综合物探技术在煤炭矿井水文地质中的实践

2020-01-10曹武庆

科学技术创新 2020年16期

曹武庆

（陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西西安710005）

煤炭资源对我国的发展起着关键的作用，是我国国民经济的支柱型产业，但是在煤炭开采的过程中其安全事故却屡屡发生，严重威胁着矿工的生命健康安全，据国家煤炭安监局数据统计显示，每年煤矿发生的安全事故高达500 多起，死亡人数更是逐年上升。究其原因，我们不难发现除了自然因素造成的地质灾害以外，还有瓦斯、水害、粉尘、顶板以及火灾，这五类灾害是目前煤炭开采的主要灾害，其中，水害的危险程度仅次于瓦斯，严重的影响了煤矿的正常作业是矿工的生命安全。我国的水文地质情况较为复杂，为了保证煤矿的生产安全，需在开采前对矿区的资源分布进行详细的勘测，然后依据勘测的结果制定适宜的开采路线，最大程度上确保开采的安全性。近年来，综合物探技术受到广大矿业工作者的青睐，逐渐在煤矿水文地质勘测中展露出自身的优势，将效率高、范围广的特点充分发挥，为煤矿资源分布以及地质勘测做出了卓越的贡献。

1 综合物探技术的概述

1.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法是20 世纪30 年代，美国科学化L.W.Blau 提出的，属于电磁勘测法当中的一种，又被称为时间域电磁法，简称为TEM[1]。瞬变电磁法主要依靠地下岩矿石的导磁性与导电性的性质不同，利用电磁感应的原理，对矿区的电磁场变化进行研究分析，进而达到水文地质勘测目的的一种手段。在实际煤矿作业中，想要借助瞬变电磁法进行地址勘测，可以在矿区地表或者空中设施发射回线圈并使其能够通以阶跃电流，但发射线圈与接受线圈的距离不得超过10m，此时由于电磁反应线圈的周围空间内必定会存在稳定的磁场，被测地下地质中的矿石就会有所感应，其勘测深度可到100m，但当发射源被切断后，磁场会发生剧烈的变化，地下导体就会形成感应电动势，也就是感应电流。若发射频率控制在25Hz，电流控制在17A，时间设置在20s 左右，[2]此时煤矿中的水文地质基本信息就能得到清晰的了解，开采人员可以依据瞬变电磁法的规律对该地区水文地质进行合理的规划，并制定科学的开采路线。

1.2 探地雷达法

探地雷达法又称地质雷达，简称GPR，是1910 年德国人Hulsemeyer 与Lowy 在一项专利中阐明的概念，这也是第一次探地雷达法进行详细的描述[3]。近年来，探地雷达法由于其具有探测速度快，操作简单方便，可连续检测和无损的特点使其受到环境检测、地质勘测、工程调查以及考古领域专业人士的青睐。探地雷达法与瞬变电磁法的电磁传播理论基础的式样的，都是借助电磁波在介质中电磁特性，即在不连续处产生反射与散射的特点对矿区地下的目标进行定位、成像进行利用麦克斯韦方程组判定电磁特性变化从而达到勘测目的的方式。探地雷达法的种类是多种多样的，但是基本的组织构架是一致的，有控制单元、发射机、接收机、电缆、天线、电源等。在实际勘测过程中，探地雷达是通过脉冲的形式将大功率高频电磁波由发射天线进行发射端饿，当地下介质传播遇到不同的介质，其电性有差异，就会发生反射、透射、折射的电箱，因此，勘测人员需明确不同地下介质的介电常数与电阻率，在结合勘测所获取的高频电磁波进而分析矿区地下介质的分布情况。需要注意的是，一般情况下探地雷达的勘测深度在0-6m，若勘测距小于1.5m 时，煤炭不会出现分层现象，若大于1.5m 就会出现明显的类似光学原理的折射、反射现象，若勘测距离始终保持在6m，反射也相对复杂时，则该探测区采空的可能性极大，易发生坍塌事件。

2 综合物探技术在煤炭矿井水文地质中的实践

2.1 矿井概况

矿区位于陕北高原北部，与鄂尔多斯高原毛乌素沙漠东南接壤，海拔约1100-1850m，中部为黄土丘陵区，南北部均为风沙地，沙丘连绵起伏，沟壑纵横，呈现波状形态。矿区地形地貌水文地质差异较大，是典型的半干旱、半沙漠高原大陆气候，冬季严寒霜冻，夏季炎热多雨，因此风沙区皆有大泉出露，梁茆区水量较小。矿区四季分明，年平均气温在6.2-8.5℃之间，雨季集中在7-9 月份，年降雨量约为400mm，蒸发量为1320mm，且矿区内河流为乌兰木伦河，自东胜梁南为发源地，全年平均水流量为4.52-12.2m3/s，在7-9 月份河流量较大，冬季则较小，因此,地下水绝大多数分布在松散型岩石类裂缝中或是碎屑类岩石的裂缝孔隙中。

2.2 综合物探技术在煤炭矿井水文地质中的实践

（1）瞬变电磁法的应用。瞬变电磁法对低电阻体有着非常敏感的反应，可以准确的查明煤炭矿井中的含水地质，提升探测的深度，自动消除主要噪声源，并且其对地形地貌不会产生任何影响，因此，在煤炭矿井水文地质勘测中，加强瞬变电磁法的有效应用可以获取可靠的地质信息。在实际勘测水文地质中可以采用两套瞬变电磁仪器，达到相互验证的效果，本次研究中采用的仪器为加拿大protem-47 与福建华虹本安型瞬变电磁仪，为了保证探测的准确性与精密性，使探测区域的地面形成互补，需预先选择好地理位置适宜的巷到，应运用多种物探技术进行地质特点的分析。结合煤炭矿井的实际概况，对于矿井下采用偶极瞬变电磁法，将发射线圈与接收线圈放置于同一侧二者相距10m 左右，探测深度调节为100m，探测点间相距5m，发射线圈均采用2m*2m，频率为25Hz，电流为17-18A，时间窗口为20S，且探测方向应在被测物质的内部。一般情况下，瞬变电磁法结果呈现低阻现象时为充水性空洞，未充水则会呈现高阻现象，但需要结合矿井的实际情况对矿区的水文地质做出科学的分析与评价。

（2）探地雷达法的应用。探地雷达是一种探测地下目标的有效方式，是一种无损技术，与其他的探地方法相比，具有速度快，分辨率高、操作灵活的优势，其原理主要是利用天线发射与接收高频电磁波探测地下介质的物质特性、分布规律的物理方法，其测量的方式有很多例如：剖面法、宽角法、透射波法、三维测量方式等等，本次研究采用的则是反射波剖面法，反射波剖面法是探地雷达观测中最为常见的一种方式，仪器则为美国的SIR-3000 地质雷达仪，中心频率设置为100M，对煤炭矿井的测量区域进行数据采集。将所有采集到的数据进行有效分析，结合矿区实际情况在一定的范围内制定有效的科学的剖面图，依据剖面图对煤炭矿井的水文地质灾害影响、范围进行综合的评估，进而能够最大程度上将灾害的影响降至最低。依据本次探测结果我们发现，探测深度约为10m，在1.5m 是出现较为明显的反射同相轴现象，1.5m 以下则没有地层分层现象，6m 处反射同相轴现象变得复杂化、经过分析、判断，可以确定在探测深度为0-6m 间存在较为稳定的煤炭资源，6m 以下同相轴反应复杂、混乱，可以判定为存在一定范围的采空区，甚至可能有坍塌的情况出现。

（3）综合物探技术解释。综合物探技术可以获取煤炭矿井探测区域的视电阻率剖面图，借助剖面图与矿区的实地信息，探测人员可以确定矿井的采空区域及位置所在。通常情况下，视电阻率剖面图出现许多畸变、弯曲的等值线，表明该区域存在采空或是其他地质现象，同时依据电阻的大小以及电阻率的颜色变化进而确定是否有积水，若视电阻率剖面图等值线较为平缓则该位置水文地质较为良好，探测区域煤层中未出现采空、积水或是其他类别的地质现象，煤炭矿井的开采风险相对较小。