中等构造浅埋深煤层露天矿采空区瞬变电磁法探测.pdf

露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月黑岱沟露天煤矿井田境界内主采煤层为6号复煤层，该煤层厚度大，埋藏较浅，二采区东部区域接近煤层露头，曾经小窑较多。伴随着煤炭资源整合，许多小窑逐渐被关停，由于小窑开采时期，技术与管理模式相对落后，技术资料基本丢失，能够收集到的巷道和采空区信息十分有限1，无法精确判断地下开采信息，严重影响着资源整合后大规模露天开采的安全性2。瞬变电磁法具有探测深度大、效率高、对低电阻响应灵敏、与地质体最佳耦合、受侧向地质体影响小等优点3，利用瞬变电磁法进行初始探测，圈定了低阻异常区后，再通过钻探形式验证，既不影响矿山日常生产又可为安全生产提供技术指导。1研究区地质条件1.1地层研究区位于与柏造黑岱沟露天煤矿矿区中部，地表大面积被风积沙、黄土覆盖，局部沟谷中出露基岩。根据地层露头及钻探资料，矿区内地层由老至新分别是：奥陶系亮甲山组、石炭系本溪组、太原组、二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组、新近系、第四中等构造浅埋深煤层露天矿采空区瞬变电磁法探测李志勇（国能准能集团有限责任公司 黑岱沟露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300）摘要：为探明黑岱沟露天煤矿中等构造程度浅埋深煤层采空区的发育情况，采用瞬变电磁法，通过对数据的电磁干扰压制及校正、反演计算，确定了目标区域的视电阻率；基于视电阻率的变化规律并结合钻探验证，对疑似采空区进行了研究与分析，分析了研究区出现低阻异常区及局部空洞的原因。结果表明：瞬变电磁法结合钻探验证探测煤矿采空区的效果较为显著，为今后煤矿同等地质条件下采空区探测工作提供了一定的技术参考。关键词：露天矿；采空区；瞬变电磁法；低阻异常区；钻探验证中图分类号：TD15文献标志码：B文章编号：员远苑员原怨愿员远（圆园23）03原园园48原园4Detection of transient electromagnetic method in goaf of open-pit coal mine withmedium structure and shallow depth coal seamLI Zhiyong（Heidaigou Open-pit Coal Mine,China Energy Group Zhunge er Energy Co.,Ltd.,Ordos 010300,China）Abstract:In order to explore the development of the goaf in Heidaigou Open-pit Coal Mine with medium structure and shallowburied depth,the article uses transient electromagnetic method to determine the apparent resistivity of the target area through theelectromagnetic interference suppression,correction and inversion calculation of the data.Based on the change law of apparentresistivity and combined with drilling verification,the article studies and analyzes the suspected goaf,analyzes the causes of lowresistivity anomaly and local cavities in the study area The results show that the transient electromagnetic method combined withdrilling verification has a significant effect on detecting the goaf in coal mines,which provides a certain technical reference for thedetection of the goaf under the same geological conditions in coal mines in the future.Key words:open-pit mine;goaf;transient electromagnetic method;low resistance abnormal area;drilling verification移动扫码阅读收稿日期：2022-09-05责任编辑：陈毓作者简介：李志勇（1996），男，内蒙古乌海人，助理工程师，本科，2018 年毕业于中国矿业大学，主要从事露天矿山地质工作。DOI:10.13235/ki.ltcm.2023.03.013李志勇.中等构造浅埋深煤层露天矿采空区瞬变电磁法探测 J.露天采矿技术，2023，38（3）：48原51.LI Zhiyong.Detection of transient electromagnetic method in goaf of open-pit coal mine with medium structureand shallow depth coal seam 允.Opencast Mining Technology,2023,38（3）:48原51.48露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月系马兰组和全新统。研究区由西向东有焦家圪卜向斜、焦巴壕背斜、F4断层、贾巴壕向斜等地质构造，地层倾角平缓，倾角一般5毅耀10毅，局部地层倾角增大，最大为23毅。整体为单斜构造，局部发育有小规模的褶曲和断层，断距最大为10 m，无岩浆岩影响，研究区构造复杂程度为中等类型。1.2煤层及采空区现状太原组6号煤为全区可采煤层，研究区内以往施工21个钻孔，本次施工6个钻孔，共计27个钻孔，均见6号煤，全区可采，可采率100%。6号煤厚度22.35耀36.78 m，平均厚度30.10 m，纯厚度19.90耀33.12 m，平均纯厚度25.27 m。夹矸层数3耀21，多数为12耀14层，夹矸总厚度1.40耀10.33 m，夹矸平均厚度5.05 m，6号煤厚度巨大、结构复杂，为本区主要勘探对象。研究区位于原准旗黑岱沟创业煤矿井田南部，井田面积1.28 km2。依据以往资料，煤矿采用房柱式炮采开采法，最大采高为5耀7 m，而且是采6号煤层中间煤质好的部位，采空区底板标高+1 014.40 m，采区东西长418 m，南北宽328 m，面积100 300 m2，采区位于研究区以外，距离研究区北部边界最小距离42 m，2005年矿井关闭。1.3地球物理特征研究区地层不同岩石因组成成分和结构各不相同，故存在导电性的差异，在勘测的数值方面通常表现为电阻率值的不同。沉积岩中的泥岩、砂岩、砾岩以及灰岩的电阻率递增。含煤地层岩性在垂向上变化明显，表现为在电阻率断面图上电阻率值的减小或增大。在沿地层方向无构造发育的情况下，因其岩性相同表现为电阻率值相对稳定。若煤层被采空后，形成的采空区内存在空洞、局部垮落，会形成许多导通周边及周围地层的裂隙，导致采空区中产生积水，电阻率相较正常岩层差异明显，这是TEM4探测采空区的地球物理基础。根据采条区1期补勘数据，研究区浅部以第四系黄土为主，整体电阻率偏低，至石盒子组，岩性以砂岩、砂质泥岩和泥岩为主，电阻率逐渐增大。下部的山西组及太原组，岩性转变为砂岩、泥岩及煤层，电阻率在整个地层中表现为偏高。最下部本溪组，岩性以泥岩为主，电阻率转为偏低。综上，本次研究区内地层浅至深的电阻率变化特征表现为“低阻-高阻-低阻”5。2瞬变电磁法探测瞬变电磁法机理是利用载流回线作为发射源产生激发磁场，以此激发处于静态磁场中的目标层产生感应涡流，由于采空区与围岩存在电阻率差异，其内部涡流衰减较慢，两者产生的二次场信号不同6-8，通过采集的电磁响应信号换算得到的视电阻率，可判别是否存在采空区。2.1探测实践1）工作布置。本次瞬变电磁法测线方位角为北偏东19.6毅，发射外框长度280 m、发射频率25 Hz，测网密度为40 m 伊 5 m，有效控制面积1.3 km2，共布置接收线框67个，单行排列每次可完成4条测线，依次滚动推进，完成测区瞬变电磁法野外数据采集工作。勘探工作布设测线28条，完成检查点280个，总物理点694 6个。2）野外采集设备压制技术。研究区为露天矿区，存在作业设备等噪声干扰源，使得数据受到干扰影响，施工时采用最大额定功率发射电流，对遇到干扰时，增加叠加次数压制噪声，通过对比叠加500、700、900、1 000次的采样结果，发现跳变程度逐渐减弱，曲线逐渐趋于光滑。3）电磁干扰校正。测区分布有露天矿高压输送电线路，本次勘查数据电磁噪声处理技术是建立在层状地质条件下，通过提取多个采样点，对其进行转置、趋势限差、拟合、再转置9，经过对受影响数据校对，发现与未受电磁干扰的数据变化趋势一致，总体符合研究地层的电性分布规律。4）反演计算。测线布置于研究区南部，测线长度约1 100 m，电阻率值呈现垂向上由低升高的趋势，与数字化后的钻孔电阻率测井柱状图对应较好，与实际地层的电性特征吻合，反演结果真实可靠。6线反演电阻率断面图如图1。图 16 线反演电阻率断面49露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月图 36 号煤附近反演电阻率平面异常示意图图 228 线反演电阻率断2.2资料分析常规地层的情况下，在反演电阻率断面图上等值线较平滑、均一，电阻率的变化规律性很强，呈层状分布；若存在采空区时则表现为相对低阻，低阻异常区电阻率值较整体偏低，等值线分布呈弯曲、形变、条带状；上述情况可在测线反演电阻率断面图上清晰辨识，可据此确定低阻异常区的异常程度和空间分布形态。28线反演电阻率断面图如图2。28线断面长度3 200 m，地形存在一定起伏。共圈出2处低阻异常区，第1处低阻异常区位于52耀282号测点间，分布范围大，局部幅值较强，推测该低阻异常与小窑采空区有关。第2处低阻异常区位于2耀32号测点间，分布范围较小，幅值偏弱，推测该低阻异常与顶板含/富水有关。2.3地质推断在电阻率平面异常图上，若地层层位分布稳定，且不受采空区、含/富水等影响，电阻率值不会产生畸变，在图上表现为等值线分布均匀；反之，若地层中存在采空区、含/富水区，电性的均匀分布特征被破坏，反映在图上为等值线呈密集条带状10-11。6号煤附近反演电阻率平面异常示意图如图3。由图3可知，靠北一侧深色区域代表低阻异常区，浅色及白色区域代表正常的背景区。本次探测对主采的6号复煤层进行了重点分析解释，对异常区进行了编号。1号低阻异常区位于研究区西北部，位置在19耀28线1耀47点之间，该区域局部幅值强，异常可靠，呈面状分布，面积约59 700 m2，推测该低阻异常与砂岩含/富水有关。2号低阻异常区位于研究区北部，位置在21耀28线52耀284点之间，该区域局部幅值较强，异常可靠，呈西北向东南的条带状分布，面积约120 000 m2。通过收集的生产地质报告及已知采掘信息可知，该区域靠近原准旗黑岱沟创业煤矿，该矿主要开采6号煤层，推断该低阻异常与小煤窑采动破坏有关。3号低阻异常区位于测区东部，范围在17耀28线254耀317点之间，呈面状分布，面积约27 900 m2，幅值较弱，异常可靠。推测该低阻异常与砂岩含/富水有关，但不排除采动引起的可能性。3钻探验证与分析1）在3个物探异常区分别布置4个钻孔（ZK3、ZK4、ZK5、ZK6），在异常区外布置2个钻孔（ZK1、ZK2），钻探进尺1 297.00 m，随钻进行地球物理常规测井1 272.00 m，对可能出现的采空区进行井下视频成像观测。对ZK-4孔孔深191.00192.95 m处测井曲线表现为电阻率值降低，自然伽玛值升高，井径突然扩大，判定为砂岩底部裂隙发育空洞。192.95耀197.00 m测井曲线表现为自然伽玛高值，电阻率低值，密度低值，井径无扩大现象，基本接近钻头直径，判定为风化煤。瞬变电磁探断成果与钻孔布置示意图如图4。2）对ZK4全孔进行视频成像，发现空洞处为6煤顶板以上、砂岩以下层位，裂隙十分发育。3）通过物探、钻探、测井、井下电视等勘查手段，查明研究区内无采空区，物探探测的异常区为砂岩50露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月裂隙发育区，局部存在空洞。从地层方面分析，空洞处所在的层位主要岩性为黏土岩、砂质泥岩与泥岩，局部区域存在互层，厚度0.66.0 m，岩石性质软弱，抗剪、抗压强度低，易受外力影响而产生压缩变形，易风化，吸水性强，与水作用易于软化。从岩性和地质构造分析，该层位的岩石岩性松软且遭受构造应力挤压，易于形成空洞。由于夏季降雨的入渗以及抛掷爆破引起的频繁震动均会对该层位的岩石造成影响，从而形成空洞。4结语在6号煤层附近层位圈出3处低阻异常区，1号、3号低阻异常区推断与砂岩含/富水有关，2号低阻异常区推断可能为小窑采空区。圈定的低阻异常区与钻探验证结果一致，说明瞬变电磁法探测中等构造区浅埋深煤层露天煤矿采空区是可行的。物探方法具有多解性，研究地层岩性的变化、煤层风化、岩层裂隙发育等情况也会导致电阻率发生明显变化，必要时可结合钻探、测井、视频成像等勘探手段加以验证。参考文献：员 张家亮，范正祥，贾长亮援阿尔玛勒露天矿采空区探测研究 允 援内蒙古煤炭经济，圆园员愿（怨）：员圆远原员圆愿援圆 刘博文，王振伟，李伟，等援露天矿地下采空区探测与治理技术应用与实践 允 援中国煤炭，圆园员苑，源猿（员员）：源圆原源远援猿 刘轩宇援厚煤层露天矿中深层采空区瞬变电磁法探测应用 允 援内蒙古煤炭经济，圆园圆员（远）：员圆员原员圆猿援源 罗霄，许智海，李正胜，等援多参数综合物探方法在煤矿采空区勘探中的应用研究 允 援煤炭工程，圆园圆园，缘圆（圆）：猿圆原猿苑援缘 侯云英援栽耘酝 在同安采空区积水区探测中的应用 允 援世界有色金属，圆园圆园（员缘）：圆园怨原圆员园援远 杨勇援瞬变电磁和高密度电法在浅埋房柱式采空区探测中的应用 允 援煤矿开采，圆园员苑，圆圆（源）：愿苑原愿怨援苑 王庆，石磊，兰云飞，等援微小盆地倾斜煤层采空区瞬变电磁法探测 允 援 悦栽 理论与应用研究，圆园圆园，圆怨（缘）：缘苑远原缘愿猿援愿 沈礼锋，梁开华，郭延名援 瞬变电磁法在某煤矿采空区探测中的应用 允 援 地下水，圆园员源，猿远（猿）：员园缘原员园远援怨 郭恒援显德汪煤矿采空区瞬变电磁探测实践 允 援 煤矿安全，圆园员怨，缘园（员员）：员源园原员源猿援员园 杨俊峰，张永强援地面分布式三维直流电法对过水通道探查验证 允 援内蒙古煤炭经济，圆园圆园（员）：员源原员远援员员 王俊，刘博文，韩进，等援瞬变电磁探测技术在露天煤矿采空区中的应用研究 允 援煤炭技术，圆园员缘，猿源（远）：员员远原员员愿援图 4瞬变电磁探断成果与钻孔布置示意图51