基于瞬变电磁法的采空区含水体分布探测

康　健,　傅知勇,　王洪波,　王伟明

(黑龙江科技大学 资源与环境工程学院, 哈尔滨 150022)



基于瞬变电磁法的采空区含水体分布探测

康健,傅知勇,王洪波,王伟明

(黑龙江科技大学 资源与环境工程学院, 哈尔滨 150022)

为探明采空区含水体层次结构、展布范围以及富水状况,以黑龙江省鸡东县某矿为例,根据不同赋存状态下岩层、煤层、采空区及其含水层电阻率的差异,采用PROTEM瞬变电磁仪进行地面探测,分析采空区含水体的二次场变化情况,捕捉低阻异常体,进而反演成像。结果表明:测区内局部地段塌陷裂隙、断层发育明显;1、3号异常区为采空区含水体,2号异常区为断层裂隙含水体。瞬变电磁法探测结果与现场钻探结果一致。该方法为煤矿防治水工作、煤矿水害事故应急救援及煤炭资源整合提供了可靠的技术支持。

瞬变电磁法; 采空区; 含水体; 物探

矿井水害被称之为煤矿“五大灾害”之一。矿井采空区含水体具有层次结构比较复杂、展布范围广、富水性不均等特点,若不能清楚地掌握采空区含水体的分布规律,则矿井的安全生产将时刻受到水害的威胁。为科学有效地对矿井突水等动力性灾害进行预警与防控,利用高精度的探测仪器对采空区含水体进行探测十分必要[1-9]。

瞬变电磁法是一种地球物理勘探方法,属时间域电磁测深法,又称“纯异常场法”,该方法通过阶跃波形电磁脉冲激发,利用不接地回线向地下发射一次场,在一次场的间歇期间,计算由地下介质产生的感应二次场随时间变化情况,以达到寻找各种地质目标体的目的。该方法对低阻反映灵敏,对水敏感,其优点:一是观测和研究的是二次场即纯异常场,不存在一次场的干扰,更简化,探测效果更明显,原始数据的保真度更高;二是有穿透高阻覆盖层的能力;三是采用同点组合(中心回线、重叠回线)进行观测,可以与探测目标达到最佳耦合,取得的异常响应强,形态简单,对高阻围岩中的低阻反映敏感[10-13]。为探明采空区含水体分布情况,应用该方法对鸡东某矿进行地面探测。

1　瞬变电磁法工作原理与工作方法

瞬变电磁法是利用发射回线向地下发射不同频率的电磁脉冲,该脉冲沿产生变化的一次场下降并向周围空间扩散,该一次场进入地下导电介质时便产生随时间变化的二次场,通过二次场的观测和反演解释便可以获得地下介质的电阻率值、电性分层、厚度变化、电性体埋深和产状以及地下电性结构等有关信息。这一过程在高阻岩层中瞬间建立和消失很快,而在良导地层中变得缓慢。研究瞬变电磁场随时间的变化规律,可探测具有不同导电性的地层分布及其附存的较大的良导体。

瞬变电磁法工作装置包括同点测量装置和大定源测量装置。此次探测采用大定源测量装置,采集观测框中心一定范围内数据,并对数据进行分析处理,通过地下不同介质中电阻率值的差异进行解译。

2　工程实例

2.1工程概况

黑龙江省鸡西市鸡东县某矿,矿井设计生产能力60万t/a,现开采煤层为23#煤层,该矿采用双斜井开拓,中央并列抽出式通风,主斜井进风,副斜井回风。采煤方法为走向长壁后退式采煤法。该矿煤层为无夹矸的单一煤层,煤层一般呈东西走向展布,勘探区地形为平地,井口高程为+221.9 m,现开采标高为+66 m。

2.2工程设计及数据处理

2.2.1工程布置

测线垂直煤层走向布置,线距40 m,点距20 m。测线由西向东编号为2000E～3360E,点号按距离进行编号。勘探区内共设计16个线框,其中,580 m×320 m线框15个,420 m×320 m线框1个。测线35条,总长32 840 m,瞬变电磁坐标点1 677个。瞬变电磁勘探工程布置如图1所示,其中,实心框表示瞬变电磁勘探区域。

图1　勘探工程布置

此次探测采用PROTEM57-MK2瞬变电磁仪,该仪器探测精度高,盲区小,抗干扰能力强。根据磁矩计算结果,采用大定源测量装置。测量仪器为南方测绘仪器公司灵锐S86GPS全球卫星定位系统。

2.2.2数据处理流程

采用BETEM软件对采集数据进行处理,数据处理流程如图2所示。

图2　瞬变电磁数据处理流程

首先,将Geonics Gx7格式的数据转换成RED格式;然后,打开一个测区所有测线的DBR和BZR,计算所有测线的全程视电阻率,若发现因受各种噪音影响而发生畸变的数据,要进行畸变消除,再根据修改后的dBz/dT计算Bz,对所有测线进行反演成像处理;最后,拟制二维剖面图和三维剖面图。

2.3结果分析

2.3.1电阻率二维图像

图3为不同测线视电阻率剖面图。测区内局部地段在地表发育明显的塌陷裂隙,在视电阻率断面图上也出现明显的低阻凹陷带,且在视电阻率切片图(图4)上,表现为明显的相对低阻闭圈。结合地质资料推断该地段为煤层采空范围,或者为大部分采空。

图3　不同测线视电阻率剖面

在不考虑局部异常的情况下,等值线出现明显扭曲,表现为中间阻值低两侧阻值高,呈“凹”字形。受断层影响附近次级构造、裂隙较为发育,附近地层电阻值较低。断层有明显的瞬变电磁低阻异常反映,断层附近低阻异常较为发育,在视电阻率剖面图(图4)上表现为漏斗状低阻异常,断层破碎带有沟通含水层的可能,会造成矿井淹井事故,必须引起高度重视。

图4　水平视电阻率切片

2.3.2电阻率三维图像

由视电阻率不同高程水平切片图(图4)可见,勘探区内共有三个低阻异常区,分别位于勘探区的西北角、东北角和南部,异常区标高分别在+70 ～-70 m、+70 ～-100 m、+70 ～-10 m,其空间分布见图5。

图5　异常区空间分布模型

结合现场工程实际和电阻率图像分析,1号和3号异常区为采空区含水体,2号异常区为断层裂隙含水体,具体描述如下:

(1)1号异常区

1号异常区位于勘探区的西北角,标高在+70 m至-70 m。自+70 m标高异常区开始显现,向深部区域逐渐扩大,直到-10 m标高时,异常区分布在2000E～2200E测线与点2020N～2100N合围的区域;由2000E的2020N点测线向东异常区面积逐渐变大,至2160E时扩大至2060N～2100N之间,直至2200E测线,扩大到2020N～2100N之间的范围;自-10 m标高向深部,该异常区面积呈现减小的趋势;至-70 m标高时,该异常区缩小到2000E～2040E与点2060N～2100N围成的区域。

(2)2号异常区

2号异常区位于勘探区的东北角位置,标高在+70 m至-100 m。自+70 m标高由测线3320E～3360E、点1980N～2040N合围的区域向深部,异常区范围逐渐扩大;至-10 m标高时,异常区由+70 m的范围扩大到3280E～3360E测线与点1960N～2060N围成的区域;从-10 m标高向下,异常区面积呈现出逐渐减小的趋势;至-100 m标高时,异常区域缩小至3320E测线至东部勘探边界、点2020N附近的区域。

(3)3号异常区

3号异常区位于勘探区南部,标高在+70 m至-10 m之间。自+70 m标高处开始显现,向深部区域逐渐增大;+70 m标高时异常区分布在2560E～2760E测线与点1180N至南部勘探边界所围成的区域,在该区域内自2560测线向东,区域面积逐渐变大;至+30 m标高时达到最大,西至2520E测线,东至探测边界(2720E测线),北至1180N点,南至探测边界;至-10 m标高时,该区域缩小为三处零星分布的异常区,主要在2560E～2720E测线之间、点1160至南部探测边界区域。

2.4现场验证

结合现场工程技术人员所掌握实际采掘工程图(图6)进行比对验证,1号异常区与该矿已知采空区积水情况完全吻合,2号异常区与该矿已知断层裂隙含水区完全吻合,3号异常区由于是历史上小煤矿开采而造成的,原始地质资料缺失无法考证。瞬变电磁法的探测结果与钻探结果一致,验证了该方法的有效性。

图6　采掘工程

3　结束语

以黑龙江省鸡东县某矿为例,根据煤岩体在磁性上存在的规律性及地下不同介质中电阻率的差异,采用瞬变电磁法探测采空区含水体层次结构、展布范围。结果显示,该矿局部地段存在采空区含水体和断层裂隙含水体,其区域范围与场钻探结果一致。瞬变电磁法勘测可准确确定地下采空区及积水区分布状态,为煤矿防治水工作和煤矿水害事故应急救援等提供了技术保障。

[1]孔德山, 程久龙, 朱若军, 等. 利用矿井瞬变电磁法探测工作面顶板岩层含水性的研究[J]. 矿业安全与环保, 2010, 37(3): 31-33.

[2]刘益永, 董哲. 应用电法确定煤矿采空区积水[J]. 吉林地质, 2012, 31(1): 93-97.

[3]梁爽. 瞬变电磁法在煤矿水害防治中的应用[J]. 煤田地质与勘探, 2012, 40(3): 70-73.

[4]于景邨, 刘志新, 汤金云, 等. 用瞬变电磁法探查综放工作面顶板水体的研究[J]. 中国矿业大学学报, 2007, 36(4): 542-546.

[5]王粤, 龚育龄. 瞬变电磁法在探测煤矿采空积水区中的应用[J]. 工程地球物理学报, 2012, 9(1): 71-74.

[6]隋旺华, 董青红, 狄乾生, 等. 工程地质模型在防水煤岩柱研究中的应用[J]. 中国矿业大学学报, 1999, 28(5): 6-9.

[7]孙希奎, 徐新启, 马光军. 基岩与第四系底界黏土共同作为防水煤柱提高开采上限的研究与实践[J]. 山东煤炭科技, 2003(1): 48-49.

[8]江平晋. 论煤矿采空区积水的综合利用[J]. 科技情报开发与经济, 2005, 15(2): 282-283.

[9]刘天泉. “三下一上”采煤技术的现状及展望[J]. 煤炭科学技术, 1995, 23(1): 5-7.

[10]张勇. 空洞探测技术在新疆煤田灭火安全施工中的应用[J]. 中国西部科技, 2010, 9(17): 14-16.

[11]安庆. 浅谈矿井水的防治与合理利用[J]. 西部探矿工程, 2003, 15(4): 85-86.

[12]郑鹏. 基于相对隶属度的采空区安全评价方法研究[D]. 长沙： 中南大学, 2009: 16-19.

[13]刘耀红. 物探技术在煤矿水害防治中的综合应用[J]. 科技信息, 2012(3): 97.

(编辑荀海鑫)

Detection of goaf water-contained distribution based on transient electromagnetic method

KANGJian,FUZhiyong,WANGHongbo,WANGWeiming

(School of Resources & Environmental Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

Aimed at identifying goaf water-contained hierarchical structure, distribution range and water-bearing situation, this paper draws on the difference of rock, coal, goaf and aquifer resistivity in different occurrence, as is evident in a mine of Jidong Country in Heilongjiang Province and introduces the efforts to achieve ground detection using transient electromagnetic instrument, analyze the change of goaf water-contained secondary filed, catch low resistance abnormal body and thus inverse imaging . The results reveal the occurrence of well-developed fissures and faults in local detection zone, the presence of water-contained goaf in No.1 and No.3 anomalies, and the presence of water-contained fissure and in No.2 anomaly area. The transient electromagnetic method detection produces results consistent with those from field drilling and promises a reliable technology in mine water control, mine flooding accident emergency rescue and coal resources integration.

transient electromagnetic method; goaf; water-contained; geophysical prospecting

2012-12-10

黑龙江省普通高等学校青年学术骨干支持计划项目(1154G17)

康健(1973-)，男，蒙古族，内蒙古自治区赤峰人，副教授，博士，研究方向：矿井水害防治，E-mail:kangjian94@126.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.03.011

TD322

1671-0118(2013)03-0263-05

A