直流电极化测深在采空积水量计算中的应用

2016-12-21张有旺

西部探矿工程 2016年12期

关键词：富水积水极化

张有旺

（大同煤矿集团公司五人小组管理部，山西大同037001）

直流电极化测深在采空积水量计算中的应用

张有旺*

（大同煤矿集团公司五人小组管理部，山西大同037001）

随着煤炭技术的不断发展，开采深度越来越深，采空积水区范围的划定成为防治水的重点内容。通过直流电激发极化测深法对圈定区域进行勘测，根据点视极化率测深曲线分析，测点位置超过100m后，曲线表现出高值异常，ηs的最大值约为2%，即强富水性。以此可以判断所圈定区域确实存在积水区。另外，通过测定的积水面积，根据煤层平均厚度和压实系数等参数可以准确计算积水量，为矿区积水安全隐患的排除提供保障，对煤矿安全生产具有一定的指导意义。

直流电；极化；积水；采空区；实践

塔山矿雁崖扩区8302工作面位于三盘区西南部，工作面已圈定。其中8302工作面山4#层上覆侏罗纪14-3#煤层，侏罗纪11-2#煤层，采空区积水现状不清，为了查明14-3#、11-2#层采空区及积水情况，利用直流电极化法在圈定区域进行探测，取得了可靠的地质成果。

1 概述

1.1 矿井概况

本区位于大同煤田中东部，东接口泉山脉，大部分地区呈低山丘陵地貌，海拔高度1100～1850m。地形起伏较大，地表大部分为黄土所覆盖，仅沟谷及山脊地区有岩层出露，给物探勘查工作带来一定的困难。煤田的基盘为上太古界集宁群，其后的各地层依次沉积有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系以及第四系。本次测区目的层（侏罗系下统大同组14-3#煤层）赋存特征如下：14-3#煤层的底板标高为1310m，地势为南高北低，煤层平均厚度为4.1m，煤层倾角为5°，埋深约200m。山4#煤直接顶板砂岩含水地层为山西组地层，其次从下至上为下石盒子组、上石盒子组、永定庄组地层，含K3-K11砂岩。

1.2 水文地质情况

地下水的主要补给来源为大气降水，由于受区内地形高差较大，植被稀少，降水量少且集中等因素影响，造成地下水补给贫乏，砂岩裂隙含水层富水性弱。另外侏罗系大同组14#煤层的开采垮塌造成的淡水裂隙带影响，大部分地表水和浅层地下水沿导水裂隙带入渗至采空区，在采空区低洼处汇集成积水，从而直接影响石炭、二叠系煤层的开采。山西组砂岩裂隙含水层为山4#煤层的直接充水含水层，经勘探和井下开采证实，砂岩含水层的涌水量不会给生产带来大的影响。通过分析矿床水文地质特征及充水因素得知，煤层开采的主要水文地质问题为侏罗系大同组煤层采空积水问题。

2 电法勘探技术方案

2.1 直流电法方法原理

激发极化的直流电测深法在我国应用很早，目前已经发展较为成熟。其工作原理是在同一测点上不断扩大电极距，加大测深，然后观察这一测点不同垂直深度上的视电阻率和极化率的变化情况。

本次采空区积水测定工作采用的是对称四极电测深，即以测点为中心，对称于测点的AB极距按一定倍数向两旁增大，同时AB极距和MN极距之间成一定的比例关系。对同一测点来讲，不同的AB极距对应着不同的ρs值和ηs值，因此以AB极距为横坐标、ρs值和ηs值为纵坐标可以绘制曲线，该曲线就是这一测点垂直深度上的地质变化。导致ρs值变化的主要变量是各电性层的厚度、层数、电阻率的大小以及电极距的长短等因素；导致ηs值变化的主要变量是极化效应的大小，也就是含水情况。

2.2 TD-3数字直流电法仪

本次测量中主要用到的仪器是TD-3数字直流电法仪。根据现场的情况，设定AB/2极距的最大值为300m，这样就可以确保勘探深度能探测到14#煤层以下。根据温纳测深要求，AB/2极距与MN/2极距之间的关系如表1所示。

表1 激发极化法AB/2极距与MN/2极距关系一览表

时间参数的选取为：TIME＝10000ms，V-DE⁃LY＝5000ms，M-DELY＝250ms，M-END＝270ms，M2-END＝5250ms，供电电压在900V左右，供电电流在700mA左右。

3 数据处理结果分析

3.1 直流激电测深分析

根据前期的探测结果，在8302工作面8测线的180桩号点、8测线的900桩号点辅助性的布置了激电测深工作，确定异常区性质和深度。

直流激电测深的主要参数有视电阻率ρs和视极化率ηs，视电阻率ρs测深曲线横、纵坐标均采用对数坐标，模数均为6.25cm，横坐标代表供电电极距AB/2(即勘探深度)，纵坐标代表视电阻率值ρs的大小，将不同供电电极距AB/2的ρs值相连成线，即为测深曲线。ρs值的大小与地层岩性有关，黄土、粘土和泥岩的值较低，砂岩的值与其粒度的大小有关，ρs值越大，地层的粒度越粗，反之则越细。视电阻率ρs测深曲线主要反映了各测点垂直方向电性变化情况。同样，ηs测深曲线与ρs测深曲线类似，ηs值的大小与地层的富水程度有关，富水性越好，ηs值越大，反之则越小。视电阻率ρs测深曲线主要反映了各测点垂直方向电性变化情况。现对所测单支曲线分析。

（1）8302工作面8测线180桩号。从图1（a）中ρs曲线可以看出，随横坐标（即AB/2极距）的增大，曲线整体的趋势为从低到高，反映了煤系地层情况；从图1（b）中ηs曲线可以看出，在横坐标（即AB/2极距）小于100m时，曲线平缓，大于100m的时候，ηs值异常增高，甚至可达2%，说明富水性比较强。

图1 8-180点视电阻率测深与点视极化率测深曲线图

（2）8302工作面8测线900桩号。从图2（a）中ρs曲线可以看出，随横坐标（即AB/2极距）的增大，曲线整体的趋势为从低到高，反映了煤系地层情况；从图2（b）中ηs曲线可以看出，在横坐标（即AB/2极距）小于100m时，曲线平缓，说明富水性较差，而大于100m的时候，ηs值异常增高，甚至可达2%，说明富水性比较强。

对比2个测点的极化率曲线可知，在100m之后的极化率值，极化率极高，基本上反映了所圈定积水区的积水情况。

3.2 结果分析

从上面的分析知，所圈定的区域确实富水性较强，存在积水区的可能性非常大。根据前期物探的结果，标定所圈定的区域面积编号为A1、A2、A3，A1面积为55434m2，A2面积为82615m2，A3面积为20198m2。根据式（1）可以计算积水区域的积水量。