瞬變電磁法在采面富水構(gòu)造探測中的應(yīng)用分析

閆 龑

(山西高河能源有限公司，山西 長治 047100)

斷層、褶曲以及陷落柱等是煤炭回采時常見的地質(zhì)構(gòu)造，上述構(gòu)造存在導(dǎo)水風(fēng)險的同時也容易造成瓦斯集聚，給礦井煤炭開采帶來威脅[1-2]。采用常規(guī)的地震波法具有構(gòu)造探測精度高、反映明顯等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在操作繁瑣、投入大以及對構(gòu)造富水性敏感性低等問題[3-5]。瞬變電磁法依據(jù)煤巖體導(dǎo)電性差異來對煤層中存在的構(gòu)造進(jìn)行探測，一般情況下，煤層、頂板巖層及地質(zhì)構(gòu)造電阻率存在顯著差異，在地質(zhì)構(gòu)造影響下煤體完整性造成破壞甚至出現(xiàn)錯斷，探測得到的電阻率參數(shù)出現(xiàn)變化，從而為瞬變電磁法探測地質(zhì)構(gòu)造提供基礎(chǔ)[6-8]。文中采用瞬變電磁法對高河能源W3305綜采工作面地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測，掌握了采面構(gòu)造賦存情況，可在一定程度上指導(dǎo)煤炭回采工作。

1 瞬變電磁法探測原理

瞬變電磁法是通過不接地回線或者接地導(dǎo)線向探測區(qū)域發(fā)送脈沖電流，形成的一次脈沖磁場(等效電流環(huán))向探測區(qū)域傳播，脈沖磁場受地質(zhì)異常體影響會出現(xiàn)感應(yīng)二次場，二次場信號含有地質(zhì)異常體的時間、空間分布信息。在一次脈沖磁場間歇期間采用接地電極、線圈等觀測二次場信號，通過分析二次場電阻率變化情況即可掌握地質(zhì)異常體位置及類型。

視電阻率可通過式(1)計算[9]：

(1)

式中：tj、ti為相鄰兩延時道取樣(tj>ti)；ρj、ρi為tj、ti延時道視電阻率。

(2)

式中：C為響應(yīng)系數(shù)；S為接收線圈面積；N為接收線圈匝數(shù)；t為二次場衰減時間;(V/I)為歸一化二次場電位值。

根據(jù)公式(1)、(2)計算可得到視電阻率值，再根據(jù)計算結(jié)果可求得相鄰兩延時道值，從而獲取到探測區(qū)域內(nèi)的視電阻率。由公式(2)可以看出，發(fā)射及接收線圈固定后、線圈匝數(shù)保持不變，影響計算結(jié)果的因素為歸一化二次場電位值，因此在實際應(yīng)用時精準(zhǔn)獲取電位值尤為重要。電位值差異是探測區(qū)域內(nèi)煤巖體導(dǎo)電率的綜合響應(yīng)，通過對比探測位置視電阻率值即可判斷探測區(qū)是否存在低阻、高阻地質(zhì)異常區(qū)。大量的工程應(yīng)用及研究結(jié)果表明，當(dāng)探測區(qū)域內(nèi)存在破碎帶煤巖體、斷層或者瓦斯集聚區(qū)時均會有一定的高阻反應(yīng)出現(xiàn)。

2 現(xiàn)場應(yīng)用分析

2.1 現(xiàn)場概況

高河能源有限公司W(wǎng)3305綜采工作面位于井田西北部，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，預(yù)計采面內(nèi)局部位置發(fā)育有應(yīng)力集中、隱伏斷層等。3號煤平均厚度6.4 m，頂板巖層巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，底板巖層巖性以黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。回采巷道在掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)局部區(qū)域內(nèi)有頂?shù)装寮熬蜻M(jìn)迎頭煤體內(nèi)裂隙發(fā)育、瓦斯含量有所增加，給巷道掘進(jìn)工作帶來一定威脅。為了給采面回采創(chuàng)造良好條件，提出在W3305采面運(yùn)輸巷、回風(fēng)內(nèi)采用瞬變電磁法探測開采范圍內(nèi)煤層及頂?shù)装鍍?nèi)富水區(qū)。

2.2 現(xiàn)場探測

在W3305綜采工作面采用全方位探測技術(shù)方案進(jìn)行探測，并在探測時嚴(yán)格按照技術(shù)方案執(zhí)行。在采面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷內(nèi)布置的瞬變電磁測點(diǎn)間距均為5.0 m，并按照垂直煤層頂板、60°仰角、30°仰角、垂直煤壁、30°俯角、60°俯角、垂直煤層底板等7個方向?qū)γ簩禹數(shù)装濉⒚簩觾?nèi)地質(zhì)構(gòu)造富水性等進(jìn)行探測，具體布置見圖1。在采面內(nèi)運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷分別布置270個測點(diǎn)。

瞬變電磁探測時施工參數(shù)見表1。通過連續(xù)探測獲取到W3305工作面回采巷道扇形視電阻率剖面圖，綜合探測結(jié)果及巷道掘進(jìn)情況，將視電阻率在60 Ω·m以下區(qū)域劃分為低阻異常區(qū)；視電阻率在260 Ω·m以上區(qū)域為高阻異常區(qū)。

圖1 測點(diǎn)探測方位示意

表1 瞬變電磁施工參數(shù)

2.3 瞬變電磁探測數(shù)據(jù)解釋

瞬變電磁探測獲取到的數(shù)據(jù)處理過程為：原始探測信號的過濾及處理—視電阻率計算—時間、深度轉(zhuǎn)換—生產(chǎn)坐標(biāo)、深度對應(yīng)的視電阻率等值線圖。

在對探測區(qū)數(shù)據(jù)計算、處理后，依據(jù)探測區(qū)域內(nèi)的煤巖物理參數(shù)、地質(zhì)特征，對探測區(qū)進(jìn)行綜合分析，劃定低區(qū)異常區(qū)從而判定探測區(qū)內(nèi)是否存在富水異常區(qū)。在W3305綜采工作面采用專業(yè)處理軟件對瞬變電磁探測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體是：生成探測點(diǎn)7個探測方向上視電阻率等值曲線；依據(jù)各測點(diǎn)探測結(jié)果對探測點(diǎn)位置、深度、方向等空間坐標(biāo)進(jìn)行編排，實現(xiàn)采面全空間范圍內(nèi)的探測結(jié)果反演，最終形成頂板、采面、底板約80 m范圍內(nèi)的煤巖體三維空間視電阻率分布等值線；對煤層及頂板上重點(diǎn)層位進(jìn)行提取、切片。根據(jù)探測結(jié)果，對采面富水異常區(qū)進(jìn)行分級圈定，其中一級、二級、三級富水異常區(qū)視電阻率范圍為：≤20 Ω·m、20～40 Ω·m、40～60 Ω·m。具體獲取到的采面頂?shù)装宓妥璁惓^(qū)三維圖見圖2、采面頂?shù)装寮懊簩觾?nèi)低阻異常區(qū)分布情況見圖3。

圖2 采面頂?shù)装宓妥璁惓^(qū)三維圖

從探測結(jié)果看出，采面頂?shù)装寮懊簩觾?nèi)均存在多處低阻異常區(qū)，初步判斷主要為隱伏小斷層。受隱伏斷層影響，附近巖體破碎、裂隙發(fā)育，從而使得頂?shù)装寮懊簩又辛严端跀鄬痈浇邸?/p>

圖3 采面頂?shù)装寮懊簩觾?nèi)低阻異常區(qū)

2.4 鉆探驗證分析

根據(jù)W3305綜采工作面瞬變電磁探測結(jié)果，礦井在低阻異常區(qū)內(nèi)針對性布置探放水鉆孔，對采面影響范圍內(nèi)的富水地質(zhì)構(gòu)造及富水區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)性探放，并對物探成果進(jìn)行驗證分析。鉆探結(jié)果表明，煤層頂板上的1～5號低阻異常區(qū)內(nèi)施工的探放水鉆孔均有水涌出，但是涌水量均不大,在1.2～2.2 m3/h；煤層內(nèi)的6～10號低阻異常區(qū)均未隱伏小斷層，落差在0～2.0 m間，鉆孔涌水量在0.5～1.5 m3/h；底板施工的探放水涌水量在0.5 m3/h以內(nèi)。預(yù)計頂?shù)装寮懊簩觾?nèi)的富水體、隱伏斷層等不會給采面煤炭生產(chǎn)造成顯著影響。

3 結(jié) 語

1) 根據(jù)W3305綜采工作面地質(zhì)情況，提出采用瞬變電磁法對采面開采影響范圍內(nèi)的富水體機(jī)富水地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測，并對瞬變電磁法探測原理以及現(xiàn)場布置方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2) 現(xiàn)場探測發(fā)現(xiàn)W3305采面頂板、底板及開采的煤層中有17個低阻異常區(qū)，后采用鉆探方式對采面影響范圍內(nèi)的低阻異常區(qū)內(nèi)富水情況進(jìn)行探測。發(fā)現(xiàn)探測到的低阻異常區(qū)內(nèi)均有一定程度的涌水，但是涌水量均較小，預(yù)計富水異常區(qū)不會給采面回采安全帶來顯著影響。