綜合物探方法在隱伏導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造探測中的應(yīng)用

王圣龍

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400039)

近年來隨著煤礦開采深度增加，煤礦礦井地質(zhì)災(zāi)害也越來越復(fù)雜,在煤炭開采過程中,斷層、陷落柱、含水層(體)、巖漿巖、采空區(qū)、煤層結(jié)構(gòu)變化等是不可忽視的災(zāi)害性地質(zhì)異常體,它們破壞了煤層的連續(xù)性,嚴(yán)重降低井下實際工作效率,甚至引發(fā)透水、瓦斯突出等事故,給煤礦的安全生產(chǎn)帶來極為嚴(yán)重的威脅。

現(xiàn)在礦井物探方法中對于工作面隱伏構(gòu)造探測效果較好的方法主要有無線電波透視儀及槽波，高瓦斯礦井下槽波工作方法較為復(fù)雜，一般選擇無線電波透視儀。礦井水害的探測主要依靠礦井瞬變電磁法及電法，基于瞬變電磁法裝置小、方向性強(qiáng)等諸多優(yōu)點，因此井下較多選擇礦井瞬變電磁法。

現(xiàn)在煤礦井下實際探測中，并沒有一種方法可以同時有效探測地質(zhì)構(gòu)造及其富水情況，單一物探方法存在本身的局限性，在防治煤礦地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)風(fēng)險過程中往往不能取得滿意的探測效果, 利用多種物探方法綜合探測煤礦多層采空區(qū)，既能發(fā)揮各個方法的優(yōu)點，又可相互印證，而且可以互相補(bǔ)充單一物探方法的技術(shù)局限，因此采用綜合物探方法對隱伏導(dǎo)水構(gòu)造進(jìn)行探測。

1 基本原理

無線電透視電磁波在地下巖層中傳播時，由于各種巖、礦石電性(電導(dǎo)率σ、介電常數(shù)ε，磁導(dǎo)率μ)的不同，它們對電磁波能量吸收不同，低阻巖層對電磁波具有較強(qiáng)的吸收作用，當(dāng)波前進(jìn)方向遇到斷裂構(gòu)造的界面時，電磁波將在界面上產(chǎn)生反射和折射作用，造成能量的損耗。因此，在礦井地質(zhì)條件下，如果發(fā)射源發(fā)射的電磁波在穿過煤層途中遇到斷層、陷落柱、含水裂隙、煤層變薄區(qū)或其他構(gòu)造時，波能量被吸收或完全屏蔽，則在巷道接收機(jī)收到微弱信號或收不到透射信號，形成透視異常區(qū)，即為所要探測異常體的位置和范圍。

礦井瞬變電磁法是利用不接地回線于井下巷道，線圈往周圍巖層發(fā)送一次脈沖磁場，在周圍地層空間產(chǎn)生一次場，在巷道周圍地層中產(chǎn)生感應(yīng)電流又將激勵產(chǎn)生隨時間變化的感應(yīng)二次場，該二次場的大小及衰減速度與周圍地質(zhì)體的電性特征有關(guān)。如果圍巖地層為富水性巖層則二次場衰減較慢，反之則二次場衰減較快。通過對接收到的信號的處理、分析及解釋，從而了解巷道周圍地層中的水文地質(zhì)信息，如圖1所示。

由于礦井瞬變電磁法的發(fā)射和接受均在巷道中進(jìn)行，受制于巷道空間，線圈采用多匝小回線裝置。瞬變電磁場響應(yīng)來自全空間地層的綜合信息，記錄不同瞬變延時的感應(yīng)電動勢。瞬變電磁場在圍巖介質(zhì)中的傳播是一個能量不斷衰減的過程，由“煙圈”理論可知，瞬變電磁場的早期信號反映的是近距離周圍介質(zhì)的電性特征，而晚期信號則反映的是深部地層介質(zhì)的電性特征。

圖1 礦井瞬變電磁法探測示意圖

2 采煤工作面隱伏地質(zhì)構(gòu)造數(shù)值模擬

2.1 基本公式

無線電波透視法只測固定頻率的透射電磁波的磁場(或電場)振幅分量。在電磁波射線路徑上，介質(zhì)電磁性質(zhì)的變化和波阻抗的變化會造成電磁場強(qiáng)度的變化；分析電磁場強(qiáng)度的變化，就可以預(yù)測區(qū)介質(zhì)的物性變化。

煤層中傳播的電磁波在介質(zhì)中任意點的場強(qiáng)表達(dá)式可表示為：

(1)

式中：Hp——接收點的場強(qiáng)值，A/m；

H0——發(fā)射點的場強(qiáng)值，A/m；

r——發(fā)射點到接收點的直線距離，m；

β——煤層對電磁波的吸收系數(shù)；

f(θ)——方向因子。

其中煤層對電磁波的吸收系數(shù)為：

(2)

對式(1)取對數(shù)，即：

則有：

(5)

在一定的頻率時，β值是煤層或者巖層的介電常數(shù)ε、磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率σ的函數(shù)。由于煤層相當(dāng)于頂?shù)装鍘r層，是一種波導(dǎo)介質(zhì)，當(dāng)介質(zhì)發(fā)生變化時，其波阻抗會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致β和H的變化，因此可以根據(jù)煤層對電磁波吸收系數(shù)和磁場的變化值的大小、曲線形態(tài)，結(jié)合地質(zhì)條件來分析、判斷異常體的性質(zhì)，進(jìn)行綜合解釋。

2.2 數(shù)值模擬

圖2 工作面地質(zhì)構(gòu)造模型

圖3 各種異常情況的接收場強(qiáng)值變化

圖4 穿透導(dǎo)水構(gòu)造電磁波接收值變化

綜合圖3、圖4可以得出結(jié)論：在均勻介質(zhì)電磁波傳播過程中，煤層對電磁波的衰減系數(shù)為恒定值，電磁波按照指數(shù)均勻衰減，衰減平緩。在穿透地質(zhì)構(gòu)造過程中，如果地質(zhì)構(gòu)造為高阻體，電磁波在透過異常區(qū)過程中，異常區(qū)對電磁波產(chǎn)生了折射、反射和吸收，衰減曲線幅度增大，透過異常區(qū)后，電磁波重新按照指數(shù)衰減模式進(jìn)行均勻衰減，接收巷道接收到的場強(qiáng)值相對于均勻介質(zhì)中大幅減小。當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造為低阻體時，異常區(qū)對電磁波的反射更強(qiáng)，電磁波透過時較高阻異常體衰減幅度更大，接收巷道接收到的場強(qiáng)值更低。同時做對比試驗發(fā)現(xiàn)：當(dāng)導(dǎo)水構(gòu)造電阻率越來越小時，場強(qiáng)值呈急速衰減，接收巷道會接收不到有效的場強(qiáng)值。

無線電波透視法穿透高阻異常體時，異常體的電阻率及介電常數(shù)都要比煤層高，電磁波主要被折射及反射，電磁波衰減較小，因此無線電波透視法針對高阻異常區(qū)有較好的識別性，可以根據(jù)煤層對電磁波吸收系數(shù)及場強(qiáng)變化來判斷異常區(qū)的位置及范圍，若穿過導(dǎo)水構(gòu)造，低阻構(gòu)造的電阻率比煤層低，但介電常數(shù)相對煤層要高。低阻構(gòu)造對電磁波具有更強(qiáng)反射能力，導(dǎo)致接收場強(qiáng)值非常小，對異常構(gòu)造的定位也要優(yōu)于高阻體，但當(dāng)?shù)妥杞橘|(zhì)較大且電阻率很低時，有可能造成接收點接收到的電磁波場強(qiáng)為零，電磁波衰減殆盡。

因此無線電波透視法可以界定異常體的位置，但是無法劃分隱伏地質(zhì)構(gòu)造的富水性。礦井瞬變電磁法對工作面地質(zhì)構(gòu)造的富水性有很好的探測效果，受制于井下空間的限制及物探方法的局限性，單一物探方法無法解決具體的實際問題，因此在工作面隱伏含水構(gòu)造勘查中采用瞬變電磁法和無線電波透視法綜合探測方法來界定異常區(qū)范圍及其富水性。

3 采煤工作面采空區(qū)探測試驗

山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左權(quán)宏遠(yuǎn)煤業(yè)有限公司受工作面隱伏地質(zhì)構(gòu)造的影響，煤礦安全生產(chǎn)進(jìn)度緩慢，為進(jìn)一步探明工作面內(nèi)隱伏地質(zhì)構(gòu)造及其富水性，對工作面開展瞬變電磁法和無線電波透視法探測試驗工作。

3.1 地質(zhì)概況

宏遠(yuǎn)煤業(yè)150105回采工作面工作面長度800 m、寬度120 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。根據(jù)巷道實際揭露及鄰近工程揭露，工作面共揭露11條斷層，發(fā)育4個陷落柱。工作面水文地質(zhì)條件復(fù)雜，頂板含水層水和奧灰?guī)r溶水是主要水患，構(gòu)造導(dǎo)水、采空滯水次之。根據(jù)掘進(jìn)期間涌水情況分析，工作面在回采過程中預(yù)計會有淋滴水現(xiàn)象。在探測工作前設(shè)置無線電波透視發(fā)射頻率為0.5 MHz，接收機(jī)頻率為0.5MHz,每隔50 m設(shè)置一個發(fā)射點，巷道揭露的斷層附近發(fā)射點距設(shè)計為20～30 m,每隔10 m設(shè)置一個接收點，瞬變電磁法發(fā)射點間距設(shè)置為10 m，設(shè)置3個探測方向，順煤層方向、沿著煤層方向向上偏30°、沿著煤層方向向下偏30°。

圖5 工作面無線電波透視成果圖

圖6 工作面瞬變電磁探測成果圖

3.2 構(gòu)造異常區(qū)綜合物探成果分析

通過對數(shù)據(jù)層析成像技術(shù)反演，經(jīng)過計算機(jī)數(shù)據(jù)處理，結(jié)合地質(zhì)資料和相對衰減強(qiáng)弱規(guī)律劃分異常范圍，工作面共圈出3處衰減較大的異常區(qū)，其中，A1號異常區(qū)位于工作面運輸巷15～50 m范圍內(nèi)，該異常區(qū)相對于周圍煤層為相對較強(qiáng)衰減區(qū)。結(jié)合地質(zhì)資料及現(xiàn)場情況，推測工作面內(nèi)陷落柱是造成異常的主要因素。A2號異常區(qū)位于工作面運輸巷70～110 m范圍內(nèi)，為相對強(qiáng)衰減區(qū)，結(jié)合地質(zhì)資料分析，推測工作面內(nèi)隱伏斷層是造成異常的主要因素。A3號異常區(qū)位于工作面運輸巷230～250 m范圍內(nèi)，該異常區(qū)場強(qiáng)衰減范圍為相對強(qiáng)衰減區(qū)。推測工作面內(nèi)的隱伏陷落柱揭露的斷層向工作面內(nèi)延伸是造成異常的主要因素，異常區(qū)范圍有一定延展性，不排除陷落柱附近發(fā)育小斷層的可能。通過礦井瞬變電磁法探測工作面煤層富水性，刨除地質(zhì)及巷道金屬體對電磁場的干擾。工作面共圈出2處電阻率較低的異常區(qū)，B1低阻異常區(qū)位于工作面運輸巷100～150 m、深度35～60 m處，總體視電阻率較煤層偏低。B2低阻異常位于工作面運輸巷200～250 m、深度35～55 m處。結(jié)合無線電波透視法及礦井瞬變電磁技術(shù)成果分析，A3異常區(qū)和B2異常區(qū)存在重合之處，說明A3區(qū)域處為富水陷落柱，A2異常區(qū)和B1異常區(qū)位置離得很近，隨著工作面回采，煤層如果發(fā)生擠壓破裂，B1異常區(qū)域內(nèi)的水將沿著導(dǎo)水帶進(jìn)入A2異常區(qū)域，形成新的富水異常區(qū)。最終經(jīng)過礦方地質(zhì)鉆孔勘察，得出的勘探結(jié)果與綜合物探結(jié)果推斷一致。

4 結(jié)論

(1)對無線電透視波穿透地質(zhì)構(gòu)造曲線進(jìn)行分段模擬分析，隱伏地質(zhì)構(gòu)造的電阻率ρ和介質(zhì)對無線電透視波衰減系數(shù)β呈負(fù)相關(guān)。在均勻介質(zhì)電磁波傳播過程中，煤層對電磁波的衰減系數(shù)為恒定值，電磁波按照指數(shù)均勻平緩衰減。在穿透地質(zhì)構(gòu)造過程后，接收巷道接受到的場強(qiáng)值相對于均勻介質(zhì)中大幅減小，若地質(zhì)構(gòu)造含水，異常區(qū)的電阻率相對于煤層偏低，異常區(qū)對電磁波的反射及折射更強(qiáng)，相對于透過高阻地質(zhì)構(gòu)造時衰減幅度更大，接收巷道接收到的場強(qiáng)值更低，接收巷道有可能接收不到有效的場強(qiáng)值。

(2)礦井瞬變電磁法對低阻體具有更高的探測和分辨能力，當(dāng)隱伏地質(zhì)構(gòu)造含水且呈現(xiàn)低阻時，回采工作面的采動變化會導(dǎo)致工作面內(nèi)部形成新的導(dǎo)水裂隙帶，單純地依賴礦井瞬變電磁法只能判斷水源，而無法判斷地質(zhì)構(gòu)造的破壞程度，因此結(jié)合無線電波透視技術(shù)對地質(zhì)構(gòu)造的探測，可以動態(tài)分析礦井地質(zhì)構(gòu)造的危險程度，服務(wù)于煤礦的安全回采。