基于矿井瞬变电磁法探测岩层裂隙富水性研究

吴超凡邱占林陈 栋

(1.龙岩学院资源工程学院,福建省龙岩市,364012; 2.龙岩学院矿井水害防治研究所,福建省龙岩市,364012)

基于矿井瞬变电磁法探测岩层裂隙富水性研究

吴超凡1,2邱占林1,2陈 栋1,2

(1.龙岩学院资源工程学院,福建省龙岩市,364012; 2.龙岩学院矿井水害防治研究所,福建省龙岩市,364012)

为了查明武平县某矿岩层裂隙富水性,采用多通道改进小线框矿井瞬变电磁法探测技术对该矿＋350巷道侧帮100 m、顶板50 m范围内岩层进行3条测线实际探测。该方法能够提高巷道周围含水异常探测的准确率,有助于增强其对含水体的敏感响应,并对研究巷道全空间涡流电场的分布特征规律均有重要意义。

矿井瞬变电磁法 裂隙水 富水性 小线框

近年来,矿井水害已位列福建省各类矿山地质灾害的首位,对安全采掘构成极大的威胁。而福建省矿井水害类型主要包括栖霞灰岩岩溶水、老窑积水、断层导水、裂隙水、雨季地表水水害等,从水害发生空间一般可划分为顶板水害、底板水害、老空水水害、断层及陷落柱水害、封闭不良钻孔水害等。武平县某矿位于福建省武平县大禾乡帽布村北,岩层裂隙发育,裂隙富水性强,存在突、涌水的可能,对矿井安全生产造成严重威胁。

目前,矿井水害探测方法较多,地质推断作为一种最基础的分析方法,主要利用水文地质等基础地质资料进行综合判别,往往存在因资料不足或人为因素造成误差;水文地球化学分析是矿井水害防治的一种快速、经济、实用、有效手段,尤其在矿井突水水源判断方面地质效果明显,但在寻找不同含水层标准组分过程中存在较大难度;钻探的直接有效性、直观性使其成为最常用的地面或井下的探测手段,但存在“一孔之见”,不能反映较大范围内的水文地质情况,且费时费力,成本投入较大;而瞬变电磁法作为矿井水害主要的探测手段,越来越多地得到应用,而适合福建复杂地质条件的矿井瞬变电磁法(MTEM)探测技术也得到长足发展,并应用于各种矿井水害探测中,且技术日臻成熟,地质效果良好。相应的仪器装备也不断得到改进,已由单通道发展为全方位的多通道,与传统矿井瞬变电磁技术相比,多通道MTEM具有采集数据量更大、质量更高、体积效应影响更小和勘探分辨率更高等优点。

因此,查清矿区岩体裂隙富水性,为矿井防治水工作提供可靠技术资料,为探放水设计提供科学依据及确保该矿采掘活动安全实施就显得至关重要。为此,在该矿采用改进的1.5 m×1.5 m多匝小线框装置的本安型YCS360矿用多通道瞬变电磁仪查明＋350采掘巷道侧帮100 m、顶板50 m范围内岩层视电阻率异常,以此判断掘进巷道工作面内的岩体裂隙赋含水情况,为回采工作面防治水工作提供有效的水文地质技术参数。

1 瞬变电磁法探测基本原理及地球物理响应特征

1.1 瞬变电磁法探测原理

矿井瞬变电磁法的基本探测原理是在通以一定脉冲波形电流的发射线圈周围空间会产生向下的一次场,在其激励下,地下导电地质体可产生涡旋感应电流,断电后不会马上消失,所产生二次场感应电流由于热损耗等原因而随时间逐渐衰减,衰减过程一般分为早、中、晚三个时期。早期电磁场频率域中的高频成分衰减快,趋肤深度小;中期次之;而晚期成分则相当于频率域中的低频成分,衰减慢,趋肤深度大。基于测试断电后不同时间的二次场随时间的变化规律,方可得到不同深度的地电场特征,据此可判断异常地质体的赋存位置、形态和电磁性特征。MTEM一次场和二次场波形分析见图1,该图较好地反映了瞬变电磁场响应机理。

由于多通道MTEM探测是在井下巷道内实施的,其MTEM装置接收线圈中的感应电位为井下巷道全空间范围内的有效探测数据,是所有围岩导电性的综合响应,其视电阻率计算公式为:

式中:C——全空间响应系数;

S——接收回线线圈面积,m2;

N——发射线圈匝数,匝;

V——感应电位,V;

I——供电电流强度,A;

V/I——归一化二次场电位值,V/A;

t——二次场衰减时间,ms;

μ0——介质在真空中的磁导率,一般取值4π×10－7H/m。

图1 MTEM一次场和二次场波形分析

1.2 岩层裂隙富水性的地球物理响应特征

瞬变电磁在矿井探水、探测构造中的解释原则是以分析不同地层电性分布规律异同为基础。若存在岩层裂隙等不良地质构造发育,无论其是否含水,均将打破地层电性在横、纵向上的变化特征和规律,引发岩石导电性的变化。一般而言,当发育构造裂隙带时,若裂隙带内不含水,则其导电性较差,局部电阻率值增高;若裂隙带内含水,因其导电性好,相当于存在局部低阻体,可以解释为相对赋水。

本次瞬变电磁试验在该矿井的采掘巷道中进行,工作面水文地质条件较复杂,影响掘进巷道的主要充水水源为顶板裂隙含水。通过MTEM可观测到电性不均匀体中的涡流变化情况,进而查明岩层裂隙或顶底板的导水、富水性,就可圈定采空区范围并勘查其积、含水情况。

2 现场测点布置

本次探测试验采用本安型YCS360矿用多通道瞬变电磁仪,使用改进的小线框装置(边长1.5 m×1.5 m),共采集3条测线数据:其中1＃测线布置6个测点,从迎头开始以0.2 m间距沿侧帮顺层方向采集数据,其观测系统如图2所示;2＃测线布置12个测点,从＋350巷道开口向里4 m开始采集数据,测点间距为3 m,探测方向为顶板30°和顺层方向,如图3(a)和3(c)所示; 3＃测线布置5个测点,从＋350巷道西开口向里5 m开始采集数据,测点间距为3 m,探测方向为顶板30°和顺层方向,如图3(b)、3(c)所示。

图2 1＃测线观测系统设计图

图3 2＃、3＃测线观测系统设计图

3 数据处理及成果解释

3.1 成果解释

本次探测所采集的数据经过数据室内回放、数据的预处理(转化、拆分)、曲线剖面分析、滤波处理、视电阻率计算、维正反演、ρ－h剖面绘制等过程处理后,经视电阻率计算与深度转换,选用克里格法对数据网格化,对扇形数据体一般采用自然零点法进行等值线成图,可得到较为直观的MTEM视电阻率拟断面图,综合矿区已有的相关基础地质、水文地质资料,可确定横向、纵向和水平、垂向深度电性变化情况,进而得到该矿＋350巷道瞬变电磁法探测成果图(视电阻率剖面):1＃测线顺层探测视电阻率图见图4;2＃测线顺层、2＃测线顶板30°探测视电阻率图见图5;3＃测线顺层、3＃测线顶板30°探测视电阻率图见图6。下图中横坐标为测点坐标,纵坐标为沿探测方向距离。

由图4可知,1＃测线顺层方向探测区域内视电阻率值相对较高,右侧附近有一面积约为36 m2的相对低阻区域C1－YC1(坐标系中为X＝0.8～1.2 m,Y＝0～100 m),初步分析为低阻异常区,因右侧巷道含裂隙水影响所致,或采空区附近前期因采动效应诱发的应力场改变而导致出现的离层,并经后期裂隙水渗透充满所致。

图4 1＃测线顺层探测视电阻率图

由图5(a)可知,2＃测线顺层方向探测区域视电阻率值相对较高,探测正前方有一面积约为201.5 m2的相对低阻区域C2－YC1和C2－YC2 (坐标系中为X＝0～6 m,Y＝75～100 m;X＝24～33 m,Y＝70～100 m),分析为采空区下方裂隙带导水影响所致;由图5(b)可知,2＃测线顶板30°探测区域视电阻率值相对较高,探测正前方有一面积约为500 m2的相对低阻区域C2－YC1、C2－YC2和C2－YC3(坐标系中为X＝0～6 m,Y＝80～100 m;X＝21～33 m,Y＝70～100 m;X＝12～15 m,Y＝50～80 m),分析为采空区下方裂隙带导水或采空区积水影响所致。

图5 2＃测线探测视电阻率图

图6 3＃测线探测视电阻率图

由图6(a)显示,3＃测线顺层方向探测区域视电阻率值相对较高,沿探测方向前方有一面积约为190.5 m2的相对低阻区域C3－YC1(坐标系中为X＝0～12 m,Y＝70～100 m),分析为采空区下方裂隙带导水影响所致;由图6(b)所示,3＃测线顶板30°方向探测区域视电阻率值相对较高,沿探测方向前方有一面积约为196 m2的相对低阻区域C3－YC2和C3－YC3(坐标系中为X＝0～4 m,Y＝75～100 m;X＝7～12 m,Y＝60～100 m),分析为采空区下方裂隙带导水或采空区积水影响所致。

3.2 后期跟踪验证

矿方根据探测结果进行跟踪验证,先沿顺层向前掘进70 m后对物探低阻异常区进行了钻探验证,发现X＝1～4 m范围内存在水体,涌水量较小,但往前再掘进2 m处,涌水量明显增大。同时,发现该处顶板淋水,矿方对顶板30°方向进行工程钻探,发现水量较大。据物探视电阻率成果图,再向前跟踪3～8 m,实施第二次探测,发现顺层和顶板30°方向涌水量继续增大,与物探结果基本吻合。至此矿方停止探测,采取工程措施进行放水处理。

4 结论与建议

(1)通过分析验证,在巷道侧帮100 m范围内,巷道在采掘过程中顶板可能出现局部滴、淋水现象,1＃测线视电阻率低阻异常区主要受巷道右帮裂隙水影响;在2＃、3＃测线顶板低阻异常区范围内,在排除为采空区积水引起的低阻异常情况下可解释为存在局部富水岩体裂隙发育或岩性变化。

(2)多匝改进小线框装置MTEM技术具有较高的横向异常分辨能力、较强的适应能力、较大的数据采集能力,勘探体积小、成本低、效率高、方便观测等优点。但还存在反演的视电阻率及视深度偏小,由瞬态现象引起的异常畸变不明显等问题,需要在后续反演中得到进一步改进,如增加修正系数等来调整视电阻率和视深度计算值等。

(3)在探测实践中发现重叠回线装置方法技术探测深度较传统理论深度大得多,但在现场采集数据时,一定要有数据采集记录,记录每个物理测点的背景情况,特别是对具有干扰因素的物理测点一定要注明干扰的类型,以便在数据处理时进行校正,这样得出的结果就更接近真实的地质信息,解释结果更为合理、准确。

[1] 牟义.切片技术在煤矿回采工作面瞬变电磁法探测中的研究与应用[J].中国煤炭,2014(3)

[2] 徐白杨,郭昌放,杨真等.基于电磁波三维技术探测工作面异常构造[J].中国煤炭,2016(10)

[3] 吴超凡,邱占林,金其中.灰岩巷道中矿井瞬变电磁法探水效果分析[J].矿业安全与环保,2013(5)

[4] 张平松,刘盛东,李培根等.矿井瞬变电磁探测技术系统与应用[J].地球物理学进展,2011(3)

[5] 刘盛东,刘静,岳建华.中国矿井物探技术发展现状和关键问题[J].煤炭学报,2014(1)

[6] 于景邨.矿井瞬变电磁法勘探[M].徐州:中国矿业大学出版社,2007

[7] 于景邨,刘志新,刘树才等.深部采场突水构造矿井瞬变电磁法探查理论及应用[J].煤炭学报, 2007(8)

[8] 张良,王心义,贾宏昭等.瞬变电磁技术在顶板砂砾岩富水区探测中的应用[J].矿业安全与环保, 2011(1)

[9] 郭纯,刘白宙,白登海.地下全空间瞬变电磁技术在煤矿巷道掘进头的连续跟踪超前探测[J].地震地质,2006(3)

[10] 张卫,吴荣新,付茂如等.三维并行电法在工作面顶板富水区探测中的应用[J].中国煤炭,2011 (2)

[11] 吴超凡,胡雄武,刘盛东等.巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测模拟及应用[J].中国安全科学学报,2012(9)

[12] 于景邨,刘志新,刘树才等.深部采场突水构造矿井瞬变电磁法探查理论及应用[J].煤炭学报, 2007(8)

[13] 李文峰.瞬变电磁技术在邢台矿区防探水中的应用[J].中国煤炭地质,2008(8)

[14] 李文刚.瞬变电磁法在矿井防治水工作中的应用[J].中国煤炭,2015(12)

(责任编辑 郭东芝)

《能源行业信用体系建设实施意见(2016－2020年)》印发

国家能源局印发《能源行业信用体系建设实施意见(2016－2020年)》(以下简称《意见》),以加快推进能源行业信用体系建设。

能源行业是国民经济的重要基础,是国家的重要经济命脉,也是社会信用体系建设的重要领域。能源行业信用体系建设一直缺乏统一规划和部署,相关工作任务不明晰,进度安排和职责分工也不明确,导致能源行业信用体系建设推进速度较慢。

近年来,能源行业信用体系建设逐步开展,对违规失信行为展开治理,整治和规范市场秩序,加强行业自律。为加快能源行业信用体系的建设进程,营造更为规范、健全的信用环境,国家能源局根据相关规定,研究出台了这一文件,以营造良好行业信用环境,促进市场主体依法诚信经营。

安全生产领域、工程建设领域、节能环保领域、交易领域、统计领域、企业管理领域既是《社会信用体系建设规划纲要(2014－2020年)》提出的社会信用体系建设的重点领域,也是能源行业失信问题较多、亟须加强信用建设的领域。

因此,《意见》将这6个领域划为开展能源行业信用体系建设工作的重点领域,并通过加强组织领导、强化责任落实、加大人才和资金支持等保障措施,为能源行业信用体系建设提供有力的组织保障和人才资金支撑,促进能源行业健康、有序发展。

为满足我国现有能源行业市场主体对信用评价的需求以及行业监管的需要,《意见》提出,完善信用评价体系,建立健全信用评价制度,指导开展信用评价工作,规范信用评价机构管理,积极应用信用评价结果,以缓解当前能源行业信用评价活动缺乏统一指导、不规范等问题。

6项任务基本都是依据《社会信用体系建设规划纲要(2014－2020年)》、《国务院办公厅关于运用大数据加强对市场主体服务和监管的若干意见》和《国务院关于建立完善守信联合激励和失信联合惩戒制度加快推进社会诚信建设的指导意见》等文件的有关要求提出。

《社会信用体系建设规划纲要(2014－2020年)》的规划期为2014－2020年,因此《意见》也以2020年为限,将2020年之前能源行业信用体系建设工作分两个阶段进行。

由于能源行业信用体系建设基础相对比较薄弱,因此计划用2016－2018年的3年时间建立和夯实基础,并逐步实现全面深入推进;2019－2020年,根据国家提出的最新要求和能源行业信用体系建设的新形势继续进行巩固提升,以加快推进能源行业信用体系建设。

Study on detecting fissure water content of rock stratum based on MTEM

Wu Chaofan1,2,Qiu Zhanlin1,2,Chen Dong1,2
(1.School of Resource Engineering,Longyan University,Longyan,Fujian 364012,China; 2.Mine Water Disaster Prevention&Control Research Institute,Longyan University,Longyan,Fujian 364012,China)

In order to find out fissure water content of a mine＇s rock stratum in Wuping county,actual detection using three measuring lines was carried out by using MTEM with multi-channel small coil within 100 m to the side wall and 50 m to the roof of the＋350 roadway of the mine.This method could increase detecting accuracy rate of the water-bearing abnormal zone around roadway,and was able to enhance its sensitive response to water-bearing zone,it was significant for studying the distribution characteristics rule of full-space vortex electric field.

MTEM,fissure water,water content,small coil

P631

A

吴超凡(1964－),男,福建仙游人,硕士,教授,研究方向:工程地质、工程物探与地质灾害防治。

福建省科技厅战略性新兴产业专项项目(2015Y0073),福建省教育厅JK类科技项目(JK2014050)

吴超凡,邱占林,陈栋．基于矿井瞬变电磁法探测岩层裂隙富水性研究[J]．中国煤炭,2017,43(1):45－49．Wu Chaofan,Qiu Zhanlin,Chen Dong．Study on detecting fissure water content of rock stratum based on MTEM[J]．China Coal,2017,43(1):45－49．