采空区覆岩破坏高度的电磁成像探测

马泽东



采空区覆岩破坏高度的电磁成像探测

马泽东

摘要地球物理方法是探测煤矿采空区的主要手段之一，采用电磁成像技术对某矿408盘区12#煤层采空区上覆岩层移动与破坏范围进行探测，结果表明开采12#煤层引起的顶板上覆岩破坏带范围是70 m～80 m，探测结果可供该区域上行开采8#煤层提供指导。

关键词电磁成像系统；上行开采；采空区

0　引言

目的岩层与其围岩介质物理性质的差异性是采用矿山地球物理探测与分析的主要条件［1-2］。物探方法是通过分析获得的物理参数的异常进而查清地质界限、地质构造或者是测定地质体或地下人工埋设物的物理性质或工程特性。物探方法能够真实地反映采空区上覆岩层移动与破坏范围，并且十分的方便、经济［3-4］。本文采用EH-4电磁成像系统对某矿12#煤层408盘区采空区上覆岩层移动与破坏范围进行探测，检测结果为该盘区8#煤层的上行开采提供参考依据。

1　EH-4电磁成像系统简介

EH-4电磁成像系统是由美国EMI公司和Geometrics公司在上世纪90年代联合研制的一种天然和人工场源的双源型大地电磁成像系统。它通过接收大地对天然电磁波的反应，来达到电导率或电阻率测深的目的。它具有较高的分辨率，设备仪器轻便，观测方便等特点。

1.1EH-4电磁成像系统方法原理

EH-4电磁成像系统利用采集到的天然电场E、磁场信号H及频率f计算出相应频率所对应的电阻率，来达到测定地下各层介质电阻率的目的，其计算公式为：

在（1）式中：f是频率，ρ是电阻率。因为地下介质不是均匀的，计算的ρ值是视电阻率值，探测度在理论上是趋肤深度，其计算公式为：

根据式（2）可得，趋肤深度δ随着电阻率ρ和频率f变化而变化，介质电阻率越大，工作频率越小，则探测的深度越深。

在野外测量时EH-4多采用剖面法［5］。剖面法就是在与构造走向垂直的剖面上，连续地进行类似单点的测量。

1.2数据采集与处理

在野外测量时可以采集到两个电场分量Ex、Ey和两个磁场分量Hx、Hy，通过对采集的分量进行傅氏变换，得到电磁场频域的实分量和虚分量。然后计算各频带的视电阻率，电场磁场的振幅，相位差及全信息相干度等，并现场进行一维Bostic反演。对于数据质量不可靠的点，可以采取增加叠加次数及其他措施来改善数据质量。在一维反演的基础上，室内资料处理中采用了Robust估计方法处理时间序列资料；用式（1）计算视电阻率即ρ，再利用EH-4系统的二维成像软件进行快速自动成像并结合其它专业绘图软件，最终绘制出剖面的二维电阻率模型。

2　勘探剖面线布置与分析

2.1探测区域概况

某矿408盘区12#煤层采用缓倾斜长壁综采方法全部开采完毕，采用强制放顶和全部垮落法进行顶板和采空区管理。煤层底板标高+1 014 m～+1 060 m，煤层厚度2.6 m～3.3 m，煤层厚度整体变化较小，总体表现为东北厚西南薄，部分煤层有1～3个夹石层，总厚度小于0.5 m。

8#煤层赋存于12#煤层之上，可采厚度为0.7 m～2.53 m，平均0.82 m，北厚南薄，底板标高为+1 105 m～+1 123 m，根据两煤层底板标高，12#与8#煤层层间距平均为77 m。8#煤层目前有123.2万t为待上行开采的储量。

2.2勘探剖面线布置

为研究408盘区采空区上覆岩层移动与破坏范围，在408盘区采空区对应的地面布置测线进行物理探测。依据采空区特征和地面地形情况，一共设置3条测线，如图1所示。

1#测线经过12#层采空区的8804、8805和8806工作面，以及8#层采空区的8805和8806工作面，测线长度是480 m，共25个测点；2#测线经过12#层采空区的8806和8807-1工作面，以及8#层采空区的8806和8807工作面，测线长度是300 m，共16个测点；3#测线经过12#层采空区的8809和8810工作面，测线长度300 m，共布置16个测点。

图1　测线布置

2.3探测结果分析

由1#测线大地电导率二维反演图中红色虚线可以看出（如图2a），水平方向0 m～240 m范围，垂直方向+1 030 m～+1 110 m之间有一高阻闭合圈，该异常区域范围位于12#煤层采空区上方，影响高度为80 m，异常区域下方电阻率等值线平滑，疏密变化不大，没有错动，呈层状分布，电性标志层稳定，与岩层赋存特征相符。依据已知的地质资料推断该异常区域为煤层开采引起的覆岩破坏影响范围。在水平方向250 m～480 m之间，虽8#煤层与12#煤层均存在采空区，但在此区域未见明显高阻异常区域。此部分煤层为从上至下开采，上覆岩层裂隙带较高，因此判断此部分为含水区域。

由2#测线大地电导率二维反演图中红色虚线可以看出（如图2b），水平方向0 m～300 m之间，垂直方向+1 010 m～+1 080 m之间有一高阻闭合圈，该异常区域范围位于12#煤层采空区上方，影响高度为70 m，异常区域下方电阻率等值线平滑，疏密变化不大，无错动，层状分布，电性标志层稳定，与岩层赋存特征相符。依据已知的地质资料推断该异常区域为煤层开采引起的覆岩破坏影响范围。

图2　电阻率二维反演

在12#煤层影响区域与8#煤层采空区之间电阻率等值线平滑，无错动，推断该区域受12#煤层开采影响很小，覆岩为出现明显破坏，12#煤层导水裂隙带未与8#煤层覆岩的破坏区域联通。

由3#测线大地电导率二维反演图中红色虚线可以看出（如图2c），水平方向50 m～300 m范围，垂直方向+1 030 m～+1 100 m之间有一高阻闭合圈，该异常区域范围位于12#煤层上方，影响高度为70 m，依据已知的地质资料推断该异常区域为12#煤层开采引起的覆岩破坏影响范围。

3　结论

根据电磁成像探测结果，12#煤层开采导致上覆岩层破坏带的高度在70 m～80 m之间。该结果为该盘区8#煤层的上行开采提供参考依据。

参考文献

［1］杨建军，吴汉宁，等.煤矿采空区探测效果研究［J］.煤田地质与勘探，2006，34（1）: 67-70.

［2］吴兴宇.浅谈物探方法在煤田采空区探测中的应用［J］.科技传播，2010（6）:19-20.

［3］刘云祯.物探方法新技术［M］.北京:地质出版社，2006.

［4］李晓斌.物探方法在煤矿采空区的应用［J］.中国矿业，2011（S）: 196-200.

［5］柳建新，蒋琳霞，等.电磁成像系统在在高速公路隧道工程勘察中的应用［J］.工程地球物理学报，2008，5（6）:652-656.

Electromagnetic Imaging Detection of Goaf Overlying Rock Damage Height

Ma Zedong
（Inner Mongolia Ordos Mining investment Co.，LTD. of Datong Coal Mine Group）

Abstract：The geophysical method is one of the main means of detecting coal mine goaf，the goaf overlying strata movement and destruction scope of 408 panel 12# coal seam by using electromagnetic imaging technology is detected，the results show that the destruction zone range of roof overlying rock caused by mining 12# coal seam is 70 m～80m，the detection results can provide guidance for upward mining 8# coal seam.

Key words：electromagnetic imaging system；upward mining；goaf

中图分类号TD166

文献标识码B

文章编号1000-4866（2016）03-0030-03

作者简介

马泽东，男，现在内蒙古同煤鄂尔多斯矿业投资有限公司工作。

收稿日期：2016-04-11