基于综合物探方法的煤矿老空水分布范围精细探测
时间：2022-02-24 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 科技与工程 ★
基于综合物探方法的煤矿老空水分布范围精细探测
小煤窑的不规范开采形成大量资料不详的采空区，这些采空区积水易形成威胁煤矿深部安全开采的老空水，一般分布于矿区浅部，具有数量多、发育不规则且位置不清的特点。然而老空水在煤矿正常回采过程中往往具有突发性强、瞬时水量大以及腐蚀性等特点[1]，因此，在煤矿安全回采前必须进行采空积水区的准确探测。
针对小煤窑采空区积水范围的精确探测，由于地面钻探成本高且必须有靶区，故而实际工程上一般先采用地球物理方法进行探测，然后在物探圈定的异常范围布置钻孔进行钻探验证，这样可精确查明采空区的分布范围及其富水性。地面综合物探中的瞬变电磁法[2]具有成本相对较低、低阻敏感性强、探测精度相对较高、野外施工较为快速等优点，是目前探测煤矿采空区及其富水性的常规地球物理方法[3-4]；高密度电法也是对低阻体超敏感的地面物探方法，其纵向分辨率高，与瞬变电磁的横向分辨率高相结合，可有效探测采空区的精确范围及其富水程度，为煤矿深部回采提供可靠的地质资料。
1 理论基础
1.1 瞬变电磁法探测原理
在小煤窑采空区积水范围探测时，常采用时间域瞬变电磁法。场源一般选择脉冲电流信号，工作过程主要分发射、电磁场衰减和磁场强度接收3个部分[5]，探测装置由发射(不接地或接地)和接收回线两部分构成，用场源激励良导电体，在地下一定深度范围内的地层中感应产生二次场，接收线圈接收二次场并进行数据处理，得到探测深度随时间的衰减规律，最后根据不同的煤岩特性及采空区富水性的典型特征差异，分析得到探测结果。
由电磁感应原理可知当稳定电流在发射回线中被断开后，一定会在其介质周围垂直向下产生一次磁场，该一次磁场在向地下扩散时，若碰到的介质性质是良导电体，那么将会在介质中激励出二次涡流场。根据地下不同深度煤岩层介质中二次涡流场的热损耗的关系，感应产生的二次磁场随时间大致按指数规律衰减变化。通过接收回线接收到的二次磁场基本是来自地下介质中的感应电流[6]，其随时间变化率由介质的电导率、形状和尺寸3种因素决定，这也是采空区富水性探测的关键。
1.2 高密度电法探测原理
高密度电法是根据各种介质的电性不同，通过2个接地电极向地下输入恒定电流，然后通过另一对接地电极观测电场或电磁场的时间、空间特性及分布规律，探测地质构造及其富水性的地球物理探测方法[7]，探测过程中能达到自动跑极、连续探测、数据量大和信息丰富的效果。
电测深法是观测单个测点的电阻率随垂直方向不同深度改变情况的一种直流电法，此方法适用于水平成层的地电断面情况。该方法将稳定电场(直流或脉动)供入地下，并在同一测点上依次增加供电电极与测量电极的极距进行多次采集，随着电极距的逐渐增大，使得电流逐渐加深加广，进而使得探测深度逐渐增大，最后分析不同深度的电性差异而解决同一测点与深度有关的各类地质问题，进而定量的解释目的层的埋深及其厚度。
2 地质概况与地球物理特征
2.1 地质概况
研究区井田位于阳城县城北东约17 km的北留镇沟底村一带，地表有大面积基岩出露，局部为第四系地层。地层构造总体为倾角约1°～4°的北东倾向、北西走向的单斜构造，伴随发育有宽缓的褶曲，褶曲构造对采区的划分和工作面的连续推进无影响，未发现断层、陷落柱存在，未见岩浆岩侵入。
2.2 地球物理特征
井田内可采煤层为3号、9号、15号煤层，各煤层特征如下所述。
(1)3号煤层。位于山西组下部，该煤层厚5.43(440孔)～7.20 m，厚度平均为6.24 m，煤层厚度变化不大。其煤层结构简单～复杂，含0～4层矸石。该煤层全区稳定可采，无风化剥蚀现象。该煤层顶板以泥岩、粉砂岩、细粒砂岩为主，局部发育薄层炭质泥岩伪顶；底板岩性为泥岩、砂质泥岩或粉砂岩。本矿目前开采该煤层，为全区稳定可采煤层。
(2)9号煤层。位于太原组三段下部，该煤层厚1.30～1.65 m，厚度平均为1.58 m，煤层厚度变化不大。含夹矸0～3层，煤层结构简单～较简单，全区稳定可采。煤层顶板为泥岩、粉砂岩；底板为泥岩、粉砂岩或石灰岩。该煤层为稳定的全区可采煤层。
(3)15号煤层。位于太原组一段上部，K2灰岩之下，该煤层厚1.90(474孔)～2.70 m，平均厚2.21 m，煤层厚度变化不大。煤层结构简单～较简单，含0～2层矸石，全区稳定可采。煤层直接顶板为黑灰色厚层状坚硬石灰岩；底板为泥岩、砂质泥岩。该煤层为稳定的全区可采煤层。
本次物探工作参考了B2-1号与462号钻孔地质资料，钻孔资料简述如表1所示。
表1 钻孔资料简述表
钻孔终孔层位终孔深度/m验收等级(钻探/测井)综合评级施工单位B2-1C3t153.71乙/甲乙晋城市煤田地质勘探队462O2f563.67甲/乙乙山西煤化局一队
结合已有钻孔、测井以及本次勘探的试验数据等资料，得到地层电性特征如表2所示。
表2 地层电性特征表
系统组视电阻率/(Ω·m)第四系中、上更新统<70二叠系上统下统上石盒子组下石盒子组山西组40～110石炭系上统太原组中统本溪组50～150奥陶系中统峰峰组120～300
完整地层的电阻率分布范围基本上是一定的，各层之间的电阻率差异也很明显，针对存在采空区的地层，视电阻率势必会因富水程度不同有较大的变化。一般来讲，如果完整地层中存在采空区且采空区不积水时，电阻率值会明显升高，而采空区完全充水时，电阻率值会明显降低，随着采空区含水程度的不同，电阻率值降低的幅度也不同。据此，通过探测地下岩层的电阻率及其变化，可以判定岩层的结构状态和含水状况，为采空区的探测提供地球物理前提。
3 瞬变电磁法探测效果分析
3.1 数据采集
3.1.1 测网布置
本次勘探区域分为3个区域，其中Ⅰ号勘探区面积为0.24 km2，Ⅱ号勘探区面积为0.41 km2，Ⅲ号勘探区面积为1.14 km2，总面积为1.8 km2。其中Ⅰ号勘探区由17个拐点坐标圈定，Ⅱ号勘探区由20个拐点坐标圈定，Ⅲ号勘探区由13个拐点坐标圈定。
根据调查测区精度要求及野外实际作业情况，地面瞬变电磁法网度采用40 m×20 m，直流电法测深根据瞬变电磁法探测结果划定的3号煤层采空积水区选定36个异常位置和1个无异常位置进行测量。测线布置见图1。
图1 勘探区测线布置
3.1.2 现场试验
瞬变电磁法现场分点试验和段试验两部分。点试验主要目的是为了选取适合本区的施工参数，段试验主要目的是验证点试验选取参数的有效性。试验地点周围地势均较平坦无干扰源，且交通方便，便于试验顺利进行。根据本次点试验和段试验的数据分析，可以得出适用于该项目的具体施工参数，如表3所示。
表3 瞬变电磁试验最终确定参数
勘探区发射线框发射电流/A工作频率/Hz采样时间/min增益Ⅰ号200 m×200 m10252×4Ⅱ、Ⅲ号400 m×400 m10252×4
3.2 数据处理及成果分析
3.2.1 异常阈值设置
根据上述试验结果的视电阻率进行分析得出，在3号煤层非采空积水区，视电阻率值相对较高，且分布均匀，而采空积水区视电阻率值相对较低(≤40 Ω·m)，形成低阻异常区，因此把采空积水区的电阻率阈值设置为“≤40 Ω·m”。
因勘探区煤层埋深变化较大，Ⅰ号勘探区3号煤层埋深为50～180 m，Ⅱ、Ⅲ号勘探区埋深为120～480 m。故在3号煤层深埋区域，低阻异常范围有所扩大。
3.2.2 成果分析与解释
(1)拟视电阻率断面图。L6测线拟视电阻率断面图见图2。图中黑色粗线为3号煤层底板，封闭的红色线条区域即为低阻异常区。该测线煤层埋深较浅，地表视电阻率偏低，其中二叠系中上部区域部分视电阻率较低，推测为各岩层裂隙水所致；在山西组底部、3号煤层附近，局部存在1处明显低阻反映，推测为老空区积水引起，具体分析为测线490～560 m范围，根据地质资料，该区域位于原小煤窑大巷，周边存在大面积采空区，推测为老空区积水所致。
图2 L6测线拟视电阻率断面图
(2)顺煤层拟视电阻率切片图。在切片图上具有一定的宏观对比性，相对于断面图，更较易突出异常分布情况。顺3号煤层拟视电阻率切片图见图3，共划定34处低阻异常区，标号为3-YC1～3-YC34。根据矿方资料显示，上述34处低阻异常区均位于3号煤层采空区范围或老巷集中区(老巷附近全部为采空区)，因此判定为采空区积水所致。
(3)地质成果。结合矿方提供的地质资料分析解释得到的3号煤层勘探区采空积水区解释成果图见图4。共有34处采空积水区，编号3-JS1～3-JS34。
图3 3号煤层勘探区视电阻率切片图
图4 采空积水区解释成果图
4 高密度电法成果分析
根据图4采空积水区探测结果进行了高密度电法测深探测工作。L31-180探测点电测深视电阻率曲线如图5所示。图中直流电法测深探测点位于L31测线里程180 m位置，此处3号煤层埋深152 m，根据瞬变解释结果，该点位于3号煤层采空积水区3-JS11圈定范围内，视电阻率值在曲线前部较低，在40 Ω·m左右变化，显示为第四系地层；进入二叠系上部后开始缓慢上升，在二叠系中部上升速度加快；在到达二叠系下部后开始快速下降，在3号煤层附近下降至45 Ω·m左右，与上下地层相比明显较低，反映低电阻率特征，因此判定采空积水区3-JS11富水性强；进入石炭系后，视电阻率加速升高，总体符合该区域地层电性特征。
图5 L31-180探测点视电阻率曲线
5 结论
(1)本次探测基本查明了勘探范围内3号煤层低阻异常区34处，经结合收集的矿井有关图纸和井下近年的探放水资料对比分析，解释采空积水区合计34处，总面积138540 m2。
(2)直流电法和瞬变电磁法的综合物探方法对含水体探测灵敏，具有较高的准确率。理论与实践证明，当存在采空区时，对应地层的视电阻率值异常，即存在相对较高值或相对较低值，当地层明显电阻率较低时，一定程度上说明地层含水量丰富。
(3)因地下水系统是动态的，影响地下水富存、积聚状态的因素很多，本次物探成果只能反映在施工的一个时间段内的矿井地层赋存水的情况，有一定时效性。
[1] 李娟娟，潘冬明，胡明顺，等.煤矿采空区探测的几种工程物探方法的应用[J].工程地球物理学报，2009，12(6)：728-732.
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Precise detection of goaf water distribution based on comprehensive geophysical method
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Jiang Weina .Precise detection of goaf water distribution based on comprehensive geophysical method[J]. China Coal, 2020, 46(11):101-106. doi：10.19880/j.cnki.ccm.2020.11.016.
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