瞬变电磁技术在煤岩层富水性探测中的应用——以永明矿为例

杜泽文，刘元龙,杜才溢

(1. 陕西永明煤矿有限公司,陕西 延安 716000;2. 太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024)

突水事故不仅严重影响煤矿正常开采,还会给井下工作人员的生命安全和设备的安全运行带来极大威胁。因此,及时探查工作面煤岩层水文地质实际情况,并根据探测结果制定有效的防治水措施尤为重要[1,2]。目前,矿井煤岩层富水性探测方法较多,主要有地质推断、水文地球化学分析、钻孔勘探、直流电法、音频电透和瞬变电磁法等[3,4]。其中瞬变电磁法凭借高效率、纯二次场观测、高精度和获取数据全面等优点,在井下煤岩层富水性探测方面的应用日益广泛[5]。郭艳培等[6]基于瞬变电磁技术探测结果,确定了阳城矿1311工作面外帮视电阻率低阻异常区域,确保了该工作面的安全回采。徐晓培[7]采用瞬变电磁技术查明了山西某煤矿积水区的位置和范围等,为该矿区的水患防治提供了资料依据。程久龙等[8]采用矿井瞬变电磁法对岩层富水性进行了超前探测,并结合LBA-BP方法提高了探测解读精度。本文基于上述研究,采用矿井瞬变电磁技术对永明矿3111工作面及顶、底板岩层的富水情况进行探测,以期为该工作面防治水工作的开展提供数据支撑。

1 地质分析

1.1 工作面概况

永明矿目前主采3#煤层,该煤层位于三叠系上统瓦窑堡组第三段上部,与上部5#煤层间距为33.60～44.30 m,平均间距为39.84 m。煤层厚度为0.67～0.73 m,平均厚度为0.70 m。煤层结构简单无夹矸,其顶板、底板岩性均为泥岩。煤层底板标高为1 040～1 045 m,由东向西倾伏,煤层倾角为1°～3°。其中3111工作面位于井田东南部,北面为3#煤东回风大巷,西邻3109工作面,南为井田边界,具体位置如图1所示。工作面走向长846 m,倾向宽127 m。

图1 3111工作面位置图Fig.1 3111 working face position

1.2 水文地质条件及潜在水害分析

1)水文地质条件。井田地处陕北黄土高原中部,属典型黄土梁峁地貌景观,区内沟谷纵横,地形复杂,第四系松散沉积物广布,基岩沿沟谷出露。地下水的形成与分布受地质、地貌、构造及水文气象诸多因素的综合控制。因该区地表坡降大,透水性差,大气降水主要以地表径流流走,少量渗入补给地下水。由《陕西永明煤矿地质报告》可知,该矿地下含水层主要有三个:第四系中上更新统黄土孔隙极弱富水含水层、三叠系上统瓦窑堡组上段和中段裂隙承压含水层。其中,第四系中上更新统黄土孔隙极弱富水含水层接受大气降水渗入补给,向沟谷方向径流,以面状渗出为主要排泄形式,富水性弱。三叠系上统瓦窑堡组上段和中段裂隙承压含水层裂隙不发育,富水性弱。

2)潜在水害分析。矿井充水水源为大气降水与地表水、地下水、老窑积水、采空区积水,其中地下水即瓦窑堡组上中段岩石裂隙水是矿井主要充水水源,其次为老窑积水、采空区积水。由《地质报告》可知,该煤层老窑积水区位于原永明煤矿范围南部,为2011年之前开采形成的采空区,面积270 m2,积水量18 000 m3,积水标高位范围为1 040～1 045 m。矿井充水通道主要有断层构造及裂隙、采矿冒落裂隙带及封堵不良钻孔等。3#煤层充水水源来自瓦窑堡组煤层上部砂岩裂隙水,该层补给来源单一,富水性微弱,个别地段甚至无水,充水强度弱,对采煤活动影响小。但巷道掘进应坚持“有掘必探,物探先行,钻探跟进”的指导思想,为确保矿井安全生产,所以对3111工作面进行瞬变电磁探测是十分必要的。

2 瞬变电磁法探测基本原理

矿井瞬变电磁法(TEM),也称时间域电磁法,是利用不接地回线或接地线源在煤矿井下全空间触发一次脉冲磁场,在一次脉冲磁场间歇期间,利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。如图2所示,将矩形反射线框产生的涡流场等效为电流环产生的环形涡流场[9]。该电流环随时间推移而向上、下及外扩散,等效电流环像从发射回线吹出来的一系列“烟圈”,故电磁波的扩散传播现象被称为“烟圈效应”[9-11]。简单地说,瞬变电磁法基本原理就是电磁感应定律。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分,衰减快,趋肤深度小;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。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间的变化规律,可得到不同深度的地电特征。

图2 瞬变电磁场烟圈效应图Fig.2 Smoke ring effect of transient electromagnetic field

3 现场测点布置及数据记录

本次选用YCS512型矿用瞬变电磁仪,发射频率设置为6.25 Hz,叠加次数为32次,探测深度为100 m左右。为了提高探测结果质量,在井下现场探测时,对探测区域附近进行断电处理,同时进行滤波处理,以防止井下用电干扰,然后对3111工作面顶底板岩层富水情况及位置进行探测。本次探测分别在3111进风顺槽、回风顺槽及3109回风顺槽各布置1条测线,然后在测线内按10 m间距布置测点。测线、测点及数据采集布置情况如表1所示。

表1 测线、测点及数据采集布置情况表Table 1 Layout of the survey lines, survey points and data collection

对测点进行编号,然后分别按斜上45°、水平顺层和斜下45°依次对测点进行探测,探测范围如图3中绿色部分所示,探测路线如图3红色箭头所示，探测方向如图4所示。

图3 探测范围及探测路线示意图Fig.3 Schematic diagram of detection range and route

图4 探测方向示意图Fig.4 Schematic diagram of detection direction

4 探测结果处理及分析

数据处理之前先对原始数据进行逐点检查,验证其有效性并统计误差后,进行滤波处理,以达到压制干扰、突出有效信号的目的。然后把井下观测到的磁场变化率dB/dt值按远区的晚期计算公式、视深度的计算公式经过反演转换为视电阻率ρτ(t)和视深度hτ(t)等的参数。在此基础上绘制出相应视电阻率ρτ(t)断面与平面等值线图。瞬变电磁视电阻率等值线断面图中,横坐标为测点长度坐标,纵坐标为沿探测方向上的深度坐标,结合地质及水文地质资料来确定探测区域内横向、垂向深度上煤岩层视电阻率变化情况。现结合以往在本矿区的探测经验以及施工现场实际条件环境,参照现场原始记录,对成果图进行分析处理,排除干扰异常因素,取真存伪,解释成果图中明显异常区。

4.1 3111工作面斜上45°顶板探测结果与分析

3111工作面斜上45°顶板视电阻率等值线断面如图5所示。由图5可知,3111进风顺槽顶板视电阻率为8～45 Ω·m,3111回风顺槽顶板视电阻率为18～65 Ω·m,3109回风顺槽顶板视电阻率为8～45 Ω·m。综合分析3111进风顺槽、回风顺槽和3109回风顺槽顶板的瞬变电磁视电阻率剖面图并结合地质资料可知,3111顶板岩层视电阻率变化相对较大,其岩层富水性弱。

图5 3111工作面斜上45°顶板视电阻率等值线断面图Fig.5 Apparent resistivity contour section of 45° upward roof of 3111 working face

4.2 3111工作面水平顺层探测结果与分析

3111工作面水平顺层视电阻率等值线断面如图6所示。由图可知,3111进风顺槽水平顺层视电阻率为8～60 Ω·m,在450～500 m段出现低阻异常区(8 Ω·m,图6中虚线圈定区域),结合地质资料分析可知,该异常区内煤岩层中裂隙相对发育、有少量裂隙水。3111回风顺槽水平顺层视电阻率为8～65 Ω·m,在450～500 m段也出现了低阻异常区(8 Ω·m,图6中虚线圈定区域),结合地质资料分析可知,该异常区内煤岩层中裂隙相对发育、有少量裂隙水。3109回风顺槽水平顺层视电阻率为4～30 Ω·m,显示为条带状相对低阻体,结合现场探测条件可知,条带状相对低阻体为巷道内金属管道干扰所致。此外,3111工作面水平顺层除450～500 m段出现低阻异常区,煤岩层中裂隙相对发育,有少量裂隙水之外,其他区域视电阻率相对较大,岩层富水性弱。因此,在回采至450～500 m时,应加强水文地质观测,做好防排水工作。

图6 3111工作面水平顺层视电阻率等值线断面图Fig.6 Apparent resistivity contour section of horizontal layer of the 3111 working face

4.3 3111工作面斜下45°底板探测结果与分析

3111工作面斜下45°底板视电阻率等值线断面如图7所示。由图7可知,3111进风顺槽底板视电阻率为8～45 Ω·m,存在一处较小范围的低阻异常区,结合地质资料可知,3111进风顺槽底板岩层富水性较弱。3111回风顺槽底板视电阻率为18～65 Ω·m,视电阻率剖面中存在局部低阻反映,结合地质资料可知,3111回风顺槽底板岩层富水性较弱。3109回风顺槽底板视电阻率为8～45 Ω·m,该测线范围内干扰相对较大,存在一处较小范围的低阻异常区,结合地质资料可知,3109回风顺槽底板岩层富水性较弱。综合三条底板测线的探测结果并结合地质资料可知,3111工作面底板岩层的富水性弱。

图7 3111工作面斜下45°底板视电阻率等值线断面图Fig.7 Apparent resistivity contour section of 45° downward floor of 3111 working face

5 结论

1)对矿井瞬变电磁法基本原理及探测方式进行了介绍,根据永明矿3111工作面实际情况确定了具体探测区域,并确定了测线、测点和探测方向的布置方式。

2)通过对探测数据进行处理,得到了测线在斜上45°、水平顺层和斜下45°方向上的视电阻率等值线断面图,并结合水文地质条件对3111工作面顶底板岩层富水情况进行了分析。结果表明,3111工作面水平顺层在450～500 m段出现低阻异常区,表明该区域煤岩层中裂隙相对发育、有少量裂隙水,在回采至该区域时应加强水文地质观测,做好防排水工作。