多层采空区综合物探方法研究

１ 瞬变电磁法探测采空区的地球物理学特征 当煤层未被采动时 ， 地层一般具有成层性和完 整性 ， 在 小 区 域 内 ， 同 一 地 层 的 电 性 差 异 不 会 太 大 ，电性分 布 横 向 上 相 对 均 一 。 当 煤 层 被 采 动 后 ， 会产生自然的顶板冒落现象 ， 顶板一定范围内岩石 垮落松散 ， 在采煤边界 ， 由于采空影响 ， 岩层被剪 切破坏 ， 采空上方的岩层会产生沉降 ， 采煤边界会 产生裂隙带 。 煤层被整体开采情况下 ， 顶板上方地 层会产生整体 相 对 均 匀 沉 降 ； 当 煤 层 被 凌 乱 开 采 ， 保留煤柱较多时会产生不均匀沉降 。 在瞬变电磁法 中 ， 电阻率 是 表 征 煤 以 及 围 岩 性 质 的 重 要 物 理 参 数 ， 围岩和煤的电阻率变化是根据成分 、 结构及所 含水分等因素的改变 ， 而在较大范围内变化 。 煤层采动 后 ， 地 下 大 致 会 出 现 两 种 状 况 ： 其 一 ， 就是采动区顶板垮落 ， 采空区为坍塌物和空气 充填 ， 无水或水很少 ， 这种情况下一般采空空间的 电阻率较围岩高 ； 其二 ， 就是采动区顶板垮落 ， 采 空区为坍塌物和水充填 ， 由于水的充填 ， 将导致采 空空间的电阻率较围岩低 。 其实煤系地层中所含水 的导电性直接影响着岩层电阻率 。 当陷落柱或断裂 带中充水时 ， 由于水的导电性好 ， 会在视电阻率剖 面上呈现局部低阻的情况 ； 当发育构造含水量较少 甚至不含水时 ， 导电性变的很差 ， 局部的电阻率值 会偏高 。 以岩石导电性差异的地球物理学特征为基 础 ， 在纵向和横向上的变化规律 ， 能够充分地为矿 井瞬变电磁法探测提供良好的实际应用条件 。 ２ 应用实例 ２ ． １ 仪器及参数选择
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多层采空区综合物探方法研究 ＊
曹 静 岳建华 刘 英
（ ） 中国矿业大学资源与地球科学学院 ， 江苏省徐州市 ，２ ２ １ １ １ ６ 摘 要 随着开采条件的复杂化 ， 煤层会存在 ２ 层或 ２ 层以上的采空区 。 为探查多层采 空区存在条件下 ， 预防煤层突水事件的发生 ， 通过在山西朔州某矿区 ４＃ 煤层与 ９＃ 煤层的地 面勘探数据分析 ， 研究瞬变电磁法对多层采空区的响应特征 。 经对数据进行处理 ， 绘制视电 阻率平面图 、 断面图 ， 结合地质资料和钻孔资料 ， 并且与直流电法图件进行比较 ， 可以推断 出 ９＃ 煤层采空区的富水性强弱 。 探测结果 表 明 ， 瞬 变 电 磁 法 在 地 面 探 测 多 层 采 空 区 具 有 一 定的效果 ， 是解决煤矿水文地质问题的一种快捷 、 高效 、 安全勘查方法 。 关键词 地面瞬变电磁 探测 多层采空区 水文地质 中图分类号 Ｐ ６ ３ １ 文献标识码 Ａ
十 二 五”国 家 科 技 支 撑 计 划 课 题 ＊ 基 金 项 目 ： “ （ ） Ｓ Ｑ ２ ０ １ ２ Ｂ Ａ Ｊ Ｙ ３ ５ ０ ４
多层采空区综合物探方法研究 ＊
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流电法 、 瞬变电磁 、 重力 、 可控源音频大地电磁法 等方法 ， 但对于富水性以及风氧化带的探测 ， 有效 的方法还是 电 法 类 ， 也 就 是 直 流 电 法 、 瞬 变 电 磁 、 可控源音频大地电磁法 。 瞬变电磁法对含水体非常 敏感 、 受 地 形 影 响 小 、 探 测 深 度 中 等 、 施 工 效 率 高 ， 为本次勘探的最优选择 。 采空区对瞬变电磁的 传播具有排斥作用 ， 地面探测表现为高阻现象 ； 反 之 ， 若采空区含水时则表现为低阻现象 。 本文结合 山西朔州某矿区地表采空区探测实例 ， 针对多层采 空区的瞬变电磁反应的特点 ， 总结分析了瞬变电磁 法对多层采空区探测的可行性与有效性 。 对于测区 内人文干扰大的地区采用直流电法进行综合解释 。 ４ ７
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Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｆ ｃ ｏ ｍ ｒ ｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉ ｖ ｅ ｅ ｏ ｈ ｓ ｉ ｃ ａ ｌ ｒ ｏ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｆ ｏ ｒ ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｌ ａ ｅ ｒ ｏ ａ ｆ － ｐ ｇ ｐ ｙ ｐ ｐ ｇ ｙ ｇ
仪器 选 用 澳 大 利 亚 联 邦 工 业 研 究 院 生 产 的 Ｔ ｅ ｒ ｒ ａ Ｔ ＥＭ 瞬变 电 磁 仪 ， 由 于 勘 探 区 内 地 形 条 件 复杂 ， 地表起伏较大 ， 有高压线和村庄 ， 因此在施 工前进行了 试 验 工 作 ， 最 终 采 用 ４ ０ ｍ×４ ０ ｍ×２ 匝的同一回线 装 置 ， 其 发 射 电 流 ６～８ Ａ， 关 断 延 ，２ 。 同时还选用法国 可变 ） 时０ ． ０ ５ｍ ｓ ５ ６ 次叠加 （ ｓ ｓ ｃ ａ ｌ Ｒ ２直 流 电 法 仪， 此 仪 器 测 量 数 据 稳 定， 特 ｙ 别是在大极距供电情况下 ， 稳定性也很好 。 勘探区 内瞬变电磁法 测 线 、 测 点 依 照 线 距 ４ ０ ｍ、 测 点 距 ２ ０ｍ 的方格网 布 置 ， 直 流 电 法 的 测 点 布 置 根 据 瞬 变电磁探测时 人 工 干 扰 情 况 确 定 ， 为 了 便 于 对 比 ， 直流测点从设计的瞬变电磁测点中选择 。 ２ ． ２ 测区内地质资料与钻孔资料概况 井田位于管 涔 山 东 麓 ， 地 表 大 部 为 黄 土 覆 盖 ， 基岩出 露 较 少 ， 呈 现 为 中 低 山 丘 陵 地 貌 。 纵 观 矿 区 ， 沟壑纵横 ， 梁峁绵延 ， 植被稀少 ， 总体地势呈 南北高 ， 中间低 ， 西高东低趋势 ， 主要由两沟三梁 组成 ， 梁面较平缓 ， 沟谷崎岖 ， 以北西向为主 ， 次 为北东向 ， 呈树枝状 ， 以 “ Ｕ” 型谷为主 。 井 田 东 部为露天煤矿排土场 ， 为人工堆填形成 ， 较原始地 形有 ３ ０～５ ０ ｍ 高差 。 现根据井田范围内生产 实 际 揭露情况并结合钻孔揭露及邻区资料 ， 对井田内地 层由 老 至 新 分 述 如 下 ： 奥 陶 系 中 统 上 马 家 沟 组 （ ） 、 石炭系中统本溪组 （ 、 石炭系上统太 Ｏ ２ ｓ Ｃ ２ ｂ） ） 、二叠系下统山西组 （ ） 、二叠系 原组 （ Ｃ ３ ｔ Ｐ １ ｓ 、上第三系上新统 （ 、 下统下石 盒 子 组 （ Ｐ １ ｘ） Ｎ ２） 、第 四 系 全 新 统 第四 系 中 上 更 新 统 （ Ｑ ２＋３） （ ） 。 井田范围内 含 煤 地 层 为 石 炭 系 上 统 太 原 组 Ｑ ４ 和二叠系下统山西组 。 表 １ 给出了往年此地区煤层 的钻孔资料 。