煤礦井下瞬變電磁法探測煤層上覆采空區積水實踐*

馬 為,林 星,劉 正

(天津市地球物理勘探中心,天津 300170)

0 引言

開展探測工作的煤礦位于陜北侏羅紀煤田榆神礦區內,井田煤炭資源豐富,4-3煤層是該礦的主采煤層。431303工作面位于井田中部,根據已有的水文地質報告、物探及鉆探資料可知,4-3煤層回采期間的主要水害為上覆4-2煤層采空區積水。前期探放水及涌水監測結果證實大部分積水已放空,但仍殘存少量動態水及小范圍低洼積水,回采至局部低洼點時仍存在瞬時涌水量激增造成水害的可能性。根據“物探先行、鉆探驗證、綜合治理”的防治水工作原則,在工作面回采前利用井下瞬變電磁技術對4-3煤層頂板采空區內殘留積水情況進行探測。

1 井下瞬變電磁技術原理及特點

瞬變電磁法又稱時間域電磁法(簡稱TEM),地表觀測時是利用敷設的不接地回線發射脈沖電磁場,在脈沖電磁場間歇期間,由地下介質感應產生的二次渦旋電流向半空間擴散傳播(即“煙圈效應”),通過觀測攜帶地下介質信息的二次場時間和空間分布特征及變化規律,通過處理解釋(包括定量反演及地質推斷)分析對應的介質形態、位置及電性特征,進而達到探測地質體(采空區、破碎冒落帶等)的目的[1]。井下瞬變電磁法是在井下巷道內進行觀測,不同于半空間擴散方式,存在全空間效應[2],如圖1所示。

圖1 井下瞬變電磁法勘探原理示意Fig.1 Principle of transient electromagnetic exploration in mine

高阻煤層易于電磁波的傳播,不存在直流電場的高阻屏蔽性,接收線圈接收到的信號是觀測點周圍全空間巖石電性的綜合反映。因而在判定異常體空間位置時,需根據線圈平面的法線方向并結合地質資料加以綜合分析確定[3-4]。井下瞬變電磁法兼顧瞬變電磁法的優勢,即觀測純二次場、不受高阻層屏蔽、對低阻異常敏感、人工發射源可加大電流壓制隨機干擾、定向性好、測量距離大等[5-8],且可在巷道中更接近探測目標體,具有距離優勢,實現小點距精細探測。因此,目前被廣泛應用于解決側幫及煤層頂底板含水構造探測、掘進面超前預報等礦井地質問題[9-15]。實際應用過程中,由于實施地點的特殊性,需要考慮巷道空間條件、支護類型和線纜、變壓器以及大型機械車輛的影響。

2 礦井水文地質條件及物性

2.1 井田地質

井田地表基本被第四系覆蓋,僅北東部溝谷中有基巖出露。根據已有地質勘探成果,地層由老至新依次為:三疊系永坪組(T3y)、侏羅系延安組(J2y)、直羅組(J2z)、新近系保德組(N2b)、第四系。其中侏羅系延安組(J2y)為井田含煤地層,主采煤層為延安組第2段(J2y2)的4-4、4-3、4-2煤層。井田內斷裂不發育,井田南部存在一傾向北西的單斜構造。區內含水層以侏羅系延安組基巖裂隙承壓含水層為主,礦井水來源于煤層頂板、底板砂巖水,主要充水方式為裂隙水,大氣降水及第四系潛水通過開采形成的導水裂隙帶進入下伏工作面。此外,4-2煤層采空區積水是鄰近工作面的間接充水水源,是下伏4-3煤層開采的主要充水水源。

431303工作面位于井田南部,為431盤區第3個回采工作面,主采4-3煤層,工作面順槽長度均為1 650 m,切眼長度200 m,膠運巷掘進斷面尺寸為5.7 m×3.0 m,煤層平均厚度1.14 m,采用綜合機械化采煤工藝。根據已有資料,整體位于4-2煤層采空區之下,四周均為實煤區。工作面采空區采取封閉并預埋泄水孔的方法排放積水,采空積水區受波狀背斜構造影響形成多個互不連通的積水區。

2.2 物性特征

巖石導電性差異(即電阻率大小)是井下瞬變電磁法進行采空區探測的前提條件。本區地層的沉積序列比較清晰,431303工作面上覆巖層為侏羅系中統延安組(含4-2煤層)及新生界,主要為粉砂巖、細粒砂巖、基巖風化層、第四系粘土、沙土層等,其中煤層電阻率值相對較高、砂巖次之、粘土巖類最低,見表1。

表1 431303工作面煤系地層頂板以上巖石電阻率值Table 1 Resistance of rock above the coal strata roof in 431303 working face

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,即由淺至深電阻率逐步增大,而在橫向上相對比較均一。當存在采空區、裂隙破碎帶時,由于地下水的流動性及電離作用導致局部電阻率下降,形成局部低阻閉合異常,與圍巖產生明顯的電性差異,故可以通過瞬變電磁法進行采空積水區探測。

3 儀器與施工方法

3.1 儀器及工作參數

受限于巷道空間,井下瞬變電磁均采用多匝小線圈開展工作。本次勘探使用加拿大Geonics公司產PROTEM-EM47加強型系統型儀器,接收與發射系統相對獨立,采用參考電纜同步。觀測裝置采用偶極-偶極(圖拉姆型),以便與地下(探測方向)異常體產生最佳偶合響應。高頻接收線圈偶極距10 m,移動發射線圈采用邊長為2 m×2 m的48匝發射回線,以12 V外接電瓶供電時,電流最大可超過6 A;工作頻率25 Hz,工作模式30門,采集增益為1,疊加時間4～15 s,關斷時間1 μs。

3.2 施工方法

采集點距10 m。實際測量中,依據線框法向探測原則,在2條巷道內分別進行如圖2所示的θ=30°、60°、90°這3個方向的探測。井下工作時,收發偶極固定距離移動,完成數據采集,數據自動存儲。為確保數據質量,采集過程中對巷道附近做停電處理,觀測點避開了掘進機等大型金屬物,確保電纜及金屬管路不能橫穿發射及接收線圈,以減小干擾。探測起點為431303工作面東側運輸大巷向東30 m為剖面0點共計完成井下瞬變電磁測深點332個,2條剖面總長度3 300 m。

圖2 井下瞬變電磁法探測方向Fig.2 Direction of transient electromagnetic exploration in mine

數據處理使用WPTEM地下全空間瞬變電磁處理與解釋系統,完成了數據編輯及電阻率反演計算,繪制多道響應曲線及等效視電阻率斷面,等效視電阻率值采用全空間模型計算,其值的高低表明了巖石、地層間的電性差異。

4 探測效果分析及驗證

工作面頂板至地表的巖石物性表明,粉砂巖、煤層及放水處理后的采空區均為高阻,探測目標為頂板100 m范圍內的采空積水區,即“高阻背景中的低阻異常”,一般等效視電阻率在25 Ω·m以下的異常為重點研究對象。由于原始地層縱向成層、橫向電性變化小,反演電阻率結構中的橫向低阻異常主要由后期認為改造(采空、坍塌等)引起,其異常形態與地質體性質有關,原則上閉合低阻異常反映了采空區積水,而向上貫通的條帶狀低阻異常則疑似冒落帶。

圖3、圖4分別為膠運巷和回風巷頂板瞬變電磁探測等效視電阻率等值線斷面圖,橫坐標為觀測剖面長度,縱坐標為沿探測方向的距離,數值為計算的等效視電阻率值。

圖3 膠運巷等效電阻率斷面圖及采空積水區推斷Fig.3 Section of belt transportation roadway equivalent resistance and prediction of goaf water

回風巷與膠運巷等效電阻率斷面圖反映了分別從南北兩側對431303工作面頂板以上含水性進行的探測結果,二者具有較好的一致性,由于2條剖面間隔200 m,剖面結果中反映的同一位置低阻異常表征了采空積水的橫向連續性,便于后續對積水量進行判斷。

從膠運巷內30°、60°、90°這3個探測方向的等視電阻率斷面圖分析,距頂板25 m處橫向上可見4處電阻率小于25 Ω·m的低阻圈閉異常,除B-2異常呈低阻條帶向上延伸,符合冒落帶特征外,其余異常均為閉合低阻,其異常幅值小于25 Ω·m,其周邊地層形態符合低洼特征,推測為采空區殘留積水所致?；仫L巷探測結果中均為低阻閉合異常,相對而言異常的橫向規模更大,分析與南側工作面回采已完成、煤層坍塌有關,也表明地層傾向變化易于積水殘留,預測水量大于北側。

圖5為431303工作面頂板以上25 m處電阻率平面圖,結合已知水文地質資料推斷圖中3處低阻異常為采空積水所致,合計積水總面積90 063 m2。為提高探測結果精度,在431303工作面地表投影處施測地面瞬變電磁剖面一條,同樣證實在深度約為113 m處存在2處閉合低阻異常,對應了JS-1與JS-2這2處推斷采空積水區,與井下瞬變電磁探測結果吻合。

圖5 工作面頂板上25 m視電阻率等值線平面圖及推測采空積水區Fig.5 Plane of apparent resistance isoline at 25 m above working face roof and prediction of goaf water

礦方本著“有疑必探”的原則對4-2煤層采空區殘留積水實施打鉆放水作業,34個疏放鉆孔中12個位于推測的3處采空積水區。其中8個孔出水,出水量1.6～6.0 m3/h,最大涌水量為6.1 m3/h。井下瞬變電磁探測成果對準確部署疏放水孔、保證回采工作的順利開展起到了關鍵作用。

5 結論

(1)采用井下瞬變電磁法在431303工作面膠運巷及回風巷分別布設剖面,觀測30°、60°以及90°3個探測方向的數據。實踐表明,井下瞬變電磁法裝置形式靈活,可實現多角度頂板富水性探測,在巷道內貼近探測目標工作,可實現高密度、小點距采集,顯著提高了探測的分辨率。

(2)通過全空間模型反演,克服了接收回線平面上下(或兩側)地層對異常定位的影響,獲得了工作面頂板100 m范圍內的可靠電性結構,結合已知的水文地質資料推斷了3處低洼采空積水區,后經鉆孔驗證均存在積水,單孔涌水量為1.6～6 m3/h,證實了井下瞬變電磁法探測工作面頂板富水特征的準確性和有效性。

(3)受井下工作條件限制,在探測過程中需要盡量避免礦井設備等人為設施的影響,同時在巷道內金屬管線干擾抑制和消除、感應電磁場全空間擴散規律研究等方面仍需加強研究。