长平矿3#煤层感应电磁场衰减规律研究

卫金善,张会兵,窦文武,段彦飞

(1.山西晋煤集团 技术研究院有限责任公司,山西 晋城 048006;2.山西长平煤业有限责任公司,山西 晋城 048006)

长平矿3#煤层感应电磁场衰减规律研究

卫金善1,张会兵2,窦文武1,段彦飞2

(1.山西晋煤集团 技术研究院有限责任公司,山西 晋城 048006;2.山西长平煤业有限责任公司,山西 晋城 048006)

长平矿水文地质条件较为复杂,3#煤层开采过程中顶板上部K8、K10砂岩含水层受到破坏,局部底板承压大于2 MPa,为保证安全开采,采用瞬变电磁仪对巷道进行超前探测。通过研究多年探测结果的感应电磁场衰减变化规律,分析有干扰因素和无干扰情况下的衰减特征,对比不同盘区的视电阻率变化和地质特征关系,总结得出:1)在无干扰条件下,长平矿区正常煤岩体视电阻率波动范围处于0 Ω·m～250 Ω·m 之间,视电阻率低于 20 Ω·m 时淋水概率增大;2)在铁器干扰情况下,感应电压衰减加剧,整体视电阻率降低,容易造成富水区的漏报或误报;3)在电力干扰下,感应电磁场电压极不稳定,视电阻率不能真实反映现场情况,该情况下的数据不可用作物探结果。

长平矿;瞬变电磁;视电阻率;感应电磁场

1 概述

长平矿3#煤层主要受二叠系山西组及 K8 砂岩裂隙含水层威胁,该含水层为碎屑岩裂隙含水层,井田内无出露,包括K7、K8砂岩及3#煤层顶板砂岩裂隙含水层,构成主采3#煤层的充水水源。岩性以中、细粒砂岩为主,局部砂岩裂隙发育。该含水层属富水性弱的砂岩裂隙含水层。二叠系砂岩含水层层间隔水层主要由泥岩、砂质泥岩组成,单层厚度一般小于20 m。垂向分布呈平行复合结构,阻隔上下各含水层层间的水力联系,起层间隔水作用。 矿区由于地质构造发育,水文地质条件较为复杂,3#煤层导水裂缝带高度界于12.14 m～94.54 m之间,开采过程中,3#煤层顶板以上K8、K10砂岩含水层受到破坏;井田内奥灰水位标高625 m,而3#煤层底板标高介于425 m～705 m,局部区域底板承压大于2 MPa。为保证长平矿安全开采,避免水害事故发生,采用瞬变电磁仪对巷道进行超前探测,其中,首要任务是掌握长平矿的水文地质感应电磁场特征规律。

通过查阅文献发现,众多专家学者在瞬变电磁在矿井应用方面做了深入应用研究。梁庆华[1]分析了固定平移法、转换角度法、综合法等矿井瞬变电磁探测工作方法优缺点及其适用范围;梁爽[2]、刘志新[3]通过数值模拟和物理模型实验,总结了矿井地质条件下瞬变电磁场的分布规律;文献[4-7]分析了矿井干扰源对瞬变电磁探测的干扰特征;文献[8-10]都以长平矿为研究对象,为分析地质资料提供针对性较强的参考价值。

2 地球物理电磁场特征

由于煤系地层的沉积序列比较清晰,在原生地层状态下,导电性特征在纵向上有其固定的变化规律,而在横向上相对比较均一;在同一个岩层内,电性分布相对均一(层内均一性);不同岩层组合,其垂向电性分布和变化是有序的且与岩性组合顺序相对应(垂向规律有序性)。不同岩性的导电性一般存在明显差异,一般而言泥岩、页岩、粉砂岩、中粗砂岩、灰岩的电阻率是依次增高的,烟煤的电阻率通常很大,常以明显的高阻异常区别于顶底板岩层(如泥岩、砂岩等)。

长平矿3#煤层顶板岩层主要为泥岩、细砂岩、粗砂岩,通过煤样检测得知该测区内岩层电性变化的一般规律为:煤层电阻率值相对较高(250 Ω·m～300 Ω·m)、砂岩次之(50 Ω·m～100 Ω·m)、粘土岩类最低(20 Ω·m ～30 Ω·m),即泥岩、细砂岩、粗砂岩等与煤层的导电性差异明显。当存在煤层采空区(积水或不积水)及岩层岩溶、裂隙、断层破碎带等构造(即地质异常体)时,地质异常体及其附近导电性分布将发生明显变化(物性异常);如果构造内不含水,则其导电性较差,使局部电阻率值增高;如果构造含水,由于矿井水的矿化度较高(实测地下水矿化度 0.3 g/L～0.6 g/L),其导电良好,相当于存在局部低电阻率值的地质体。岩层或煤层的富水情况决定其电阻率的高低情况。

3 感应电磁场衰减规律

感应电磁场是在一次脉冲激发之后形成的二次感应电磁场, 感应电磁场随着时间逐渐向远处传播,感应电流和电压逐渐减弱。通过分析二次感应电磁场的衰减变化规律,可以推测探测区域煤岩体的分布特征。

3.1正常煤岩体电磁场衰减规律

正常岩体是指探测区域煤层无构造、无富水区域,探测时无明显大型铁器干扰。图1至图3为长平矿具有代表性的正常煤岩体感应电磁场衰变曲线和反演成果图。

图1 正常煤岩体视电阻率衰减曲线图Fig.1 Attenuation curve of apparent resistivity in normal coal-rock mass

图2 正常煤岩体二次场感应电压曲线图Fig.2 Secondary field induced voltage curve of normal coal-rock mass

由图 1 可知,在正常煤岩体中,当一次脉冲关闭后开始形成二次感应电磁场,二次感应场的视电阻率逐渐衰减,位于20 Ω·m～250 Ω·m之间;由图2可知,感应电压由106μV逐渐衰减到10 μV,在50测道后电压降到100 μV,衰减速度符合拟合电压趋势(蓝色曲线)。

注:横坐标0点位置对应掘进头位置,横坐标轴负方向对应掘进头位置左侧帮,正方向对应掘进头位置右侧帮。下同图6、图9图3 正常煤岩体视电阻率成果Fig.3 Apparent resistivity results of normal coal-rock mass

由图 3 可知,视电阻反演成果图等值曲线平滑,间距均匀,两侧帮受到锚网影响,衰减速度相对较快。

3.2富水区电磁场衰减规律

图4至图6为长平矿实测数据,在巷道揭露过程中,低阻区域出现大量淋水现象。由图4可知,二次感应场的视电阻率急剧衰减,后期又有较小回升;由图5可知,感应电压在50测道之前就降到100 μV,衰减速度明显偏离拟合电压趋势(蓝色曲线);由图6可知,视电阻反演成果图等值曲线平滑,但间距发生明显变化,富水区形成了明显的低值等势面。

图4 富水区视电阻率衰减曲线图Fig.4 Attenuation curve of apparent resistivity in water-rich area

图5 富水区二次场感应电压曲线图Fig.5 Secondary field induced voltage curve in water-rich area

图6 富水区视电阻率成果Fig.6 Apparent resistivity results in water-rich area

3.3金属干扰电磁场衰减规律

图7至图9为现场有大量金属体时采集的数

据,金属干扰是指除了现场锚杆锚网支护外,另有大型机组、地溜、钻机等铁器存在的情况。

图7 铁器干扰情况下视电阻率衰减曲线图Fig.7 Attenuation curve of apparent resistivity under iron interference

图8 铁器干扰情况下二次场感应电压曲线图Fig.8 Secondary field induced voltage curve under iron interference

图9 铁器干扰情况下视电阻率成果Fig.9 Apparent resistivity results under iron interference

由图7 可知,受铁器干扰的二次感应场的视电阻率初始值较小,且急剧衰减;由图8可知,感应电压初始值只有 105μV,在44测道就降到 100 μV,衰减速度较快;由图9可知,视电阻反演成果图等值曲线平滑,间距均匀,两侧帮受锚网影响,衰减速度加剧。

3.4不同盘区视电阻率分析

通过选取近几年同一种仪器在长平探测结果进行分析发现,现场环境存在不可避免的金属干扰(锚杆、锚网等),实际测得的视电阻率相对要比理论值低,长平矿一、二盘区整体视电阻处于20 Ω·m～250 Ω·m之间,低于20 Ω·m时淋水概率增大;三盘区地质结构复杂,处于奥灰水位下,富水性一般,整体视电阻处于0 Ω·m～120 Ω·m 之间,阻值偏低;四盘区部分区域处于奥灰水位下,南翼富水性较强,北翼富水性一般,整体视电阻处于0 Ω·m ～250 Ω·m 之间,视电阻率低于20 Ω·m时,揭露过程中淋水概率增大。

4 结论

通过对长平矿区瞬变电磁在3#煤层测得的感应二次场数据研究分析,总结得出:1)在无干扰条件下,长平矿区正常煤岩体视电阻率波动范围处于0 Ω·m～250 Ω·m之间,视电阻率低于20 Ω·m时淋水概率增大;2)在铁器干扰情况下,感应电压衰减加剧,整体视电阻率降低,容易造成富水区的漏报或误报;3)在电力干扰下,感应电磁场电压极不稳定,视电阻率不能真实反映现场情况,该情况下的数据不可用作物探结果。

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AttenuationLawofInducedElectromagneticFieldinNo.3CoalSeaminChangpingMine

WEIJinshan1,ZHANGHuibing2,DOUWenwu1,DUANYanfei2

(1.InstituteofTechnology,ShanxiJinchengCoalGroup,Jincheng048006,China;2.ChangpingCoalCo.,Ltd.,Jincheng048006,China)

The hydrogeological condition in Changping Mine is complex.During the mining of No.3 coal seam,K8 and K10 sandstone aquifer are damaged,with regional floor pressure being more than 2 MPa.To ensure safe mining, transient electromagnetic method was used in advanced detection.On the analysis of attenuation law of induced electromagnetic field,the attenuation features were studied with and without interference factors.According to the connection between the apparent resistivity and geological features at different panels,we draw conclusions as follows:(1)without interference,the fluctuation of the apparent resistivity of normal coal-rock mass ranges from 0 to 250 Ω·m;when the apparent resistivity is less than 20 Ω·m,probability of water spray increases;(2)with iron interference,the attenuation of induced voltage increases and overall apparent resistivity decreases,which causes missing and misreporting data in water rich area;(3)with electricity interference,the voltage of induced electromagnetic field is extremely unstable;the apparent resisitivity could not reflect the actual situation,therefore the data could not be used as the geophysical results.

Changping Mine; transient electromagnetic method; apparent resistivity; induced electromagnetic field

企业科技推广项目(jsyj-jskf-2015-008)

1672-5050(2017)04-0017-05

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.006

2017-07-15

卫金善(1967-),男,山西阳城人,本科,工程师,从事地球物理勘探、水文地质勘查、地测防治水等水文地测相关工作。

P641.7

A

(编辑:杨 鹏)