煤矿采空区瞬变电磁法物探应用实例.pdf

收稿日期２０１９－１０－１０作者简介王志昊（１９８３），男，辽宁阜新人，２０１４年毕业于中国地质大学（北京）地质工程专业，硕士，工程师，现从事地球物理相关的工作。煤矿采空区瞬变电磁法物探应用实例王志昊（中煤邯郸设计工程有限责任公司，河北邯郸０５６０３１）摘要随着城镇化进程的加快，建筑公路铁路桥梁的建设也逐渐向地质条件较差的采空区推进。为探寻进行采空区物探评价的有效方法，开展了瞬变电磁法在邯郸峰峰矿区某采空区物探的实践应用。在原有地质资料的基础上，详述了瞬变电磁法的基本原理以及测点测线的具体布置方案以及数据处理方法；并对所取得的视电阻断面图进行实例分析，且对视电阻率异常区域进行了钻探验证。实践表明，该方法的应用可以准确反映异常区的位置和深度，而且还展现了异常区的影响范围，是较好并且直观的呈现手段。关键词采空区；物探方法；瞬变电磁法；视电阻率；钻探验证中图分类号Ｐ６３１．３２５文献标志码Ｂ文章编号１６７１－７４９Ｘ（２０２０）０３－０１１０－０４ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄｉｎｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｆｍｉｎｅｇｏａｆＷＡＮＧＺｈｉ  ｈａｏ（ＣｈｉｎａＣｏａｌＨａｎｄａｎＤｅｓｉｇｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈａｎｄａｎ０５６０３１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｏｆｕｒｂａｎｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，ｈｉｇｈｗａｙｓ，ｒａｉｌｗａｙｓａｎｄｂｒｉｄｇｅｓｉｓｇｒａｄｕａｌｌｙａｄｖａｎｃｉｎｇｔｏａｒｅａｓｗｉｔｈｐｏｏｒｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｘｐｌｏｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｆｏｒｇｏａｆ，ｐｒａｃｔｉｃｅｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄｉｎｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｉｎｇｏａｆｏｆＦｅｎｇｆｅｎｇｍｉｎｉｎｇａｒｅａｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｄａｔａ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｌａｙｏｕｔｐｌａｎａｎｄｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｏｉｎｔｓａｎｄｌｉｎｅｓｗｅｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ｔｈｅａｃｑｕｉｒｅｄａｐｐａｒｅｎｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｒｏｓｓ  ｓｅｃ  ｔｉｏｎｍａｐｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅａｂｎｏｒｍａｌａｒｅａｏｆａｐｐａｒｅｎｔｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｄｒｉｌｌｉｎｇｓ．Ｐｒａｃｔｉｃｅｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅａｐ  ｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃａｎａｃｃｕｒａｔｅｌｙｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎ，ｄｅｐｔｈａｎｄｉｎｆｌｕｅｎｃｅａｒｅａｏｆｔｈｅａｂｎｏｒｍａｌａｒｅａ，ａｎｄｉｓａｂｅｔｔｅｒａｎｄｉｎｔｕｉｔｉｖｅｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｇｏａｆ；ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄ；ａｐｐａｒｅｎｔｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ；ｄｒｉｌｌｉｎｇｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ０引言随着城镇化建设的加快，城市逐渐扩张到原有地质条件较差的采空区上方，对现有地质条件评价工作提出了更高的要求。煤矿经过开采后资源枯竭，在封矿之后，地下采空区经过多年的空置垮塌后充入水或者空气等过程［１］，形成了不同于原有采矿地质资料的新变化。物探方法是现阶段有效的经济的反映地下采空区实际情况的手段之一［２］，使用物探方法来配合地质勘察钻探，既节约成本又提高时效。多种物探方法的同时应用，可以有效控制地球物理反演的多解性，解释结果可以相互对比佐证。目前，采空区物探方法应用较多的有地震映像法、瞬变电磁法、高密度电法等［３］。采空后岩石的变形、垮塌、破碎使得岩石失去了之前的完整和连续，导致岩体波速和密度同完整围岩相比存在很大０１１王志昊煤矿采空区瞬变电磁法物探应用实例２０２０年的差异。此时，利用地震映像法效果较好，在地震时间剖面会表现出反射波（组）中断，反射波频率降低以及波形不规则、紊乱甚至产生畸变等特点［４－６］，同时，该情况在电法上显示为较高的电阻率。当碎裂的岩石缝隙经过长时间的水的渗透，其充水后的岩石电阻率较小的特征较为明显。此时，瞬变电磁法和高密度电法则应用效果较好。根据前期初步踏勘和资料显示，本次采空区评价的区域地下水丰富，再加上地震方法投入成本较大，而现有高密度电法仪器的探测深度在１５０ｍ以内，因此本次评价采用瞬变电磁法，可实现最深达１３００ｍ范围内的勘探。１工程背景１．１采空区概况采空区位于河北邯郸峰峰矿区北部新区，总面积约３４．６万ｍ２。根据资料搜集，场地为峰峰集团原一矿、泉头矿（原名泉头矿，后合并入二矿，后称泉头矿）井田交界位置，为煤矿采空区，采煤深度约为地面以下２００～５００ｍ，区内主要开采的是２号、４号煤层［７］，采空区具体位置如图１所示。图１峰峰某采空区位置图１．２地质构造构造形态区内断裂构造密集，以ＮＮＥ及ＮＥ走向破碎带最发育，ＮＷＷ向次之，ＮＷ向仅以小断裂形式出现。不同走向的破碎带相互切错，将煤系分割成若干小型地垒、地堑及阶梯状单斜断块组合等构造形态。破碎带特点 ①破碎带性质以正破碎带占绝对优势，煤田勘探揭露的数百条破碎带中，仅发现羊东井田和梧东井田各有一条小型逆破碎带； ②破碎带具有多期活动性，多数为压扭性正破碎带； ③破碎带平面组合多为“ Ｓ ” 形，反映扭动走滑特点。２瞬变电磁法应用２．１基本原理提到瞬变电磁法就不得不提激发、感应、二次场这几个关键词。激发，就是在地面或者某处通过不接地的回线向地下发射一次脉冲磁场。感应，是指地下目标体通过一次脉冲磁场的作用产生变化而做出的回应。二次场，就是指回应的结果，目标体产生的二次感应涡流场。在一次脉冲磁场间歇期间，在地面利用线圈来观测地下目标体中引起的二次场，这个过程就是瞬变电磁法的基本工作方法［８－１０］。由于一次场是随时间变化的，它从零到强再到无，并在地下目标体中产生感应电流，一次场归零后，目标体产生的感应电流也由于损耗而随时间衰减。通过对目标体产生的二次场的观测，就可以判断出地下目标体的物理性质的不同，主要关注的物理量就是电阻率。瞬变电磁所观测的原始数据，是各测点的各个测道的瞬时感应电压，通过计算，转换成视电阻率、视深度等参数。绘制成瞬变电磁多测道断面图、瞬变电磁等视电阻率拟断面图来确定地下采空区边界位置及其深度。２．２测线的布置仪器及参数瞬变电磁法使用的仪器为武汉地大华睿地学技术有限公司生产的ＣＵＧＴＥＭ－８型资源勘查型瞬变电磁仪，通过对目的层深度的计算和现场试验，选择激发线圈和接收线圈边长为５ｍ，正方形布置。其他参数依次为激发线圈匝数２匝，接收线圈匝数３匝，电缆８芯，探头等效面积６００ｍ２。供电电流档选择１００Ａ，供电脉宽１０ｍｓ，采集信号叠加次数１５次。测线测点同时通过以往收集资料和物探方法解释结果，布置钻孔加以验证，在场地四周约８００ｍ范围内布置瞬变电磁测网。测网大小为２０ｍ（点１１１第３期王志昊煤矿采空区瞬变电磁法物探应用实例距）２０ｍ（线距），共布置瞬变电磁测线３６条，自西向东编号为１～１．５～２～２．５～爥～１８～１８．５～１９，瞬变电磁测点１５１７点，测网位置如图２所示（瞬变电磁测线为近南北向蓝色实线，图中只显示了整数线１，２，３爥１８，１９）。图２测线及钻孔布置图（深色线为瞬变电磁法测网，浅色线为可控源大地音频法测线，黑点为验证钻孔，黑框为测区范围）２．３资料处理视电阻率断面图数据采集后，通过专业的处理软件采用瞬变电磁电流归一化法计算得出每一条测线上每个点随深度变化的视电阻率。按线成图后得到视电阻率断面图。每条断面图通过颜色的深浅变化表达视电阻率的高低，由低到高，相同的视电阻率用实线相连，形成圈闭异常。切面图得到断面图后，可以进一步处理得到切面图。将每个断面图中的视电阻率数据汇合后，按照深度重新排列。其中，需要对断开的数据用Ｓｕｒｆ  ｅｒ软件进行平滑处理，进而提取到某一特定深度的切面图［１１－１２］。如果地表变化剧烈，可以加入地形校正。本区域地形变化不大，不需要进行地形校正。３数据分析３．１视电阻率断面图本次瞬变电磁工作，共获得视电阻率断面图３２张，选取部分具有代表性的图进行具体解释分析。测线１测线１瞬变电磁视电阻率断面图如图３所示。从图中可以看出，该测线位置在－１００～－３００ｍ深度范围内存在６个视电阻率曲线异常区域（图中用虚线圈出），推测１～３异常可能为采空区异常，均为低阻异常区域含水性强。推测４、６异常可能为采空区异常，为高阻异常区域含水性弱。根据地质钻探资料显示，推测异常６为２号煤引起的采空区，异常４为４号煤引起的采空区。２１１陕西煤炭２０２０年测线３测线３瞬变电磁视电阻率断面图如图５所示。从图中可以看出，该测线位置在－１００～－３００ｍ深度范围内存在７个视电阻率曲线异常区域（图中用虚线圈出），推测１～３异常可能为采空区异常，均为低阻异常区域含水性强。推测５异常可能为采空区异常，为高阻异常区域含水性弱。由于异常５的面积较大，根据地质钻探资料显示，推测异常５为２号煤、４号煤共同引起的采空区。测线４测线４瞬变电磁视电阻率断面图如图６图４测线２瞬变电磁视电阻率断面图图３测线１瞬变电磁视电阻率断面图测线２测线２瞬变电磁视电阻率断面图如图４所示。从图中可以看出，该测线位置在－１００～－３００ｍ深度范围内存在５个视电阻率曲线异常区域（图中用虚线圈出），推测１、２异常可能为采空区异常，均为低阻异常区域含水性强。推测３异常为破碎带异常。推测４、５异常可能为采空区异常，为高阻异常区域含水性较弱。由于异常５的面积较大，根据地质钻探资料显示，推测异常５为２号煤、４号煤共同引起的采空区。图５测线３瞬变电磁视电阻率断面图所示。从图中可以看出，该测线位置在－１００～－３００ｍ深度范围内存在６个视电阻率曲线异常区域（图中用虚线圈出），推测１、３异常可能为采空区异常，均为低阻异常区域含水性强。推测４、５、６异常可能为采空区异常，为高阻异常区域含水性弱。根据地质钻探资料显示，推测异常５为２号煤引起的采空区，异常６为４号煤引起的采空区。图６测线４瞬变电磁视电阻率断面图３．２视电阻率切面图及钻探验证西侧－２００ｍ电阻率切面图通过结合已知地质资料，在分析煤层控制深度的基础上，结合瞬变电磁视电阻率断面图，本次探测在西侧区域取得１张，－２００ｍ（地面为０ｍ）视电阻率切面图，如图７所示。可以看出西侧瞬变电磁测区范围内共存在６个视电阻率异常区域（虚线内，编号为Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３），推测可能为采空区异常，其中Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３异常区域含水性较强，Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３异常区域含水性较弱。参考收集到的以往资料，在Ｇ１区域通过钻探加以验证，在－２００ｍ深处有矿道垮塌残留，煤渣和采矿用支撑木残留，干燥，密实，水含量很低，因此在视电阻率图上显示为高电阻异常。东侧－１５０ｍ电阻率切面图在东侧区域取得１张－１５０ｍ（地面为０ｍ）视电阻率切面图，如图８所示，可看出，东侧瞬变电磁测区范围内共存在４个视电阻率异常区域（虚线内，编号为Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４），推测可能为采空区异常和破碎带异常，均为含水性较强区域。参考以往资料，在Ｄ１区域通过钻探加３１１第３期王志昊煤矿采空区瞬变电磁法物探应用实例４结语煤矿采空区是夹杂地质变化较为复杂的区域，除了常见的采空因素影响，地质构造变化也为采空区的准确评价带来了一定的困难。通过本次勘察，煤矿矿道垮塌后可以产生两种视电阻率异常，一是巷道内充水，则产生视电阻率低阻异常区；二是垮塌时间较长的巷道，由于压实作用，水含量降低，而原有煤和采矿残留物，如木渣等，都是高阻体，因此也会产生视电阻率高阻异常；二者均应通过钻探加以验证。视电阻率切面图不仅准确反映了异常区的位置和深度，而且展现了它的影响范围，是较好并且直观的呈现手段。（下转第１６５页）图８－１５０ｍ电阻率切面图图７－２００ｍ电阻率切面图以验证，在－１５０ｍ深处取样明显碎裂不整，且其上部岩性和下部岩性明显不同，可判断为破碎带且含水，因此在视电阻率图上显示为低电阻异常。械，２０１１，３９（１１）１２－１６．［４］王凯．基于刮板输送机负载预测的采煤机调速技术研究［Ｄ］．徐州中国矿业大学，２０１５．［５］谷勇．基于模糊控制的采煤机截割自动调速控制系统［Ｊ］．煤矿机械，２０１３，３４（１２）１５１－１５３．［６］邱锦波．滚筒采煤机自动化与智能化控制技术发展及应用［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１３，４１（１１）１０－１３．［７］王国法．煤矿综采自动化成套技术与装备创新和发展［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１３，４１（１１）１－５．［８］曹哲哲，肖曲．大采高智能化综采工作面矿压监测探讨［Ｊ］．陕西煤炭，２０１８，３７（５）１３６－１３８．［９］王金华．我国煤矿开采机械装备及自动化技术新进展［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１３，４１（１）１－４．［１０］吴宁，杨波．大采高智能化采煤控制技术在黄陵二号煤矿的发展［Ｊ］．陕西煤炭，２０１９，３８（６）１０３－１０６．［１１］于月森，左腾，周娟，等．薄煤层综采工作面自动化技术综述［Ｊ］．工矿自动化，２０１３，３９（５）２７－３０．［１２］高小强．综采工作面自动化系统研究及在神东的应用［Ｊ］．煤矿机械，２０１７，３８（３）１１８－１２０．［１３］卢超．基于ＣＡＮ总线分布式矿井温湿度监测系统研发［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１１，３９（９）９４－９９．［１４］孙继平．安全高效矿井通信系统技术要求［Ｊ］．工矿自动化，２０１３，３９（８）１－５．［１５］战江波，宋建成，耿蒲龙．基于ＣＡＮ总线的矿用通信分站的研究［Ｊ］．工矿自动化，２０１１，３７（１０）５１－５５．［１６］孙继平．矿井通信技术与系统［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１０，３８（１２）１－３．［１７］袁臣虎，王臻，李秀艳，等．基于ＭＯＤＢＵＳ协议的触摸屏与ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２串行通信研究［Ｊ］．天津工业大学学报，２０１０，２９（２）檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪６３－６７．（上接第１１３页）参考文献［１］周琛杰．高密度电法与ＡＭＴ在断裂构造调查中的综合应用综合物探技术在采空区勘探中的应用［Ｊ］．工程地球物理学报，２０１７，１４（３）３００－３０７．［２］李生生，高晓耕，周禹良，等．综合物探技术在采空区勘探中的应用［Ｊ］．煤矿安全，２０１６，４７（７）６２－６５．［３］李柬谷．地面－巷道瞬变电磁法探测采空区积水的应用［Ｊ］．陕西煤炭，２０２０，３９（１）１５５－１５９，１３５．［４］王江，谢永毅，李志军，等．煤矿多层采空区勘察中综合物探方法的应用［Ｊ］．西部探矿工程，２０１８，３０（１１）１１４－１１６，１２１．［５］曹静，吴灿灿．地面瞬变电磁法对采空区赋水情况的应用研究［Ｊ］．长春工程学院学报（自然科学版），２０１７，１８（２）１００－１０３．［６］王轩．瞬变电磁法在山西某矿采空区含水性探测中的应用［Ｊ］．河北地质大学学报，２０１９，４２（３）６１－６４．［７］敬复兴．峰峰矿区２号煤层瓦斯赋存规律及主控因素研究［Ｄ］．焦作河南理工大学，２０１０．［８］熊剑飞，胡建强，刘忠喜．瞬变电磁法在采空区探测中的应用［Ｊ］．陕西煤炭，２０１９，３８（４）１６３－１６６，１２２．［９］陈继宏，罗强．瞬变电磁法在煤矿采空区勘探中的应用［Ｊ］．云南化工，２０１９，４６（２）１４７－１４９．［１０］陈义伟．瞬变电磁法和钻探验证在煤矿防治水中的应用［Ｊ］．陕西煤炭，２０１８，３７（Ｓ１）１３７－１４０．［１１］严良俊，徐世浙，胡文宝，等．中心回线瞬变电磁测深全区视纵向电导解释方法［Ｊ］．浙江大学学报（理学版），２００３，３０（２）２３６－２４０．［１２］张军，李貅，赵莹，等．瞬变电磁虚拟波场高分辨成像技术研究［Ｊ］．地球物理学进展，２０１１，２６（３）檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪１０７７－１０８４．（上接第９１页）［１０］韦涛，马钊，苏剑，等．配电网规划计算分析软件研发与应用［Ｊ］．南方电网技术，２０１６，１０（５）３８－４４．［１１］潘明明，丁坚勇，周凯，等．基于分层搜索算法的超高层建筑供用电可靠性评估［Ｊ］．电网技术，２０１５，３９（６）１６３１－１６３６．［１２］刘洪，李吉峰，张家安，等．考虑可靠性的中压配电系统供电能力评估［Ｊ］．电力系统自动化，２０１７，４１（１２）１５４－１６０．［１３］崔立忠，张瑞雪，刘涛，等．复杂配电自动化系统可靠性计算及设备布局规划［Ｊ］．电力系统自动化，２０１７，４１（２０）８４－９１．５６１第３期杨波吴宁智能化综采管理平台中多源异构数据处理

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