PROTEM–47瞬變電磁儀在采空區(qū)探測中的應用

PROTEM–47瞬變電磁儀在采空區(qū)探測中的應用

摘要：內(nèi)蒙古某露天煤礦采場內(nèi)小煤窯分布廣，采空區(qū)采動范圍難以掌握，這給煤礦的安全生產(chǎn)工作帶來極大的安全隱患。為了查明采空區(qū)的分布狀態(tài)，并確定采空區(qū)的大小和范圍，利用PROTEM-47瞬變電磁儀器，采用多匝重疊小回線對該礦區(qū)不明采空區(qū)進行探測，以相對高阻和相對低阻相結(jié)合的方式推測解釋采空區(qū)，取得了良好的勘探效果。關(guān)鍵詞：PROTEM-47瞬變電磁儀；采空區(qū)；小回線源；1引言在煤層埋藏較淺的礦區(qū),由于小煤窯的隨意開采,存在許多不明采空區(qū),這些采空區(qū)的存在對煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅,并對地面建筑、地面工程結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定造成危害。煤礦地下采空區(qū)破壞了地基原有的應力平衡,由此引發(fā)了采空區(qū)塌陷和持力層破壞等工程地質(zhì)問題。近年來，為了減少老窯采空區(qū)對礦山正常安全生產(chǎn)的威脅，或滿足煤礦采空區(qū)內(nèi)大型建（構(gòu)）筑物選址的需求，國內(nèi)科研機構(gòu)和高校在應用物探方法探測采空區(qū)方面開展了一系列卓有成效的工作[1-2]。內(nèi)蒙古某露天煤礦東部分布大量采空區(qū)，該區(qū)域作為開采區(qū)的排土場，重載車輛密集作業(yè)，易致使未塌陷采空區(qū)陷落造成安全事故。為了安全生產(chǎn)、充分利用有限資源，采用小回線源瞬變電磁測深法進行采空區(qū)探測工作，以解決煤礦所需。2瞬變電磁法基本原理瞬變電磁測深法原理可以用“煙圈效應”來解釋。在發(fā)射電流剛關(guān)斷時，該環(huán)狀線電流緊接發(fā)射回線，與發(fā)射回線具有相同的形狀。隨著時間推移，該電流環(huán)向下、向外擴散，并逐漸變形為圓電流環(huán)。等效電流環(huán)很象從發(fā)射回線中“吹”出來的一系列“煙圈”，因此，人們將地下渦旋電流向下、向外擴散的過程形象地稱為“煙圈效應”[3-4]。從“煙圈效應”的觀點看，早期瞬變電磁場是由近地表的感應電流產(chǎn)生的，反映淺部電性分布；晚期瞬變電磁場主要是由深部的感應電流產(chǎn)生的，反映深部的電性分布。因此，觀測和研究大地瞬變電磁場隨時間的變化規(guī)律，可以探測大地電位的垂向變化，這便是瞬變電磁測深的原理[5-6]。3采空區(qū)地球物理特征地層中的煤層被開采以后，在地下巖層間形成一定規(guī)模的空間，周圍的應力平穩(wěn)狀態(tài)遭受破壞，產(chǎn)生局部的應力集中，采空區(qū)上方巖層在重力作用下發(fā)生塌陷，造成煤層上覆巖體失去原有平衡狀態(tài)而發(fā)生一定程度巖移,破壞了巖石的完整性、連續(xù)性,致使巖層破碎和出現(xiàn)大量的空隙和裂隙，故該處電阻率會偏高于完整巖石處的電阻率，不明顯時則會出現(xiàn)視電阻率等值線的波動，明顯時表現(xiàn)出相對的高阻特性；而采空區(qū)域的空隙被水或泥質(zhì)所充填后，該處的電阻率將明顯低于周圍完整巖石的電阻率，表現(xiàn)出一定的低阻特征，這樣就為瞬變電磁法勘查采空區(qū)提供了前提條件[7]。4探測效果分析4.1參數(shù)設(shè)置本次探測使用PROTEM-47型儀器，采用24匝m小回線源中心回線裝置形式，基本頻率25Hz，供電電流2.5A。4.2礦區(qū)地質(zhì)概況本區(qū)屬于半地塹型盆地，煤層埋深40～80m，煤層頂板以粉砂巖、泥巖、中粗砂巖為主，成巖作用低，屬軟巖層。共含6個煤層群共13個煤層，其中12煤層厚度大且較為穩(wěn)定，是露天勘探目的層，主要由黑褐色煤、炭質(zhì)泥巖、灰—深灰色泥巖、灰—淺灰色粉砂巖、細砂巖、中砂巖、粗砂巖、砂質(zhì)礫巖等組成。構(gòu)造形態(tài)基本上是一個走向接近東西而南、北兩側(cè)分別被F3和F4兩條傾斜相向的張扭性盆緣斷裂所控制的向斜盆地。本區(qū)斷層不發(fā)育，僅發(fā)現(xiàn)一條屬正斷層。礦區(qū)內(nèi)采空區(qū)基本表現(xiàn)為高阻特征，但在雨季部分采空區(qū)表現(xiàn)為低阻異常。4.3探測成果分析根據(jù)以往工作經(jīng)驗及本次工作的試驗情況，參考多種電性參數(shù)斷面和平面圖，解釋采空區(qū)的分布范圍。采空區(qū)異常推斷解釋原則：①相鄰電性剖面異常形態(tài)的相似性；②異常位置符合采礦等地質(zhì)規(guī)律；③異常位置與地表已知采礦活動相關(guān)聯(lián)；④采空區(qū)異常要排除地面工業(yè)、設(shè)施和人文干擾；⑤采空區(qū)異常要排除大面積低電阻率值的區(qū)域地層等影響因素。由于野外測量所得并不是地下地質(zhì)體的真電阻率值，而是視電阻率，與地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)，地形起伏、特殊構(gòu)造的存在等有著關(guān)聯(lián)，所以，在進行采空區(qū)范圍確定時，我們采用的是相對異常范圍的概念，根據(jù)視電阻率等值線平面圖，將該區(qū)域內(nèi)的視電阻率高值區(qū)域包圍的相對低阻區(qū)域劃定為異常區(qū)域，并結(jié)合已知的開采等地質(zhì)條件，確定采空區(qū)含水，故將低阻異常劃定為富水區(qū)，高阻異常區(qū)劃定為采空區(qū)空洞。充水采空區(qū)呈低阻反應，而采空區(qū)空洞呈現(xiàn)高阻異常區(qū)如圖1的TEM-2線120#-145#點號處。圖1TEM-2線視電阻率斷面圖本次探測為礦區(qū)提供了13個異常區(qū)，其中Y異常區(qū)有6個，W異常區(qū)有7個。在W異常區(qū)內(nèi)除W2和W3自然塌陷沒有治理外，其余各異常點均為采空區(qū)，這也就是說明在W異常區(qū)內(nèi)的解釋成果良好。5結(jié)論1）采用該系統(tǒng)在露天礦進行采空區(qū)探測，具有投入少、施工效率高、分辨率高、對低阻反應靈敏和抗干擾能力強等優(yōu)點，在該礦區(qū)采空區(qū)探測中取得了的勘探良好；2）小回線源裝置避免了大發(fā)射回線因施工中的邊緣效應影響探測精度的缺陷，并能夠在勘探區(qū)域內(nèi)靈活布置測線；3）在有效數(shù)據(jù)采樣延時內(nèi)，該系統(tǒng)能夠達到理想的探測深度，并且能夠反映出高阻層下低阻層的存在；4）但該系統(tǒng)采用小回線源裝置時存在較強暫態(tài)過程，關(guān)斷時間較長，致使淺部地層無法識別。參考文獻：[1]陰建康，閆述，陳明生．瞬變電磁法小發(fā)射回線探測裝置及其應用[J]．煤田地質(zhì)與勘探，2007，35（3）：66-68．[2]張運霞，韓自豪，周建雄等．PROTEM67D瞬變電磁儀器在礦井水文地質(zhì)勘探中的應用效果[J]．工程地球物理學報，2005,2(2)：123-128．[3]李貅．瞬變電磁測深的理論與應用[M]．西安：陜西科學技術(shù)出版社，2002．[4]蔣邦遠．瞬變電磁法勘探[M]．北京：地質(zhì)出版社，1998．[5]劉樹才，岳建華，劉志新．煤礦水文物探技術(shù)與應用[M]．徐州：中國礦業(yè)大學出版社，