瞬变电磁法在探测采空区灌浆范围中的应用

牛 宏，陈连城

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003）

1 工程概况

大同煤田为“双系”煤田,上部赋存侏罗系煤层,煤田面积772 km2；下部赋存石炭二叠系煤层。大同矿区侏罗系含煤地层属于内陆盆地河湖沼泽相沉积,煤层多、间距近,煤层分叉合并现象较为普遍,煤层倾角为1～8°。煤系地层总厚度为234 m,其含煤15个层组,22个煤层,煤层总厚度22.5 m,含煤系数为9.6%。煤层赋存特征分为三段,上部为中厚煤层,中部主要为薄煤层,下部主要以厚煤层为主。下部煤层层间距较近,埋藏深度为220～360 m。现在生产矿井的开采大部分已经进入下部煤层的开采,上部为采空区。由于侏罗系煤层为易自燃发火煤层,在井田内已出现了大量的火区。目前大同地区主要以黄泥灌浆为防灭火手段,取得了明显的效果。但是,在灌浆的过程中,由于浆液在采空区内呈扩散状况,对于泥浆的扩散范围和具体层位的确定是非常困难的。现在的衡量标准就是灌满为止,所以,经常出现跑浆、串浆现象,造成大量的浆液浪费,严重影响了防灭火效果。目前还没有比较好的方法测定浆液的扩散情况,本项目利用瞬变电磁探测技术对灌浆范围进行跟踪探测研究,通过计算机分析,能够比较准确的圈定出扩散范围,在实际应用中取得了较好的效果[1－2]。

2 瞬变电磁法勘探原理[3]

瞬变电磁法的勘探原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流,产生一个瞬变的电磁场,通过不接地回线向勘探目标发送一次磁场,该磁场垂直发射线圈向两个方向传播,通常是在地面布设发射线圈,依据半空间的传播原理,利用接收线圈测量接收到的感应二次磁场电动势V2。该电动势包含了地下介质电磁性特征,通过二次磁场衰减变化的信号特征来解释和反演地下介质结构的形状。当地下存在良导体时,良导体在一次场的激励下产生较大的感应涡流,在脉冲磁场断掉后涡流磁场缓慢按照指数规律衰减;若地下存在隐伏高阻介质,产生的感应涡流二次场的幅度较小,二次磁场很快衰减。根据二次场的特征可以判断被探测地质体的大小和导电性,并可推断出赋存位置、深度及产状特征。黄泥灌浆的浆液土水比一般为1:3～5,水是主要的,因为水是良导体,探测时反映的特征比较明显。所以,可以利用瞬变电磁法来进行灌浆扩散范围的测定。

3 探测测点布置

探测所采用的仪器是西安强源物探研究所生产的EMRS－3型瞬变电磁勘探仪,工作装置重叠回线,供电线圈:3 m×3 m,供电电流1 200 A,接收线圈:6匝8次叠加。采样程序:分22道,80 ms～19.4 ms,22测道。使用小型线圈,保证测点中心位置对应的地质体响应最佳。1 000 A以上的供电电流,保证了V2信号的信噪比。

通过广泛收集和深入研究灌浆区域及邻近地区的有关地质、水文、物探、测绘等资料,并组织现场踏勘。为了能够圈定出浆液范围,尽量减少探测工作量,测点采用以灌浆孔为中心的“十字”型布置。物探测线点的布设遵循应尽可能垂直于探测对象的走向,测点距应能良好反映探测目的层(物),主要围绕“能有效的检测采空区的注浆效果”的目的任务要求,并考虑地形的影响以及尽量垂直采空区、巷道的走向、断裂走向等诸多因素,共布设约2条测线,见图1。两条测线以钻孔为中心垂直布置,测线1走向为北东38°展布,测点数41个,点距为20 m；测线2走向为北东118°展布,测点数41个,点距为20 m。两条测线及主要测点均由课题组测量人员实际施工,物探测点由矿用经纬仪结合皮尺定位进行布放,点位精度均较高[4]。

图1 采空区灌浆瞬变电磁法展点图

4 数据处理[5]

瞬变电磁的室内解释工作是在地质体地球物理特征和区内地质概况的基础上进行的,矿体采空后,本区潜水面埋深较大,采空区内无积满水的可能,一维反演电阻率剖面图上表现为局部的高阻异常。采空区注浆后,相对增强了采空区的导电性,高阻异常相对降低,相对低阻。根据两者的电性差异特性可以检测出采空区灌浆的范围。

室内数据的处理解释推断应遵守从已知到未知、从点到面、从简单到复杂、从局部到全区的原则。电法解释在依据地球物理规律分析电法观测资料和地电断面参数间关系的同时,综合分析研究区内地质规律,分析地电断面和地质断面之间的联系。综合考虑地质理论、勘探区内的地质规律以及电法资料所反映的某些客观异常现象做出客观的推断。数据处理遵循野外采集数据的原始性,按照数据浏览(N文件去掉文件头)－－建立多道剖面(定性解释)－－正演模型建立和数据校正－－对每个测点的有效测道进行编辑(选择有效测道)－－一维反演处理(建立初始模型,迭代计算)的处理程序对每一个测点的数据进行处理。室内数据处理的结果看出:野外采集的V2响应值曲线,各条测线的多测道剖面图,和一维反演电阻率剖面图各个图件所反映的高低阻异常电性特征基本吻合,因此可以解释地质体的电性特征,采空区内灌入的泥浆可以作为特殊的低阻体,泥浆的组份中含有大量的水,相比围岩的电阻率明显减小,呈现低阻异常。

通过单点一维视电阻率反演处理,结合采空区的深度和大致的赋存范围,煤层采空区的深度大概60～100 m处,可以得到灌浆范围的一维反演图。

一维反演处理需要合适的初始参数,如果参数选择的不合理,会出现错误的结果(多解性)。一般要考虑目标层的电性和厚度合理选择。由于试验前没有获得更多的详细参考资料,参考研究区内已知的钻井资料,而本次处理的采空区目标层煤层深度约60～100 m,厚度为2 m,考虑到煤层开采后的顶板垮落,因此采空区的范围大致为3～4 m。煤层开采目标层很薄,其体积效应很小,处理的精度受影响。本次研究结合该区现有的地质地球物理模型,对两条测线的各个测点进行一维反演。通过这两条测线的一维反演的剖面图较准确的推断采空区灌浆大致范围。

根据一维反演剖面图可以得出区内地层的电阻率值大致范围:

第1层第四系黄土覆盖层,电阻率5～20 Ω·m；

第2层煤层采空区,电阻率150～350 Ω·m;

第2层采空区灌浆层,电阻率500～900 Ω·m。

因为煤层采空区与采空区灌浆区的电性差异较大,可以根据其高低阻测出灌浆范围大小。从一维视电阻率反演处理结果,可以看出在高、地阻异常点的位置以及大致深度,根据一维反演剖面图可以看出1线、2线绿色相对低阻区分布范围,则是采空区灌浆大致范围。

图2 大同煤田采空区灌浆瞬变电磁法第一测线一维反演电阻率剖面图

图2 为第一测线一维反演电阻率剖面图,一维反演电阻率剖面图上8点～35点表现为相对低阻异常,电阻率等值线紧密闭合,异常中心电阻率ρ＝350 Ω·m,经钻孔验证此处已注浆,注浆效果较好。一维反演电阻率剖面图上1点～7点异常中心电阻率ρ＝950 Ω·m,表现为相对高阻。 经钻孔验证此处无注浆,为采空区。

图3 大同煤田采空区灌浆瞬变电磁法第二测线一维反演电阻率剖面图

图3 为第二测线一维反演电阻率剖面图,一维反演电阻率剖面图上9点～35点表现为相对低阻异常,电阻率等值线紧密闭合,异常中心电阻率ρ＝350 Ω·m,经钻孔验证此处已注浆,注浆效果较好。一维反演电阻率剖面图上1点～6点异常中心电阻率ρ＝950 Ω·m,表现为相对高阻。 经钻孔验证此处无注浆,为采空区[6]。

5 结论建议

1)瞬变电磁法不仅能有效的探查采空区,而且能有效的检测采空区的注浆效果,通过瞬变电磁法对注浆区进行的检测,在瞬变电磁法的一维反演电阻率剖面图上,高阻异常等值线表现为采空区、裂隙发育等异常特征。灌浆后,异常特征明显发生变化,剖面图上反应为低阻。

2)已探明的采空区如果作了回填、灌浆等加固处理后,要进行加固处理效果检测,是否还有空洞等不密实区。利用瞬变电磁法与原探测采空区瞬变电磁资料作一对比,就能很清楚的看出处理后的效果。

[1]徐永圻.采矿学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[2]李增学.煤矿地质学[M].北京:煤炭工业出版社,2009.

[3]曹静,吴灿灿,李雪等.瞬变电磁法的原理及野外工作技术简介[J].科技经济市场,2009(06):9-10.

[4]薛国强,宋建平,李貅.用瞬变电磁法识别地下电性分界面[J].煤田地质与勘探,2003(05):49-51.

[5]康文献,张东阔,李海晓.瞬变电磁法在采空区戡察中的应用[J].中州煤炭,2009(04):26-27.

[6]于泰鹏,张首波.采空区瞬变电磁探测方法分析[J].中国煤炭工业,2011(01):50-51.