分布及富水情況，這是本次瞬變電磁法探測巖層富水性的物理前提。

2 工作方法

本次探測采用加拿大PROTEM47系列瞬變電磁儀，該設(shè)備專門為礦井井下頂?shù)装逄剿⒊疤綔y設(shè)置了回線邊長2 m 的小線框，勘探最大深度130～150m，并配有專門的解釋軟件，在國內(nèi)許多礦井進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，取得了較好的地質(zhì)探測效果，是目前國內(nèi)外比較理想的礦井水探測儀器。

若發(fā)射線框和接收線框水平放置于巷道，則探測巷道正上方頂板或正下方底板一定范圍的電阻率分布；若發(fā)射線框和接收線框傾斜放置于巷道，則探測巷道側(cè)上方頂板或側(cè)下方底板一定范圍的電阻率分布，根據(jù)電阻率分布情況推斷頂板或底板巖層的富水性。

3 技術(shù)方案

根據(jù)1136綜采工作面實(shí)際采掘條件，在1136綜采工作面回風(fēng)巷道和進(jìn)風(fēng)巷道各設(shè)計(jì)3個不同的探測方向。回風(fēng)巷道按90°、40°、25° （發(fā)射線圈平面法線方向與水平面的夾角）的探測方向設(shè)計(jì)，進(jìn)風(fēng)巷道按90°、40°、25°設(shè)計(jì)，基本上全部覆蓋了1136綜采工作面3-1上煤層頂板各巖層。頂板巖層的探測范圍覆蓋情況如圖1所示。

圖1 1136綜采工作面物探測線方向示意

4 資料處理與解釋

4.1 資料處理

TEMINT 為瞬變電磁法的數(shù)據(jù)處理和解釋開發(fā)的專用軟件，適用于不接地磁源、半空間和全空間、矩形發(fā)射框移動源的中心和偶極方式下的瞬變電磁數(shù)據(jù)處理。該軟件采用了近年來最新技術(shù)和方法，具有精度和分辨率高、使用簡單等特點(diǎn)。該軟件包采用模塊式結(jié)構(gòu)，每個模塊可以獨(dú)立執(zhí)行不同的功能。TEMINT 主要功能：

（1）數(shù)據(jù)整理轉(zhuǎn)換：包括數(shù)據(jù)歸一化處理、極性校正、測線和測點(diǎn)編輯、磁場計(jì)算等；

（2）數(shù)據(jù)處理：主要是計(jì)算全程視電阻率。包括噪音剔除、畸變校正、發(fā)射框校正和關(guān)斷時(shí)間校正等；

（3）數(shù)據(jù)解釋：視電阻率的一維正反演，電阻率成像變換、擬二維電阻率剖面和電阻率順層切片等。

4.2 解釋依據(jù)

結(jié)合1136工作面回風(fēng)巷道和進(jìn)風(fēng)巷道掘進(jìn)過程中實(shí)際揭露的地質(zhì)情況，根據(jù)本次實(shí)測的巖層電性特征，結(jié)合實(shí)測電阻率分布特點(diǎn)，把含水性及采空區(qū)與電阻率的一般對應(yīng)關(guān)系分為4個級別：

（1）電阻率小于6Ω·m：富水性相對強(qiáng)到較強(qiáng)，可能是由于含水強(qiáng)或較強(qiáng)含水層 （或采空積水區(qū)）引起；

（2）電阻率介于6～12Ω·m：富水性中等，可能是由于一般含水層 （或一般采空積水區(qū)）或低阻巖體引起；

（3）電阻率介于15～60Ω·m：富水性相對較弱，是正常巖層反映；

（4）電阻率大于130Ω·m：不含水或弱含水，可能是由于不含水構(gòu)造 （或不含水采空區(qū)）或高阻巖體引起。

4.3 資料解釋

根據(jù)地層、采空區(qū)的電性特征，綜合分析各測線不同角度的電阻率斷面圖，對1136工作面煤層頂板含水層及采空區(qū)層位進(jìn)行分析，形成不同高度的順層切片圖，實(shí)現(xiàn)對水文地質(zhì)物性條件、含水異常區(qū)及采空異常區(qū)進(jìn)行地質(zhì)解釋，對水文地質(zhì)條件進(jìn)行綜合評價(jià)。

（1）單一切片。圖2為1136工作面上方30m處的礦井瞬變電磁法的順層切片圖，其投影位置都與采掘工程平面圖中1136工作面位置重合，投影的坐標(biāo)原點(diǎn)位于1136回風(fēng)巷道與3-1帶式輸送機(jī)大巷交點(diǎn)處，上部橫坐標(biāo)表示沿1136進(jìn)風(fēng)巷道距離3-1帶式輸送機(jī)大巷的長度，下部橫坐標(biāo)表示沿1136回風(fēng)巷道距離3-1帶式輸送機(jī)大巷的長度；縱坐標(biāo)表示沿3-1帶式輸送機(jī)大巷方向距離1136回風(fēng)巷道的長度，該圖位于2-2煤層所在的層位。平面圖中深色實(shí)線框代表圈定的異常區(qū)范圍；平面圖中右側(cè)色標(biāo)不同顏色代表不同電阻率值。

圖2 疊加CAD 圖上的1136工作面上方30m 處順層切片圖

在圖2中發(fā)現(xiàn)2處低阻異常和2處高阻異常，分別命名為低阻異常Ⅰ、低阻異常Ⅱ、高阻異常Ⅰ和高阻異常Ⅱ。根據(jù)探測資料，結(jié)合巷道已經(jīng)揭露的地質(zhì)情況和巖性變化分析，推斷低阻異常Ⅰ為富水性中等，可能由于2＃煤層所在層位砂巖含水層引起；推斷低阻異常Ⅱ局部富水性中等，局部富水性較強(qiáng)或強(qiáng)，可能由于2＃煤層所在層位砂巖含水層引起，也不排除由于2＃煤層采空區(qū)積水引起；推斷高阻異常Ⅰ和高阻異常Ⅱ?yàn)楦咦鑾r體 （或采空異常），也不排除由于含水較少的2＃煤層采空區(qū)引起。

（2）立體切片。圖3為1136工作面上方不同層位礦井瞬變電磁法探測電阻率切片圖組合成的立體圖，其上方切片圖投影位置都與下方1136工作面位置重合。坐標(biāo)原點(diǎn)位于1136回風(fēng)巷道與3-1帶式輸送機(jī)大巷交點(diǎn)處，X 軸方向表示沿1136回風(fēng)巷道 （或1136進(jìn)風(fēng)巷道）距離3-1帶式輸送機(jī)大巷的長度，Y軸方向表示沿3-1帶式輸送機(jī)大巷距離1136回風(fēng)巷道的長度；Z 軸方向表示垂直1136工作面頂板向上的深度。綜合6 個平面的電阻率分布特征以及1136工作面地質(zhì)構(gòu)造情況，將6個平面圖的不同電阻率區(qū)域投影到1136工作面上，以1136 工作面2 條斷層、2 條等高線以及1條人為設(shè)定邊界線將1136工作面投影區(qū)域劃分為6個區(qū)，分別為A 區(qū)、B 區(qū)、C 區(qū)、D 區(qū)、E 區(qū)、F 區(qū)。其中A 區(qū)和B 區(qū)分界線為1 號分界線（1136工作面西北部揭露的斷層位置），B 區(qū)和C區(qū)分界線為2號分界線 （根據(jù)立體圖推斷含水體邊界人為設(shè)定的邊界線），C 區(qū)和D 區(qū)分界線為3號分界線 （1136工作面中東部揭露的斷層位置），D區(qū)和E區(qū)分界線為4號分界線 （+1340等高線），E區(qū)和F 區(qū)分界線為5 號分界線 （+1342 等高線）。

圖3 1136工作面上方探測立體切片圖

由6個平面切片可以推斷出1136綜采工作面上方3號斷層分界線西部區(qū)域含水性中等到強(qiáng)的異常區(qū)范圍約占60%，也即含水層普遍含水，富水性不均勻。C區(qū)上方主要分布在斷層的西部，面積較大，異常范圍較大，砂巖水富水范圍較大，局部較強(qiáng)，易發(fā)生水力聯(lián)系，存在突水的可能性，應(yīng)引起重視；B區(qū)富水范圍及程度僅次于C區(qū)，但上方60m范圍之外存在著強(qiáng)或較強(qiáng)砂巖富水補(bǔ)給區(qū)，與B 區(qū)砂巖水可能產(chǎn)生水力聯(lián)系，應(yīng)引起重視；推斷A 區(qū)存在砂巖含水層，也應(yīng)引起注意；D 區(qū)和E區(qū)推斷為含水較少的高阻巖體，也不排除為含水較少的2＃煤層采空區(qū)，應(yīng)打鉆驗(yàn)證；F 區(qū)為正常巖層。

5 鉆探驗(yàn)證

根據(jù)1136回采工作面物探結(jié)果設(shè)計(jì)了28個工作面內(nèi)部富水區(qū)及采空區(qū)疏放水鉆孔，鉆孔具體位置見圖4，圖中顯示鉆孔位置為終孔位置，低阻異常區(qū)域設(shè)計(jì)了22個鉆孔，高阻異常區(qū)域設(shè)計(jì)了6個鉆孔。Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z9、Z10、Z11、Z17、Z18、Z19、Z26、Z28 等14 個鉆孔出現(xiàn)了不同程度的涌水，占到低阻異常區(qū)域鉆孔數(shù)量的64%的鉆孔出水，經(jīng)分析為上層砂巖水。本次物探成果為疏放水鉆孔設(shè)計(jì)圈定了靶區(qū)，提供了較可靠設(shè)計(jì)參考依據(jù)，并且根據(jù)鉆探成果充分驗(yàn)證了切片技術(shù)在圈定異常區(qū)方面的可靠性。

圖4 1136工作面鉆孔設(shè)計(jì)圖

6 結(jié)語

（1）對于工作面區(qū)域頂板富水性探測建議采用瞬變電磁法，探測深度可達(dá)150m，可覆蓋工作面頂板上方大約80 m，一般采用偶極裝置，測量點(diǎn)距一般為10m，發(fā)射電流一般3～4A，發(fā)射頻率范圍0.25～225 Hz，通過優(yōu)化這些參數(shù)，能充分滿足了探測深度和分辨率的要求，為工作面區(qū)域精細(xì)探測提供了依據(jù)。

（2）以1136工作面探測為例，通過切片技術(shù)形成平面圖和立體圖，從電阻率特征來看，該1136綜采工作面上方3號斷層分界線西部以低阻異常為主，富水程度中等，局部富水性強(qiáng)或較強(qiáng)；3號斷層分界線東部以高阻異常為主，富水程度較弱或不含水。推斷低阻異常以砂巖水為主，在2＃煤層不排除存在老空區(qū)積水的可能。

（3）通過在物探區(qū)所圈定的低阻異常區(qū)布置疏放水鉆孔，約有64%的鉆孔出水，充分驗(yàn)證了切片技術(shù)在圈定異常區(qū)方面的可靠性。

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