長平礦3#煤層感應電磁場衰減規律研究

衛金善,張會兵,竇文武,段彥飛

(1.山西晉煤集團 技術研究院有限責任公司,山西 晉城 048006;2.山西長平煤業有限責任公司,山西 晉城 048006)

長平礦3#煤層感應電磁場衰減規律研究

衛金善1,張會兵2,竇文武1,段彥飛2

(1.山西晉煤集團 技術研究院有限責任公司,山西 晉城 048006;2.山西長平煤業有限責任公司,山西 晉城 048006)

長平礦水文地質條件較為復雜,3#煤層開采過程中頂板上部K8、K10砂巖含水層受到破壞,局部底板承壓大于2 MPa,為保證安全開采,采用瞬變電磁儀對巷道進行超前探測。通過研究多年探測結果的感應電磁場衰減變化規律,分析有干擾因素和無干擾情況下的衰減特征,對比不同盤區的視電阻率變化和地質特征關系,總結得出:1)在無干擾條件下,長平礦區正常煤巖體視電阻率波動范圍處于0 Ω·m～250 Ω·m 之間,視電阻率低于 20 Ω·m 時淋水概率增大;2)在鐵器干擾情況下,感應電壓衰減加劇,整體視電阻率降低,容易造成富水區的漏報或誤報;3)在電力干擾下,感應電磁場電壓極不穩定,視電阻率不能真實反映現場情況,該情況下的數據不可用作物探結果。

長平礦;瞬變電磁;視電阻率;感應電磁場

1 概述

長平礦3#煤層主要受二疊系山西組及 K8 砂巖裂隙含水層威脅,該含水層為碎屑巖裂隙含水層,井田內無出露,包括K7、K8砂巖及3#煤層頂板砂巖裂隙含水層,構成主采3#煤層的充水水源。巖性以中、細粒砂巖為主,局部砂巖裂隙發育。該含水層屬富水性弱的砂巖裂隙含水層。二疊系砂巖含水層層間隔水層主要由泥巖、砂質泥巖組成,單層厚度一般小于20 m。垂向分布呈平行復合結構,阻隔上下各含水層層間的水力聯系,起層間隔水作用。 礦區由于地質構造發育,水文地質條件較為復雜,3#煤層導水裂縫帶高度界于12.14 m～94.54 m之間,開采過程中,3#煤層頂板以上K8、K10砂巖含水層受到破壞;井田內奧灰水位標高625 m,而3#煤層底板標高介于425 m～705 m,局部區域底板承壓大于2 MPa。為保證長平礦安全開采,避免水害事故發生,采用瞬變電磁儀對巷道進行超前探測,其中,首要任務是掌握長平礦的水文地質感應電磁場特征規律。

通過查閱文獻發現,眾多專家學者在瞬變電磁在礦井應用方面做了深入應用研究。梁慶華[1]分析了固定平移法、轉換角度法、綜合法等礦井瞬變電磁探測工作方法優缺點及其適用范圍;梁爽[2]、劉志新[3]通過數值模擬和物理模型實驗,總結了礦井地質條件下瞬變電磁場的分布規律;文獻[4-7]分析了礦井干擾源對瞬變電磁探測的干擾特征;文獻[8-10]都以長平礦為研究對象,為分析地質資料提供針對性較強的參考價值。

2 地球物理電磁場特征

由于煤系地層的沉積序列比較清晰,在原生地層狀態下,導電性特征在縱向上有其固定的變化規律,而在橫向上相對比較均一;在同一個巖層內,電性分布相對均一(層內均一性);不同巖層組合,其垂向電性分布和變化是有序的且與巖性組合順序相對應(垂向規律有序性)。不同巖性的導電性一般存在明顯差異,一般而言泥巖、頁巖、粉砂巖、中粗砂巖、灰巖的電阻率是依次增高的,煙煤的電阻率通常很大,常以明顯的高阻異常區別于頂底板巖層(如泥巖、砂巖等)。

長平礦3#煤層頂板巖層主要為泥巖、細砂巖、粗砂巖,通過煤樣檢測得知該測區內巖層電性變化的一般規律為:煤層電阻率值相對較高(250 Ω·m～300 Ω·m)、砂巖次之(50 Ω·m～100 Ω·m)、粘土巖類最低(20 Ω·m ～30 Ω·m),即泥巖、細砂巖、粗砂巖等與煤層的導電性差異明顯。當存在煤層采空區(積水或不積水)及巖層巖溶、裂隙、斷層破碎帶等構造(即地質異常體)時,地質異常體及其附近導電性分布將發生明顯變化(物性異常);如果構造內不含水,則其導電性較差,使局部電阻率值增高;如果構造含水,由于礦井水的礦化度較高(實測地下水礦化度 0.3 g/L～0.6 g/L),其導電良好,相當于存在局部低電阻率值的地質體。巖層或煤層的富水情況決定其電阻率的高低情況。

3 感應電磁場衰減規律

感應電磁場是在一次脈沖激發之后形成的二次感應電磁場, 感應電磁場隨著時間逐漸向遠處傳播,感應電流和電壓逐漸減弱。通過分析二次感應電磁場的衰減變化規律,可以推測探測區域煤巖體的分布特征。

3.1正常煤巖體電磁場衰減規律

正常巖體是指探測區域煤層無構造、無富水區域,探測時無明顯大型鐵器干擾。圖1至圖3為長平礦具有代表性的正常煤巖體感應電磁場衰變曲線和反演成果圖。

圖1 正常煤巖體視電阻率衰減曲線圖Fig.1 Attenuation curve of apparent resistivity in normal coal-rock mass

圖2 正常煤巖體二次場感應電壓曲線圖Fig.2 Secondary field induced voltage curve of normal coal-rock mass

由圖 1 可知,在正常煤巖體中,當一次脈沖關閉后開始形成二次感應電磁場,二次感應場的視電阻率逐漸衰減,位于20 Ω·m～250 Ω·m之間;由圖2可知,感應電壓由106μV逐漸衰減到10 μV,在50測道后電壓降到100 μV,衰減速度符合擬合電壓趨勢(藍色曲線)。

注:橫坐標0點位置對應掘進頭位置,橫坐標軸負方向對應掘進頭位置左側幫,正方向對應掘進頭位置右側幫。下同圖6、圖9圖3 正常煤巖體視電阻率成果Fig.3 Apparent resistivity results of normal coal-rock mass

由圖 3 可知,視電阻反演成果圖等值曲線平滑,間距均勻,兩側幫受到錨網影響,衰減速度相對較快。

3.2富水區電磁場衰減規律

圖4至圖6為長平礦實測數據,在巷道揭露過程中,低阻區域出現大量淋水現象。由圖4可知,二次感應場的視電阻率急劇衰減,后期又有較小回升;由圖5可知,感應電壓在50測道之前就降到100 μV,衰減速度明顯偏離擬合電壓趨勢(藍色曲線);由圖6可知,視電阻反演成果圖等值曲線平滑,但間距發生明顯變化,富水區形成了明顯的低值等勢面。

圖4 富水區視電阻率衰減曲線圖Fig.4 Attenuation curve of apparent resistivity in water-rich area

圖5 富水區二次場感應電壓曲線圖Fig.5 Secondary field induced voltage curve in water-rich area

圖6 富水區視電阻率成果Fig.6 Apparent resistivity results in water-rich area

3.3金屬干擾電磁場衰減規律

圖7至圖9為現場有大量金屬體時采集的數

據,金屬干擾是指除了現場錨桿錨網支護外,另有大型機組、地溜、鉆機等鐵器存在的情況。

圖7 鐵器干擾情況下視電阻率衰減曲線圖Fig.7 Attenuation curve of apparent resistivity under iron interference

圖8 鐵器干擾情況下二次場感應電壓曲線圖Fig.8 Secondary field induced voltage curve under iron interference

圖9 鐵器干擾情況下視電阻率成果Fig.9 Apparent resistivity results under iron interference

由圖7 可知,受鐵器干擾的二次感應場的視電阻率初始值較小,且急劇衰減;由圖8可知,感應電壓初始值只有 105μV,在44測道就降到 100 μV,衰減速度較快;由圖9可知,視電阻反演成果圖等值曲線平滑,間距均勻,兩側幫受錨網影響,衰減速度加劇。

3.4不同盤區視電阻率分析

通過選取近幾年同一種儀器在長平探測結果進行分析發現,現場環境存在不可避免的金屬干擾(錨桿、錨網等),實際測得的視電阻率相對要比理論值低,長平礦一、二盤區整體視電阻處于20 Ω·m～250 Ω·m之間,低于20 Ω·m時淋水概率增大;三盤區地質結構復雜,處于奧灰水位下,富水性一般,整體視電阻處于0 Ω·m～120 Ω·m 之間,阻值偏低;四盤區部分區域處于奧灰水位下,南翼富水性較強,北翼富水性一般,整體視電阻處于0 Ω·m ～250 Ω·m 之間,視電阻率低于20 Ω·m時,揭露過程中淋水概率增大。

4 結論

通過對長平礦區瞬變電磁在3#煤層測得的感應二次場數據研究分析,總結得出:1)在無干擾條件下,長平礦區正常煤巖體視電阻率波動范圍處于0 Ω·m～250 Ω·m之間,視電阻率低于20 Ω·m時淋水概率增大;2)在鐵器干擾情況下,感應電壓衰減加劇,整體視電阻率降低,容易造成富水區的漏報或誤報;3)在電力干擾下,感應電磁場電壓極不穩定,視電阻率不能真實反映現場情況,該情況下的數據不可用作物探結果。

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AttenuationLawofInducedElectromagneticFieldinNo.3CoalSeaminChangpingMine

WEIJinshan1,ZHANGHuibing2,DOUWenwu1,DUANYanfei2

(1.InstituteofTechnology,ShanxiJinchengCoalGroup,Jincheng048006,China;2.ChangpingCoalCo.,Ltd.,Jincheng048006,China)

The hydrogeological condition in Changping Mine is complex.During the mining of No.3 coal seam,K8 and K10 sandstone aquifer are damaged,with regional floor pressure being more than 2 MPa.To ensure safe mining, transient electromagnetic method was used in advanced detection.On the analysis of attenuation law of induced electromagnetic field,the attenuation features were studied with and without interference factors.According to the connection between the apparent resistivity and geological features at different panels,we draw conclusions as follows:(1)without interference,the fluctuation of the apparent resistivity of normal coal-rock mass ranges from 0 to 250 Ω·m;when the apparent resistivity is less than 20 Ω·m,probability of water spray increases;(2)with iron interference,the attenuation of induced voltage increases and overall apparent resistivity decreases,which causes missing and misreporting data in water rich area;(3)with electricity interference,the voltage of induced electromagnetic field is extremely unstable;the apparent resisitivity could not reflect the actual situation,therefore the data could not be used as the geophysical results.

Changping Mine; transient electromagnetic method; apparent resistivity; induced electromagnetic field

企業科技推廣項目(jsyj-jskf-2015-008)

1672-5050(2017)04-0017-05

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.006

2017-07-15

衛金善(1967-),男,山西陽城人,本科,工程師,從事地球物理勘探、水文地質勘查、地測防治水等水文地測相關工作。

P641.7

A

(編輯:楊 鵬)