瞬变电磁法与激发极化法探测采空区积水试验.pdf

2023年第3 期江西煤炭科技121.瞬变电磁法与激发极化法探测采空区积水试验刘国强（山西古县兰花宝欣煤业有限公司，山西古县0 42 40 0）摘要：宝欣煤矿对3 10 5工作面采空区进行了瞬变电磁法与激发极化法的联合物探勘查试验。瞬变电磁物探采用V-8多功能电法进行勘查，结果显示2#、3#煤层底板界面拟视电阻率等值线存在明显的下凹趋势，拟视电阻率低于8 0 2 m。之后选取了两个测点采用激发极化法进行验证，结果与瞬变电磁法勘探结果吻合。关键词：采空区积水；联合物探；瞬变电磁法；激发极化法中图分类号：TD745+.21Abstract:The paper introduces the integrated geophysical prospecting experiment with transient electromagnetic method andinduced polarization method in goaf of 3105 working face of Baoxin Colliery,in which apparent resistivity contour of floorinterface in No.2 and No.3 coal seam shows a concave trend lower than 80 2m through V-8 multifunctional electrical methodin transient electromagnetic geophysical prospecting and two prospecting points are chosen to be verified through inducedpolarization method,whose results is consistent with the former.Key words:goaf seeper;integrated geophysical prospecting;transient electromagnetic method;induced polarization method我国大部分煤炭是采用地下井工进行开采的，当某一区域煤炭开采完毕，煤层采空，多会产生采空区积水、煤层或顶底板岩层裂隙富水等不利因素。如果采空区积水不及时采取防治措施,则会引起地质条件的恶化，发生地表塌陷、耕地破坏、地下水位下降等灾害，影响煤矿安全生产1-2 。因此，对这些已经开采完毕的采空区积水等不利因素进行勘查，对煤矿的安全生产具有重要的意义。宝欣煤矿为了加强煤矿防治水工作，决定对矿井老采空区及周边水文地质条件进行物探勘探，从源头上有效防范和遏制水害事故的发生。其中，瞬变电磁物探是一种常见的采空区积水探查手段，具有对低阻地质体方面的探测准确率较高、测点布置较为灵活且施工周期短、成本较低的优点3-5,但单一的物探方式难免受地形影响而发生偏差。基于此，拟引人激发极化法作为物探结果的校验技术。两种物探方法对测区进行联合勘查，一方面可减小地形的影响，另一方面还可以进行相互验证，提高物探准确率。1探测方法与技术1.1瞬变电磁法文献标识码：BExperiment on Detecting Goaf Seeper with Transient Electromagnetic Methodand Induced Polarization MethodLiu Guoqiang(Lanhua Guxin Coal Industry Co.,Ltd.,Guxian,Shanxi,042400)等地质体及构造的有效电测方法。瞬变电磁法利用自身非稳定磁场的特性，与其他电法方法相比具有体积效应小，异常反应灵敏、穿透能力强的特点，对高阻覆盖岩层有很好的勘探效果。同时设备可以同步进行测量数据的整理并与勘察同步进行，在节约工期的同时提供了更多实用的地质信息。1.2激发极化法激发极化法的本质是一种电化学反应，通过两个供电电极向地下供以脉冲电流，在地下半空间形成一个稳定的人工电场进行勘查。主要探查岩石中水的固有属性，电测探头通过岩石颗粒含水后，探明其激发极化效应7。试验结果表明,河道两侧、溶洞周边、裂隙砂岩类似的断层带的激发极化效应更为强烈。反映激发极化效应特征的主要参数包括视电阻率p.、极化率、激发极化比J衰减度D等。当电测深反映含水层状态时，相关参数与岩石含水量同比增大。因此在使用激发极化法电测深时，根据参数变化的趋势对地下水文地质情况进行判断。操作人员可以逐步增加供电极距，人工电场的入透深度也随之加深，分析岩层电性文章编号：10 0 6-2 57 2(2 0 2 3)0 3-0 12 1-0 4瞬变电磁法是目前勘查煤田、地下水、采空区122的变化，从而了解到岩层内部空间的分布及埋深情况。2矿区电性特征为了充分了解宝欣矿采空区的积水情况，结合矿井勘探的工作经验，采用瞬变电磁法、激发极化法定点检验法进行勘探。宝欣矿所在矿区内地层较为稳定，按岩层顺序，电性由浅至深表现为由低到高，如表1所示。表1宝欣矿岩层概况岩性岩性组成顺序浅部区域中部二叠系上、下石盒子组及山西组，区域岩性以砂岩、砂泥岩互层及煤层为主深部石炭系太原组，岩性以灰岩、砂岩及区域煤层为主3瞬变电磁法在对矿井地质条件有了一定物探基础后，重点对宝欣煤矿3 10 5工作面进行勘查。该工作面已于2 0 16 年11月2 0 17 年8 月完成回采，现处于采空状态。工作面所处的3#煤层平均厚度1.98 m，煤层结构简单，顶板岩性为粉砂岩、泥岩,底板岩性为泥岩或粉砂岩。试验位置选在此处目的是检验瞬变电磁法在采空积水区和正常煤层等不同情况下是否存在明显的电性差异，如图1所示。各种电源和发射机T-200江西煤炭科技3.1主要装置本次瞬变电磁法勘探采用V-8多功能电法仪。该设备具备重量轻、携带方便、工作温度范围广的特点，设备包括发射控制器及连线、辅助采集站、三相发电机、磁探头等。3.2测线布设本次勘探测点东西向布置，测线由南往北依次增大。根据工程布置原则本次瞬变电磁法勘探布置基本工作量共计93 条测线，坐标点47 0 0 个，检查点2 3 5个，总计工作量为49 3 5个物理点；激发极化法布置测点2 个进行验证。勘探测线的布电性特征置遵循下列原则：第四系，以黄土、粘土为主低阻电性电阻率增大的较高阻电阻率继续增大，高祖特性2023年第3 期(1)基本垂直于构造走向。(2)从实际交通、地理条件出发,将有限的工作量尽可能布置在条件适宜的部位。瞬变电磁法基本施工网度为40 m20m，设计线距40 m，点距为2 0 m。3.3物探试验3105工作面已经回采，经过电磁物探，在15802 2 40 号段2#、3#煤层底板界面视电阻率等值线存在明显的下凹趋势，视电阻率p低于80Q2m，呈低阻电性反应和不均匀体反应，视电阻率断面图较好地反映了地层分布特征，与已知地质资料基本吻合，如图2 所示。发射线框铺设完成后，如果是在高压电线下方，发射框内必然会产生感应电流，因此需要对这个感应电流产生的磁场电磁接收器MG-20MG-30T-15T-30MTC-50MTMTC-30AMTTDEM图1V-8多功能电法仪主要设备进行观察，具体做法是：先不进行供电作业，使用接收机选择观测范围中间的一条测线进行背景场噪声测量；资料处理时，感应二次场电压低于背景电压的将予以舍弃或进行其他处理。在勘探时如遇采空区、含水裂隙、断层、破碎带等异常构造时,地层电性将出现强烈波动。图2 中宝欣矿地层沉积层序稳定，并没有发现明显的地质构造带和断层,地层电性呈由低到高稳定变化的趋势。2023年第3 期江西煤炭科技123.标高14001300-12001100-5565100075900-85800-105700-1151256003550040014001500160017001800190020002100220023002400点号图2试验线拟视电阻率等值线试验断面在使用V-8多功能电法仪对工作面进行勘测后，数据同步进行分析计算、反演推导，最终绘制煤层及异常区的瞬变电磁响应特征图。图中电磁反映特征参差有序，存在明显的变化差异，物探结果与实际地质特征相吻合。初步可以认定试验所确定的采集装置和参数正确有效，并得出以下主要结论：(1)从点试验结果可知，探测深度与发射线框、发射频率关系密切，而与供电电流关系较小。(2)从线试验结果可知,瞬变电磁法所反映的采空区物探效果明显，结合已知资料进行了反演，反演深度最大可达7 50 m以上，从深度上可进一步确定煤层采空探测的层位。根据线试验所反映的采空积水区的物性特征可知，本区采空区为低电阻反映。(3)由于测区地形影响，有些测点无法正点测量，因此可能存在偏移测量或弃点。矿区电阻率统计如表2 所示，勘探区域中奥1000100试验线拟视电阻率断面图O85陶系灰岩和煤系地层的灰岩层组电阻率最高，其次是煤层，电阻率最低区域为上石盒子组地层，如16515514513512511510595758575956585552#、3#951052ps(Q m)图2 所示。表2 探测区电阻率一览地层电阻率/(Q2m)上石盒子组(P2)32216,平均40下石盒子组(P2x)40229,平均10 8山西组(Pis)40459,平均18 911545352515视电阻率/(Q2m)3840200太原组(Ca)541 000,平均 2 16本溪组(Cz)54459,平均2 2 0中奥陶灰岩7004激发极化法校对从试验工作可知，用于探测的仪器性能稳定，采用瞬变电磁法的大定源回线装置探测采空区、采空积水区等地质情况较为有效，选定的采集参数满足本次勘探要求，能够完成本次勘探任务。为证明本次瞬变电磁勘探成果的准确性，使用激发极化法进行验证工作。本次激发极化测量共选取测点2 个，记作编号TEM6-120与编号TEM64-1600。红线表示2#、3#煤层探查结果，该处视电阻率值相对较低（6 0 Q2m），同时极化率较高，达到5%，显示该处为富水异常，对应瞬变电磁法成果所划分的JS1采空积水异常区,如图3(a)所示；在TEM64-1600号点视电阻率值相对变化趋势稳定，极化率较低（仅1%左右），未发现明显异常，对应瞬变电磁法成果所划分的CK1采空异常区。两个测点都间接验证了电磁物探的准确性，并再一次对物探区域进行了详细探查，如图3(b)所示。1000ps(Q m)100-201.000AB/2(m)101010AB/2(m)10100100010101001000AB/2(m)11AB/2(m)110100(a)图3 激发极化法成果1000110(b)10010001245结语瞬变电磁物探结合激发极化直流电测验证，可以确保对矿井采空区探测结果的准确性和可靠性。在施工过程中，作业人员均严格执行有关规范和设计的要求，对野外资料进行了认真采集、检查、验收评级，保证了原始数据质量的可靠性。在资料整理、处理分析和解释过程中，对收集的以往区内、邻区的地质、钻探、物探资料，加以充分参考利用。对原始数据进行精细处理，获得了客观反映地质特征的数据体。激发极化直流电测深验证区域2 处,均与瞬变电磁法勘探结果吻合，验证了瞬变电磁法的准确性。参考文献：1】温建亮，张胤彬.综合电法勘探在山西东南部煤田采空积水区中的应用J.北京：中国煤炭地质，2 0 17,2 9(2):73-75.2武强.我国矿井水防控与资源化利用的研究进展问题(上接 117 页)3)从崩滑流灾害点数量上看，降水集中区与崩滑流地质灾害并非完全呈正相关的趋势，崩滑流地质灾害发生总体上虽随降水量的增加而增加，但对于降水量的高值中心，因为人类工程活动稀少，人口集中区较少，产生的崩滑流地质灾害相对也较少。4)随着降雨强度的增大，崩滑流地质灾害数量总体呈增长趋势，但地质灾害增长幅度呈递减趋势。参考文献：1王旭.白山市浑江区地质灾害发育特征及成因研究 .吉林地质,2 0 2 0,3 9(1)：8 7-91.2林浩，戴巡.海螺沟景区地质灾害基本情况与控制因素(上接12 0 页）2孙豫陇.水文地质特征与矿井水害防治对策J.北京：中国金属通报，2 0 2 2（3）：12 1-12 3.3项树龙.定向钻探在矿井水害防治中的应用J.山西化工,2 0 2 2,42(1):18 1-18 2.4吴改梅.煤保护层技术在矿井水害防治中的应用.太原：能源与节能，2 0 2 1(11)：16 0-16 1.5黄华荣，陈上彬.物探和钻探在煤矿防治水中的应用J.长沙：采矿技术，2 0 2 1,2 1(S1)：7 6-7 8.6高银贵.定向钻进技术在唐家会煤矿区域水害防治中的应用J.长沙：采矿技术，2 0 2 1,2 1(S1)：8 4-8 7.7郭中平.冶坪煤矿矿井水害类型及防治措施J.陕西煤炭,2 0 2 1,40(5):6 8-7 1.8樊娟.黔北矿区青龙煤矿瞬变电磁法在探查岩溶含水层江西煤炭科技和展望J.北京：煤炭学报，2 0 14,3 9（5）：7 95-8 0 5.3】康鸿文，柴新朝.瞬变电磁法及高密度电法在采空区探测中的应用J.武汉：工程地球物理学报,2 0 15,12(2)：167-170.4】高洋.盛泰煤业152 0 2 顺槽瞬变电磁探测富水性应用.江西煤炭科技，2 0 2 0 3)：52-54.5赵电波.瞬变电磁法在煤矿采空区积水探测中的应用.江西煤炭科技，2 0 17(3)：3 0-3 3.6刘树才，刘志新，姜志海.瞬变电磁法在煤矿采区水文勘探中的应用J.徐州：中国矿业大学学报（自然科学版）,2 0 0 5(4)：414-417.7蔡运胜，尹洪岩，张进国，等.激发极化法工作原理方法及应用效果探讨.北京：矿产勘查,2 0 12,3(2)：2 12-2 18.作者简介：刘国强（198 6 一），男，山西长治人，2 0 17 年毕业于北京科技大学煤矿开采技术专业，大专学历，助理工程师，现从事煤矿地测防治水工作。收稿日期：2 0 2 2-0 7-0 8J.四川建材,2 0 19,454)：55-56,6 0.3罗承，陈廷芳，付琪智，等.江油市地质灾害时空分布规律和孕灾环境研究J.武汉：人民长江，2 0 19,50（12)：95-100.4】高红远，夏为平.龙南县地质灾害特征分析J.江西煤炭科技,2 0 17(3):6 3-6 5,6 8.5尹肖.平原丘陵地区路基缺失应急修复技术研究D.重庆交通大学，2 0 18.作者简介：陈冲（1990 一），女，安徽五河人，2 0 13 年毕业于安徽理工大学地质工程专业，工程师，现从事工作和研究方向为水工环地质。收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 5特征中的应用J.抚顺：煤矿安全，2 0 2 1,52（7)：7 2-7 8.9崔瑜科.精准定向钻进技术在矿井水害防治应用J.山西化工,2 0 2 1,41(2)：145-146,16 0.10 梁国胜.矿井水害防治中定向钻探注浆技术的应用研究J.北京：当代化工研究，2 0 2 0（2 4)：3 6-3 7.11尉海潮.矿井水害防治技术的改进方案与应用研究.山西化工,2 0 2 0,40(6)：146-148.作者简介：马敏（1994一），男，山西大同人，毕业于中国矿业大学采矿工程专业（函授），助理工程师，现从事地测防治水工作。收稿日期：2 0 2 2-0 8-0 22023年第3 期编辑：郑学涛编辑：郑在邦编辑：郑学涛