综合物探方法在隐伏导水地质构造探测中的应用
时间：2022-02-10 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 智慧矿山 ★
综合物探方法在隐伏导水地质构造探测中的应用
近年来随着煤矿开采深度增加，煤矿矿井地质灾害也越来越复杂,在煤炭开采过程中,断层、陷落柱、含水层(体)、岩浆岩、采空区、煤层结构变化等是不可忽视的灾害性地质异常体,它们破坏了煤层的连续性,严重降低井下实际工作效率,甚至引发透水、瓦斯突出等事故,给煤矿的安全生产带来极为严重的威胁。
现在矿井物探方法中对于工作面隐伏构造探测效果较好的方法主要有无线电波透视仪及槽波，高瓦斯矿井下槽波工作方法较为复杂，一般选择无线电波透视仪。矿井水害的探测主要依靠矿井瞬变电磁法及电法，基于瞬变电磁法装置小、方向性强等诸多优点，因此井下较多选择矿井瞬变电磁法。
现在煤矿井下实际探测中，并没有一种方法可以同时有效探测地质构造及其富水情况，单一物探方法存在本身的局限性，在防治煤矿地质灾害与地质风险过程中往往不能取得满意的探测效果, 利用多种物探方法综合探测煤矿多层采空区，既能发挥各个方法的优点，又可相互印证，而且可以互相补充单一物探方法的技术局限，因此采用综合物探方法对隐伏导水构造进行探测。
1 基本原理
无线电透视电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性(电导率σ、介电常数ε，磁导率μ)的不同，它们对电磁波能量吸收不同，低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用，当波前进方向遇到断裂构造的界面时，电磁波将在界面上产生反射和折射作用，造成能量的损耗。因此，在矿井地质条件下，如果发射源发射的电磁波在穿过煤层途中遇到断层、陷落柱、含水裂隙、煤层变薄区或其他构造时，波能量被吸收或完全屏蔽，则在巷道接收机收到微弱信号或收不到透射信号，形成透视异常区，即为所要探测异常体的位置和范围。
矿井瞬变电磁法是利用不接地回线于井下巷道，线圈往周围岩层发送一次脉冲磁场，在周围地层空间产生一次场，在巷道周围地层中产生感应电流又将激励产生随时间变化的感应二次场，该二次场的大小及衰减速度与周围地质体的电性特征有关。如果围岩地层为富水性岩层则二次场衰减较慢，反之则二次场衰减较快。通过对接收到的信号的处理、分析及解释，从而了解巷道周围地层中的水文地质信息，如图1所示。
由于矿井瞬变电磁法的发射和接受均在巷道中进行，受制于巷道空间，线圈采用多匝小回线装置。瞬变电磁场响应来自全空间地层的综合信息，记录不同瞬变延时的感应电动势。瞬变电磁场在围岩介质中的传播是一个能量不断衰减的过程，由“烟圈”理论可知，瞬变电磁场的早期信号反映的是近距离周围介质的电性特征，而晚期信号则反映的是深部地层介质的电性特征。
图1 矿井瞬变电磁法探测示意图
2 采煤工作面隐伏地质构造数值模拟
2.1 基本公式
无线电波透视法只测固定频率的透射电磁波的磁场(或电场)振幅分量。在电磁波射线路径上，介质电磁性质的变化和波阻抗的变化会造成电磁场强度的变化；分析电磁场强度的变化，就可以预测区介质的物性变化。
煤层中传播的电磁波在介质中任意点的场强表达式可表示为：
(1)
式中：Hp——接收点的场强值，A/m；
H0——发射点的场强值，A/m；
r——发射点到接收点的直线距离，m；
β——煤层对电磁波的吸收系数；
f(θ)——方向因子。
其中煤层对电磁波的吸收系数为：
(2)
对式(1)取对数，即：
则有：
(5)
在一定的频率时，β值是煤层或者岩层的介电常数ε、磁导率μ和电导率σ的函数。由于煤层相当于顶底板岩层，是一种波导介质，当介质发生变化时，其波阻抗会发生变化，从而导致β和H的变化，因此可以根据煤层对电磁波吸收系数和磁场的变化值的大小、曲线形态，结合地质条件来分析、判断异常体的性质，进行综合解释。
2.2 数值模拟
建立工作面模型，如图2所示，工作面巷道长500 m、宽180 m，以底部巷道中点为原点O(0，0)，工作面中间存在一处长40 m、宽40 m的导水构造，设置发射点的初始场强
dB，煤层电阻率为5000 Ω·m，假定地质构造的电阻率为30000 Ω·m，地质构造含水情况下电阻率设定为50 Ω·m，电磁波由发射点位置发射，穿过地质构造到达另一条巷道过程中，得到异常体的电磁波变化曲线，如图3和图4所示。
图2 工作面地质构造模型
图3 各种异常情况的接收场强值变化
图4 穿透导水构造电磁波接收值变化
综合图3、图4可以得出结论：在均匀介质电磁波传播过程中，煤层对电磁波的衰减系数为恒定值，电磁波按照指数均匀衰减，衰减平缓。在穿透地质构造过程中，如果地质构造为高阻体，电磁波在透过异常区过程中，异常区对电磁波产生了折射、反射和吸收，衰减曲线幅度增大，透过异常区后，电磁波重新按照指数衰减模式进行均匀衰减，接收巷道接收到的场强值相对于均匀介质中大幅减小。当地质构造为低阻体时，异常区对电磁波的反射更强，电磁波透过时较高阻异常体衰减幅度更大，接收巷道接收到的场强值更低。同时做对比试验发现：当导水构造电阻率越来越小时，场强值呈急速衰减，接收巷道会接收不到有效的场强值。
无线电波透视法穿透高阻异常体时，异常体的电阻率及介电常数都要比煤层高，电磁波主要被折射及反射，电磁波衰减较小，因此无线电波透视法针对高阻异常区有较好的识别性，可以根据煤层对电磁波吸收系数及场强变化来判断异常区的位置及范围，若穿过导水构造，低阻构造的电阻率比煤层低，但介电常数相对煤层要高。低阻构造对电磁波具有更强反射能力，导致接收场强值非常小，对异常构造的定位也要优于高阻体，但当低阻介质较大且电阻率很低时，有可能造成接收点接收到的电磁波场强为零，电磁波衰减殆尽。
因此无线电波透视法可以界定异常体的位置，但是无法划分隐伏地质构造的富水性。矿井瞬变电磁法对工作面地质构造的富水性有很好的探测效果，受制于井下空间的限制及物探方法的局限性，单一物探方法无法解决具体的实际问题，因此在工作面隐伏含水构造勘查中采用瞬变电磁法和无线电波透视法综合探测方法来界定异常区范围及其富水性。
3 采煤工作面采空区探测试验
山西煤炭进出口集团左权宏远煤业有限公司受工作面隐伏地质构造的影响，煤矿安全生产进度缓慢，为进一步探明工作面内隐伏地质构造及其富水性，对工作面开展瞬变电磁法和无线电波透视法探测试验工作。
3.1 地质概况
宏远煤业150105回采工作面工作面长度800 m、宽度120 m，煤层结构复杂。根据巷道实际揭露及邻近工程揭露，工作面共揭露11条断层，发育4个陷落柱。工作面水文地质条件复杂，顶板含水层水和奥灰岩溶水是主要水患，构造导水、采空滞水次之。根据掘进期间涌水情况分析，工作面在回采过程中预计会有淋滴水现象。在探测工作前设置无线电波透视发射频率为0.5 MHz，接收机频率为0.5MHz,每隔50 m设置一个发射点，巷道揭露的断层附近发射点距设计为20～30 m,每隔10 m设置一个接收点，瞬变电磁法发射点间距设置为10 m，设置3个探测方向，顺煤层方向、沿着煤层方向向上偏30°、沿着煤层方向向下偏30°。
图5 工作面无线电波透视成果图
图6 工作面瞬变电磁探测成果图
3.2 构造异常区综合物探成果分析
通过对数据层析成像技术反演，经过计算机数据处理，结合地质资料和相对衰减强弱规律划分异常范围，工作面共圈出3处衰减较大的异常区，其中，A1号异常区位于工作面运输巷15～50 m范围内，该异常区相对于周围煤层为相对较强衰减区。结合地质资料及现场情况，推测工作面内陷落柱是造成异常的主要因素。A2号异常区位于工作面运输巷70～110 m范围内，为相对强衰减区，结合地质资料分析，推测工作面内隐伏断层是造成异常的主要因素。A3号异常区位于工作面运输巷230～250 m范围内，该异常区场强衰减范围为相对强衰减区。推测工作面内的隐伏陷落柱揭露的断层向工作面内延伸是造成异常的主要因素，异常区范围有一定延展性，不排除陷落柱附近发育小断层的可能。通过矿井瞬变电磁法探测工作面煤层富水性，刨除地质及巷道金属体对电磁场的干扰。工作面共圈出2处电阻率较低的异常区，B1低阻异常区位于工作面运输巷100～150 m、深度35～60 m处，总体视电阻率较煤层偏低。B2低阻异常位于工作面运输巷200～250 m、深度35～55 m处。结合无线电波透视法及矿井瞬变电磁技术成果分析，A3异常区和B2异常区存在重合之处，说明A3区域处为富水陷落柱，A2异常区和B1异常区位置离得很近，随着工作面回采，煤层如果发生挤压破裂，B1异常区域内的水将沿着导水带进入A2异常区域，形成新的富水异常区。最终经过矿方地质钻孔勘察，得出的勘探结果与综合物探结果推断一致。
4 结论
(1)对无线电透视波穿透地质构造曲线进行分段模拟分析，隐伏地质构造的电阻率ρ和介质对无线电透视波衰减系数β呈负相关。在均匀介质电磁波传播过程中，煤层对电磁波的衰减系数为恒定值，电磁波按照指数均匀平缓衰减。在穿透地质构造过程后，接收巷道接受到的场强值相对于均匀介质中大幅减小，若地质构造含水，异常区的电阻率相对于煤层偏低，异常区对电磁波的反射及折射更强，相对于透过高阻地质构造时衰减幅度更大，接收巷道接收到的场强值更低，接收巷道有可能接收不到有效的场强值。
(2)矿井瞬变电磁法对低阻体具有更高的探测和分辨能力，当隐伏地质构造含水且呈现低阻时，回采工作面的采动变化会导致工作面内部形成新的导水裂隙带，单纯地依赖矿井瞬变电磁法只能判断水源，而无法判断地质构造的破坏程度，因此结合无线电波透视技术对地质构造的探测，可以动态分析矿井地质构造的危险程度，服务于煤矿的安全回采。
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