直流電極化測深在采空積水量計算中的應用

2016-12-21 06:01:57張有旺

西部探礦工程 2016年12期

張有旺

（大同煤礦集團公司五人小組管理部，山西大同037001）

直流電極化測深在采空積水量計算中的應用

張有旺*

（大同煤礦集團公司五人小組管理部，山西大同037001）

隨著煤炭技術的不斷發展，開采深度越來越深，采空積水區范圍的劃定成為防治水的重點內容。通過直流電激發極化測深法對圈定區域進行勘測，根據點視極化率測深曲線分析，測點位置超過100m后，曲線表現出高值異常，ηs的最大值約為2%，即強富水性。以此可以判斷所圈定區域確實存在積水區。另外，通過測定的積水面積，根據煤層平均厚度和壓實系數等參數可以準確計算積水量，為礦區積水安全隱患的排除提供保障，對煤礦安全生產具有一定的指導意義。

直流電；極化；積水；采空區；實踐

塔山礦雁崖擴區8302工作面位于三盤區西南部，工作面已圈定。其中8302工作面山4#層上覆侏羅紀14-3#煤層，侏羅紀11-2#煤層，采空區積水現狀不清，為了查明14-3#、11-2#層采空區及積水情況，利用直流電極化法在圈定區域進行探測，取得了可靠的地質成果。

1 概述

1.1 礦井概況

本區位于大同煤田中東部，東接口泉山脈，大部分地區呈低山丘陵地貌，海拔高度1100～1850m。地形起伏較大，地表大部分為黃土所覆蓋，僅溝谷及山脊地區有巖層出露，給物探勘查工作帶來一定的困難。煤田的基盤為上太古界集寧群，其后的各地層依次沉積有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系以及第四系。本次測區目的層（侏羅系下統大同組14-3#煤層）賦存特征如下：14-3#煤層的底板標高為1310m，地勢為南高北低，煤層平均厚度為4.1m，煤層傾角為5°，埋深約200m。山4#煤直接頂板砂巖含水地層為山西組地層，其次從下至上為下石盒子組、上石盒子組、永定莊組地層，含K3-K11砂巖。

1.2 水文地質情況

地下水的主要補給來源為大氣降水，由于受區內地形高差較大，植被稀少，降水量少且集中等因素影響，造成地下水補給貧乏，砂巖裂隙含水層富水性弱。另外侏羅系大同組14#煤層的開采垮塌造成的淡水裂隙帶影響，大部分地表水和淺層地下水沿導水裂隙帶入滲至采空區，在采空區低洼處匯集成積水，從而直接影響石炭、二疊系煤層的開采。山西組砂巖裂隙含水層為山4#煤層的直接充水含水層，經勘探和井下開采證實，砂巖含水層的涌水量不會給生產帶來大的影響。通過分析礦床水文地質特征及充水因素得知，煤層開采的主要水文地質問題為侏羅系大同組煤層采空積水問題。

2 電法勘探技術方案

2.1 直流電法方法原理

激發極化的直流電測深法在我國應用很早，目前已經發展較為成熟。其工作原理是在同一測點上不斷擴大電極距，加大測深，然后觀察這一測點不同垂直深度上的視電阻率和極化率的變化情況。

本次采空區積水測定工作采用的是對稱四極電測深，即以測點為中心，對稱于測點的AB極距按一定倍數向兩旁增大，同時AB極距和MN極距之間成一定的比例關系。對同一測點來講，不同的AB極距對應著不同的ρs值和ηs值，因此以AB極距為橫坐標、ρs值和ηs值為縱坐標可以繪制曲線，該曲線就是這一測點垂直深度上的地質變化。導致ρs值變化的主要變量是各電性層的厚度、層數、電阻率的大小以及電極距的長短等因素；導致ηs值變化的主要變量是極化效應的大小，也就是含水情況。

2.2 TD-3數字直流電法儀

本次測量中主要用到的儀器是TD-3數字直流電法儀。根據現場的情況，設定AB/2極距的最大值為300m，這樣就可以確保勘探深度能探測到14#煤層以下。根據溫納測深要求，AB/2極距與MN/2極距之間的關系如表1所示。

表1 激發極化法AB/2極距與MN/2極距關系一覽表

時間參數的選取為：TIME＝10000ms，V-DE?LY＝5000ms，M-DELY＝250ms，M-END＝270ms，M2-END＝5250ms，供電電壓在900V左右，供電電流在700mA左右。

3 數據處理結果分析

3.1 直流激電測深分析

根據前期的探測結果，在8302工作面8測線的180樁號點、8測線的900樁號點輔助性的布置了激電測深工作，確定異常區性質和深度。

直流激電測深的主要參數有視電阻率ρs和視極化率ηs，視電阻率ρs測深曲線橫、縱坐標均采用對數坐標，模數均為6.25cm，橫坐標代表供電電極距AB/2(即勘探深度)，縱坐標代表視電阻率值ρs的大小，將不同供電電極距AB/2的ρs值相連成線，即為測深曲線。ρs值的大小與地層巖性有關，黃土、粘土和泥巖的值較低，砂巖的值與其粒度的大小有關，ρs值越大，地層的粒度越粗，反之則越細。視電阻率ρs測深曲線主要反映了各測點垂直方向電性變化情況。同樣，ηs測深曲線與ρs測深曲線類似，ηs值的大小與地層的富水程度有關，富水性越好，ηs值越大，反之則越小。視電阻率ρs測深曲線主要反映了各測點垂直方向電性變化情況。現對所測單支曲線分析。

（1）8302工作面8測線180樁號。從圖1（a）中ρs曲線可以看出，隨橫坐標（即AB/2極距）的增大，曲線整體的趨勢為從低到高，反映了煤系地層情況；從圖1（b）中ηs曲線可以看出，在橫坐標（即AB/2極距）小于100m時，曲線平緩，大于100m的時候，ηs值異常增高，甚至可達2%，說明富水性比較強。

圖1 8-180點視電阻率測深與點視極化率測深曲線圖

（2）8302工作面8測線900樁號。從圖2（a）中ρs曲線可以看出，隨橫坐標（即AB/2極距）的增大，曲線整體的趨勢為從低到高，反映了煤系地層情況；從圖2（b）中ηs曲線可以看出，在橫坐標（即AB/2極距）小于100m時，曲線平緩，說明富水性較差，而大于100m的時候，ηs值異常增高，甚至可達2%，說明富水性比較強。

對比2個測點的極化率曲線可知，在100m之后的極化率值，極化率極高，基本上反映了所圈定積水區的積水情況。

3.2 結果分析

從上面的分析知，所圈定的區域確實富水性較強，存在積水區的可能性非常大。根據前期物探的結果，標定所圈定的區域面積編號為A1、A2、A3，A1面積為55434m2，A2面積為82615m2，A3面積為20198m2。根據式（1）可以計算積水區域的積水量。