煤矿井下瞬变电磁法探测煤层上覆采空区积水实践*

马 为,林 星,刘 正

(天津市地球物理勘探中心,天津 300170)

0 引言

开展探测工作的煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆神矿区内,井田煤炭资源丰富,4-3煤层是该矿的主采煤层。431303工作面位于井田中部,根据已有的水文地质报告、物探及钻探资料可知,4-3煤层回采期间的主要水害为上覆4-2煤层采空区积水。前期探放水及涌水监测结果证实大部分积水已放空,但仍残存少量动态水及小范围低洼积水,回采至局部低洼点时仍存在瞬时涌水量激增造成水害的可能性。根据“物探先行、钻探验证、综合治理”的防治水工作原则,在工作面回采前利用井下瞬变电磁技术对4-3煤层顶板采空区内残留积水情况进行探测。

1 井下瞬变电磁技术原理及特点

瞬变电磁法又称时间域电磁法(简称TEM),地表观测时是利用敷设的不接地回线发射脉冲电磁场,在脉冲电磁场间歇期间,由地下介质感应产生的二次涡旋电流向半空间扩散传播(即“烟圈效应”),通过观测携带地下介质信息的二次场时间和空间分布特征及变化规律,通过处理解释(包括定量反演及地质推断)分析对应的介质形态、位置及电性特征,进而达到探测地质体(采空区、破碎冒落带等)的目的[1]。井下瞬变电磁法是在井下巷道内进行观测,不同于半空间扩散方式,存在全空间效应[2],如图1所示。

图1 井下瞬变电磁法勘探原理示意Fig.1 Principle of transient electromagnetic exploration in mine

高阻煤层易于电磁波的传播,不存在直流电场的高阻屏蔽性,接收线圈接收到的信号是观测点周围全空间岩石电性的综合反映。因而在判定异常体空间位置时,需根据线圈平面的法线方向并结合地质资料加以综合分析确定[3-4]。井下瞬变电磁法兼顾瞬变电磁法的优势,即观测纯二次场、不受高阻层屏蔽、对低阻异常敏感、人工发射源可加大电流压制随机干扰、定向性好、测量距离大等[5-8],且可在巷道中更接近探测目标体,具有距离优势,实现小点距精细探测。因此,目前被广泛应用于解决侧帮及煤层顶底板含水构造探测、掘进面超前预报等矿井地质问题[9-15]。实际应用过程中,由于实施地点的特殊性,需要考虑巷道空间条件、支护类型和线缆、变压器以及大型机械车辆的影响。

2 矿井水文地质条件及物性

2.1 井田地质

井田地表基本被第四系覆盖,仅北东部沟谷中有基岩出露。根据已有地质勘探成果,地层由老至新依次为:三叠系永坪组(T3y)、侏罗系延安组(J2y)、直罗组(J2z)、新近系保德组(N2b)、第四系。其中侏罗系延安组(J2y)为井田含煤地层,主采煤层为延安组第2段(J2y2)的4-4、4-3、4-2煤层。井田内断裂不发育,井田南部存在一倾向北西的单斜构造。区内含水层以侏罗系延安组基岩裂隙承压含水层为主,矿井水来源于煤层顶板、底板砂岩水,主要充水方式为裂隙水,大气降水及第四系潜水通过开采形成的导水裂隙带进入下伏工作面。此外,4-2煤层采空区积水是邻近工作面的间接充水水源,是下伏4-3煤层开采的主要充水水源。

431303工作面位于井田南部,为431盘区第3个回采工作面,主采4-3煤层,工作面顺槽长度均为1 650 m,切眼长度200 m,胶运巷掘进断面尺寸为5.7 m×3.0 m,煤层平均厚度1.14 m,采用综合机械化采煤工艺。根据已有资料,整体位于4-2煤层采空区之下,四周均为实煤区。工作面采空区采取封闭并预埋泄水孔的方法排放积水,采空积水区受波状背斜构造影响形成多个互不连通的积水区。

2.2 物性特征

岩石导电性差异(即电阻率大小)是井下瞬变电磁法进行采空区探测的前提条件。本区地层的沉积序列比较清晰,431303工作面上覆岩层为侏罗系中统延安组(含4-2煤层)及新生界,主要为粉砂岩、细粒砂岩、基岩风化层、第四系粘土、沙土层等,其中煤层电阻率值相对较高、砂岩次之、粘土岩类最低,见表1。

表1 431303工作面煤系地层顶板以上岩石电阻率值Table 1 Resistance of rock above the coal strata roof in 431303 working face

在原生地层状态下,导电性特征在纵向上有其固定的变化规律,即由浅至深电阻率逐步增大,而在横向上相对比较均一。当存在采空区、裂隙破碎带时,由于地下水的流动性及电离作用导致局部电阻率下降,形成局部低阻闭合异常,与围岩产生明显的电性差异,故可以通过瞬变电磁法进行采空积水区探测。

3 仪器与施工方法

3.1 仪器及工作参数

受限于巷道空间,井下瞬变电磁均采用多匝小线圈开展工作。本次勘探使用加拿大Geonics公司产PROTEM-EM47加强型系统型仪器,接收与发射系统相对独立,采用参考电缆同步。观测装置采用偶极-偶极(图拉姆型),以便与地下(探测方向)异常体产生最佳偶合响应。高频接收线圈偶极距10 m,移动发射线圈采用边长为2 m×2 m的48匝发射回线,以12 V外接电瓶供电时,电流最大可超过6 A;工作频率25 Hz,工作模式30门,采集增益为1,叠加时间4～15 s,关断时间1 μs。

3.2 施工方法

采集点距10 m。实际测量中,依据线框法向探测原则,在2条巷道内分别进行如图2所示的θ=30°、60°、90°这3个方向的探测。井下工作时,收发偶极固定距离移动,完成数据采集,数据自动存储。为确保数据质量,采集过程中对巷道附近做停电处理,观测点避开了掘进机等大型金属物,确保电缆及金属管路不能横穿发射及接收线圈,以减小干扰。探测起点为431303工作面东侧运输大巷向东30 m为剖面0点共计完成井下瞬变电磁测深点332个,2条剖面总长度3 300 m。

图2 井下瞬变电磁法探测方向Fig.2 Direction of transient electromagnetic exploration in mine

数据处理使用WPTEM地下全空间瞬变电磁处理与解释系统,完成了数据编辑及电阻率反演计算,绘制多道响应曲线及等效视电阻率断面,等效视电阻率值采用全空间模型计算,其值的高低表明了岩石、地层间的电性差异。

4 探测效果分析及验证

工作面顶板至地表的岩石物性表明,粉砂岩、煤层及放水处理后的采空区均为高阻,探测目标为顶板100 m范围内的采空积水区,即“高阻背景中的低阻异常”,一般等效视电阻率在25 Ω·m以下的异常为重点研究对象。由于原始地层纵向成层、横向电性变化小,反演电阻率结构中的横向低阻异常主要由后期认为改造(采空、坍塌等)引起,其异常形态与地质体性质有关,原则上闭合低阻异常反映了采空区积水,而向上贯通的条带状低阻异常则疑似冒落带。

图3、图4分别为胶运巷和回风巷顶板瞬变电磁探测等效视电阻率等值线断面图,横坐标为观测剖面长度,纵坐标为沿探测方向的距离,数值为计算的等效视电阻率值。

图3 胶运巷等效电阻率断面图及采空积水区推断Fig.3 Section of belt transportation roadway equivalent resistance and prediction of goaf water

回风巷与胶运巷等效电阻率断面图反映了分别从南北两侧对431303工作面顶板以上含水性进行的探测结果,二者具有较好的一致性,由于2条剖面间隔200 m,剖面结果中反映的同一位置低阻异常表征了采空积水的横向连续性,便于后续对积水量进行判断。

从胶运巷内30°、60°、90°这3个探测方向的等视电阻率断面图分析,距顶板25 m处横向上可见4处电阻率小于25 Ω·m的低阻圈闭异常,除B-2异常呈低阻条带向上延伸,符合冒落带特征外,其余异常均为闭合低阻,其异常幅值小于25 Ω·m,其周边地层形态符合低洼特征,推测为采空区残留积水所致。回风巷探测结果中均为低阻闭合异常,相对而言异常的横向规模更大,分析与南侧工作面回采已完成、煤层坍塌有关,也表明地层倾向变化易于积水残留,预测水量大于北侧。

图5为431303工作面顶板以上25 m处电阻率平面图,结合已知水文地质资料推断图中3处低阻异常为采空积水所致,合计积水总面积90 063 m2。为提高探测结果精度,在431303工作面地表投影处施测地面瞬变电磁剖面一条,同样证实在深度约为113 m处存在2处闭合低阻异常,对应了JS-1与JS-2这2处推断采空积水区,与井下瞬变电磁探测结果吻合。

图5 工作面顶板上25 m视电阻率等值线平面图及推测采空积水区Fig.5 Plane of apparent resistance isoline at 25 m above working face roof and prediction of goaf water

矿方本着“有疑必探”的原则对4-2煤层采空区残留积水实施打钻放水作业,34个疏放钻孔中12个位于推测的3处采空积水区。其中8个孔出水,出水量1.6～6.0 m3/h,最大涌水量为6.1 m3/h。井下瞬变电磁探测成果对准确部署疏放水孔、保证回采工作的顺利开展起到了关键作用。

5 结论

(1)采用井下瞬变电磁法在431303工作面胶运巷及回风巷分别布设剖面,观测30°、60°以及90°3个探测方向的数据。实践表明,井下瞬变电磁法装置形式灵活,可实现多角度顶板富水性探测,在巷道内贴近探测目标工作,可实现高密度、小点距采集,显著提高了探测的分辨率。

(2)通过全空间模型反演,克服了接收回线平面上下(或两侧)地层对异常定位的影响,获得了工作面顶板100 m范围内的可靠电性结构,结合已知的水文地质资料推断了3处低洼采空积水区,后经钻孔验证均存在积水,单孔涌水量为1.6～6 m3/h,证实了井下瞬变电磁法探测工作面顶板富水特征的准确性和有效性。

(3)受井下工作条件限制,在探测过程中需要尽量避免矿井设备等人为设施的影响,同时在巷道内金属管线干扰抑制和消除、感应电磁场全空间扩散规律研究等方面仍需加强研究。