瞬變電磁法與沉降監(jiān)測探查煤礦沉降盆地的應用

祁 寧，沈楷宇，李 星

(陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，陜西 西安 710021)

0 引言

煤礦井田普遍存在老窯采空與鄰近新采工作面之間的沉陷聯(lián)動影響。礦方往往只針對正在開采或準備開采的工作面實施監(jiān)測，忽略了周邊以往采空區(qū)的影響。從而因沉陷聯(lián)動影響產(chǎn)生的地質(zhì)災害的發(fā)生幾率增加，對于沉陷區(qū)域范圍內(nèi)的建筑物、河流、地質(zhì)構(gòu)造等產(chǎn)生不同程度的影響。首先利用瞬變電磁勘探對工作面區(qū)域范圍內(nèi)的老窯采空區(qū)進行探查確定其位置、埋深、形態(tài)大小，然后布設(shè)沉降監(jiān)測點，在開采過程中實施監(jiān)測，研究新采空的沉陷對老采空區(qū)及周圍地層的影響規(guī)律。

1 原理

沉降監(jiān)測是定期觀測監(jiān)測點相對于基準點的高差，并求得該點不同時期的高程變化，即為該點的沉降量。通過沉降量可以求出監(jiān)測差、沉降速度、部分傾斜量、相對彎度等，為監(jiān)測分析提供更為翔實的數(shù)據(jù)。從初始觀測數(shù)據(jù)到最后一次觀測數(shù)據(jù)根據(jù)對應公式可以計算出下沉量、水平移動量、斜率、曲率、水平變形、下沉速率等參數(shù)，而結(jié)合已知資料可計算下沉盆地的邊界角、移動角、裂縫角等所需參數(shù)。

瞬變電磁法也稱時間域電磁法(Time-Domain Electromagnetic Methods)，簡稱TEM，是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應定律。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小；而晚期成分則相當于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。使用方法原理如圖1所示。

圖1 使用方法原理示意Fig.1 Principle of use

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 數(shù)據(jù)整理

TEM：數(shù)據(jù)整理前，首先對其逐點進行整理，即檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，剔除不合格數(shù)據(jù)，并對合格進行編錄，整理成專用數(shù)據(jù)處理軟件所需要的順序和格式，再對數(shù)據(jù)進行濾波，以濾除或壓制干擾信號，恢復信號的變化規(guī)律，突出地質(zhì)信息，再利用專用軟件轉(zhuǎn)換得到ρs(t)(視電阻率)和hτ(t)(視深度)等參數(shù)。解釋流程如圖2所示。

圖2 TEM資料處理解釋流程Fig.2 TEM data processing and interpretation process

TEM勘探野外采集的數(shù)據(jù)為感應電動勢。橫坐標為算術(shù)坐標，表示觀測二次場的時間；縱坐標為對數(shù)坐標，表示歸一化感應電動勢。一般須將感應電動勢轉(zhuǎn)換為視電阻率，轉(zhuǎn)換公式如下

(1)

式中，μ0=4π×107H/m；ST為發(fā)送回線面積，m2；SR為接收線圈面積，m2；t為測道時間，s；V(t)/I為歸一化感應電動勢，是瞬變值。

沉降監(jiān)測：觀測站控制點連接測量就是把觀測站控制點與基礎(chǔ)控制網(wǎng)點進行聯(lián)測，確定觀測站坐標系統(tǒng)；建立與礦井開采工程的相互位置關(guān)系。觀測站控制點連接測量平面按照四等衛(wèi)星定位測量的技術(shù)要求觀測，高程以一個觀測站控制點高程為基準聯(lián)測該區(qū)域其它觀測站控制點，構(gòu)成四等水準閉合環(huán)。采用四等衛(wèi)星定位測量平面連接測量時，其數(shù)據(jù)采集、處理與分析評價的技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 巖移觀測資料處理解釋流程Fig.3 Process and interpretation process of rock movement observation data

2.2 資料解釋

TEM：各種數(shù)據(jù)和圖件構(gòu)成了資料分析的素材，與已知資料綜合分析推斷解釋才是最終目的，物探資料綜合分析和推斷遵循由點及線、由線及面、由簡單到復雜、已知到未知逐步類比展開的原則。首先對與測區(qū)相關(guān)的已知資料進行分析，突出具體特征，歸納普遍規(guī)律，確定標志層位，標定探測深度，圈定異常范圍，隨之是異常確認和可靠性評級，最后進行合理的地質(zhì)推斷。

沉降監(jiān)測：地表移動盆地穩(wěn)定后的移動和變形分布規(guī)律與煤層傾角、開采厚度、開采深度、采區(qū)尺寸、采煤方法、頂板管理方法、松散層厚度等地質(zhì)采礦因素有關(guān)。彬長礦區(qū)均為一次采全高采煤，全部垮落法管理頂板，影響分布規(guī)律的地質(zhì)采礦因素主要是煤層傾角、采區(qū)尺寸、開采深度和采動程度。選擇3個地表移動觀測站中曲線形態(tài)較理想，規(guī)律表現(xiàn)明顯的觀測線進行分析總結(jié)。

3 實際應用研究

3.1 地質(zhì)背景

地層特點：監(jiān)測區(qū)所屬陜西彬長礦區(qū)井田黃土高原地區(qū)，地表大部分地區(qū)被第四系黃土及新近系紅土所覆蓋，在紅巖河下游及其支溝出露有白堊系下統(tǒng)洛河組和華池組。鉆孔揭露的地層由老至新依次有三疊系上統(tǒng)胡家村組(T3h)，侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)，中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K1l)、華池組(K1h)，新近系(N)及第四系更新統(tǒng)(Qp1、Qp2、Qp3、)和全新統(tǒng)(Qh)。

構(gòu)造特點：區(qū)內(nèi)含煤地層延安組直接或間接的沉積基底為三疊系上統(tǒng)胡家村組，其頂面起伏形態(tài)與上覆地層起伏形態(tài)大體一致，并受其控制。區(qū)內(nèi)構(gòu)造總體走向NNE，向斜兩翼寬緩，傾角為1°～6°。南玉子向斜在西部表現(xiàn)較為明顯，向東逐漸消失。地震資料顯示區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，地層平緩，無明顯斷裂構(gòu)造。

煤層：本區(qū)4號煤層為絕大部可采煤層，1號煤層和2號煤層為大部可采煤層，3號煤層和4下1號煤層為局部可采煤層，4上1號、4上2號、4上號和4下2號煤層僅個別點可采。

水文特征：直接充水水源包含工作面采掘過程中擾動影響范圍內(nèi)的各個含水層，即侏羅系中統(tǒng)延安組含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組含水層、白堊系下統(tǒng)宜君組含水層、白堊系統(tǒng)下統(tǒng)洛河組含水層，充水方式為頂板進水型。

3.2 參數(shù)的確定

TEM：野外數(shù)據(jù)采集使用美國Zone公司生產(chǎn)的GDP-32Ⅱ多功能電法工作站，其電磁傳感器最具特色的技術(shù)和優(yōu)勢是可提供目前世界上最大面積(40 000 m2)的TEM探頭，具有寬頻帶、低噪聲、濾波措施增強抗干擾能力。

經(jīng)過對已知采空區(qū)域和未采空區(qū)域的試驗分析比較，總結(jié)出適合測區(qū)的儀器施工裝置為大定源回線。儀器參數(shù)為發(fā)射線框600 m×600 m、發(fā)射頻率4 Hz、供電電流18 A、采樣延遲350 μs、疊加次數(shù)256次。

巖移監(jiān)測：采用華測X90 GPS接收機，華星A12RTK、徠卡TS02全站儀、蘇一光DSZ2水準儀，監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)為工作面、老窯采空區(qū)半條走向觀測線和整條觀測傾向線，監(jiān)測點布設(shè)為25 m/個。

根據(jù)收集到的相鄰煤礦的已有參數(shù)，結(jié)合《煤礦測量規(guī)程》及《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》有關(guān)規(guī)定，具體參數(shù)取值如下：

基巖移動角β=γ=δ=70°～75°=72°；沖積層移動角φ=45°；煤層傾角α=2°；最大下沉角θ=90°-0.6α=88.8°；移動角修正值(走向Δδ，傾向上山Δγ，傾向下山Δβ)Δδ=Δγ=Δβ=20°；平均厚松散層厚度h=200 m；平均開采深度H0=650 m。

3.3 老窯采空區(qū)的圈定

老窯采空區(qū)視電阻率等值線解釋示意圖，如圖4所示。采空區(qū)位于未開采工作面的相鄰東側(cè)圖上反映了個電性層分布特征。根據(jù)本區(qū)內(nèi)以往地質(zhì)資料結(jié)合電性資料解釋，圈定采空異常區(qū)閾值范圍為ρ≥350 Ω·m。工作面采用自然垮塌方式形成采空區(qū)，在垮塌過程中采空區(qū)周邊形成了破碎帶，故圈定的采空異常范圍會略大于巷道范圍。本次瞬變電磁勘探圈定的采空異常范圍基本一致，證明此種探查方法對采空異常區(qū)的圈定合理有效。

圖4 老窯采空區(qū)視電阻率等值線解釋示意Fig.4 Apparent resistivity contour of old kiln goaf

3.4 移動盆地穩(wěn)定后主斷面內(nèi)移動和變形分布規(guī)律

圖5為最后一次監(jiān)測數(shù)據(jù)成果運用計算機反演所得工作面沉陷范圍示意圖，圖中工作面的沉降量變化范圍為0～1 850 mm。全區(qū)沉陷整體走勢為自北向南逐漸增大，整體沉陷趨勢為北部下沉量高于南部，因受松散層、基巖覆蓋層厚度的影響，走向方向沉降量和沉陷范圍呈現(xiàn)出北部大于南部，傾向上因受東側(cè)老窯采空區(qū)的影響，沉陷邊界范圍東側(cè)大于西側(cè)，測區(qū)內(nèi)最大下沉區(qū)域范圍在中部4103開采工作面，沉降量為1 500～1 850 mm。

圖5 4101、4102、4103、4104工作面沉陷范圍綜合解釋示意Fig.5 Subsidence range of working faces 4101，4102，4103 and 4104

4 結(jié)語

在煤礦采空區(qū)的探查中采用瞬變電磁法，能有效地查明老窯采空區(qū)的空間分布位置，效果明顯，是一種高效、便捷的地球物理勘探方法，結(jié)合沉降監(jiān)測能基本圈定沉陷盆地的影響范圍、沉降量及預計的結(jié)果，定量地研究受開采影響的地表移動在時間和空間上的分布規(guī)律，可以指導建筑物下、鐵路下、水體下的開采活動，判斷建(構(gòu))筑物采取維修、加固措施的方法和時機，作為沉陷影響村鎮(zhèn)或就地重建、異地搬遷、采取地下開采措施時的參考。