劉 賽，李小明，周起謀

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

0 前言

在煤礦建設(shè)和生產(chǎn)過程中，經(jīng)常發(fā)生孔隙水、裂隙水、巖溶水、老空水、地表水等各類水體通過斷層、陷落柱、采動(dòng)裂隙和鉆孔等諸多導(dǎo)水通道潰入井下[1]，造成礦井突水事故，直接威脅礦工生命和國家財(cái)產(chǎn)安全，甚至造成眾多人員傷亡和經(jīng)濟(jì)上的巨大損失。鑒于礦井水害事故具有破壞強(qiáng)度大、救援難度大、治理恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，煤礦必須提前做好礦井的相關(guān)防治水工作，防患于未然。因此，礦井防治水規(guī)劃作為礦井防治水的前期工作就顯得尤為重要，通過規(guī)劃方案的逐步實(shí)施，可以進(jìn)一步掌握和查明礦井水害的分布特點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)，編制礦井充水性圖，為礦井水防治和正確決策提供可靠的基礎(chǔ)資料。

對(duì)下辛佛煤礦井田內(nèi)水文地質(zhì)情況探查，物探工作的主要地質(zhì)任務(wù)是查明圈定范圍內(nèi)采空區(qū)的分布范圍、富水情況及其它不良地質(zhì)體的賦存狀況。煤炭的過度開采已使地下形成了大量的采空區(qū)[2]。采用瞬變電磁技術(shù)對(duì)井田內(nèi)的采空區(qū)范圍及富水性進(jìn)行精細(xì)探查[3-4]，并進(jìn)行精細(xì)化解釋，對(duì)晉遼下辛佛煤業(yè)有限公司提出綜合防治措施具有重要意義。

1 地質(zhì)概況

1.1 地層

井田所處位置為太行斷塊沁水塊坳郭道安澤近南北向褶帶的西部翹褶帶邊緣，西部為太岳坳緣翹起帶，沁水煤田西南部霍東找煤區(qū)的北部邊緣。井田范圍內(nèi)地表大部分為基巖出露，少量被黃土覆蓋，出露地層為二疊系下統(tǒng)下石盒子組、山西組，石炭系上統(tǒng)太原組，石炭系中統(tǒng)本溪組，奧陶系中統(tǒng)峰峰組在井田內(nèi)均有出露。本井田主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組及二疊系下統(tǒng)山西組。

1.2 構(gòu)造

井田所處位置為太行斷塊沁水塊坳郭道安澤近南北向褶帶的西部翹褶帶邊緣，西部為太岳坳緣翹起帶，沁水煤田西南部霍東找煤區(qū)的北部邊緣。區(qū)內(nèi)地層走向及主要構(gòu)造線方向均為北北東至北東向，地層傾角不大，并伴有軸向北東向?qū)捑忨耷蛿鄬訕?gòu)造。井田位于區(qū)域次級(jí)構(gòu)造霍山背斜之東南翼。

1.3 水文地質(zhì)

該井田地表水屬于黃河流域汾河水系，區(qū)內(nèi)主要河流為洪安澗河，洪安澗河由東北向西南流入汾河。

含水巖組包括：奧陶系中統(tǒng)碳酸鹽巖巖溶裂隙含水組，石炭系上統(tǒng)太原組石灰?guī)r、砂巖巖溶裂隙含水組，二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水組，二疊系下統(tǒng)下石盒子組砂巖裂隙含水組，第四系松散層孔隙含水組。

隔水巖組包括：本溪組隔水層：本溪組厚度19.70m左右，主要由泥巖、鋁土巖，砂質(zhì)泥巖和泥巖組成，巖性致密，裂隙不發(fā)育，具有良好的相對(duì)隔水性能，為井田主要隔水層。

石炭二疊系層間泥質(zhì)巖隔水組：本溪組之上太原組中砂巖、灰?guī)r含水層之間均發(fā)育有厚度不等的泥巖、砂質(zhì)泥巖，因其結(jié)構(gòu)致密相對(duì)不透水，均可起到層間相對(duì)隔水作用。但當(dāng)臨近地表，受風(fēng)化或構(gòu)造作用影響而產(chǎn)生裂隙時(shí)，隔水性能則遭到一定破壞。

2 地球物理響應(yīng)特征

從不同巖性地層的物性差異分析，一般變化規(guī)律為從泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖、礫巖到煤層，電阻率值逐漸增高，即煤層相對(duì)泥巖、砂巖等巖層呈現(xiàn)為相對(duì)高阻層。隨著巖石的濕度或飽和度的增加，電阻率急劇下降[5]。

采空區(qū)為空氣填充時(shí)，視電阻率會(huì)呈現(xiàn)出高阻特征，當(dāng)?shù)貙优c構(gòu)造含水時(shí)，由于地下水的移動(dòng)及電離作用，電阻率呈現(xiàn)良導(dǎo)體低阻特征。分析對(duì)比電性參數(shù)，區(qū)分物性差異，尋找異常區(qū)可以劃分采空區(qū)及其含水特征。

3 瞬變電磁工作原理

瞬變電磁勘探對(duì)地下良導(dǎo)電介質(zhì)具有較強(qiáng)的響應(yīng)能力，適用于斷層及裂隙帶富水性評(píng)價(jià)，陷落柱探測(cè)，煤層頂?shù)装搴?隔)水層劃分等，具有突出地電異常響應(yīng)、無電極接觸制約、穿透高阻覆蓋能力強(qiáng)、體積效應(yīng)小、低阻反映靈敏、施工速度快、效率高等特點(diǎn)[6]。

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法【7】，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應(yīng)定律。其基本工作方法是：在地面或空中設(shè)置通以一定電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次電磁場(chǎng)，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，斷電后，感應(yīng)電流由于損耗而隨時(shí)間衰減。通過測(cè)量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。

在探測(cè)時(shí)令線圈法線方向?qū)?zhǔn)要探測(cè)的目的方向，在發(fā)射線圈中通以階躍電流，然后利用接收線圈測(cè)量感應(yīng)二次場(chǎng)。通過接收到的二次場(chǎng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化特征，就可以了解在探測(cè)范圍內(nèi)的目的方向介質(zhì)的電磁性質(zhì)變化規(guī)律，通過對(duì)數(shù)據(jù)的解釋處理進(jìn)而確定探測(cè)方向的地質(zhì)情況，如果有異常就可以確定其空間位置，異常體大小等，工作原理如圖1所示。

4 采空區(qū)探測(cè)研究

以礦井一號(hào)勘探區(qū)為例，在一號(hào)勘探區(qū)布設(shè)30 m×20 m的測(cè)網(wǎng)，即每30 m為一條測(cè)線，每條測(cè)線每20 m為一測(cè)點(diǎn)。按照規(guī)范實(shí)驗(yàn)點(diǎn)個(gè)數(shù)大于物理點(diǎn)的5%。其中J測(cè)區(qū)布置測(cè)線8條，物理點(diǎn)88個(gè), 為了保證本次勘探數(shù)據(jù)質(zhì)量，提高測(cè)量精度，在工作區(qū)內(nèi)布置一定量的質(zhì)量檢查點(diǎn)；質(zhì)量檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)大于測(cè)區(qū)內(nèi)測(cè)點(diǎn)數(shù)的5%，設(shè)計(jì)成線性分布，檢查點(diǎn)剖面與測(cè)線剖面垂直，在測(cè)區(qū)內(nèi)測(cè)點(diǎn)工作完成以后，返回測(cè)線中部進(jìn)行。

圖1 地下感應(yīng)電流環(huán)帶分布圖

根據(jù)處理所得不同深度成果圖做出解釋，并推測(cè)區(qū)內(nèi)存在的異常區(qū)(如圖2)。

圖2 一號(hào)勘探區(qū)煤層視電阻率切片圖

2#煤層視電阻率切片圖在有一處低阻閉合異常，該處影響范圍中等，與下層3#煤層有明顯連通，推測(cè)該異常可能為采空富水引起。

3#煤層視電阻率切片圖形態(tài)與2#煤層大致相似，在測(cè)區(qū)出現(xiàn)一低阻閉合異常，與2#煤層異常區(qū)連通性較強(qiáng)，但影響區(qū)域明顯減小，該異常可能為采空富水引起。

6#煤層視電阻率切片圖視電阻率形態(tài)大致與上層的2#煤層和3#煤層相似，但整體電阻率值相對(duì)較大，已經(jīng)無明顯的閉合低阻區(qū)域，該層位富水可能性較小。

9#煤層視電阻率切片圖中有一處低阻閉合異常，與上下層位無明顯的連通現(xiàn)象，可能具有富水性，推測(cè)為采空區(qū)富水引起。在測(cè)區(qū)的東南部有一處高阻異常區(qū)，為采空區(qū)影響引起，與下層11#煤層存在連通性。

11#煤層整體表現(xiàn)為中高阻形態(tài)，無明顯低阻閉合異常，在測(cè)區(qū)的東南部有一處高阻異常區(qū)，在這個(gè)層位上富水性較差，高阻異常區(qū)由采空區(qū)引起。

結(jié)合晉遼下辛佛煤礦綜合柱狀圖對(duì)測(cè)區(qū)垂向上的低阻異常進(jìn)行分析:

圖3 一號(hào)勘探區(qū)各水平截面切片立體圖

對(duì)測(cè)區(qū)不同深度切片立體圖進(jìn)行分析解釋得到目的層低阻異常區(qū)的垂向特征如下(如圖3)：測(cè)區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的低阻閉合異常，主要集中在2#煤層、3#煤層和9#煤層，位于測(cè)區(qū)的中部偏東位置，在2#煤層，3#煤層之間有一定的的連通現(xiàn)象，向下異常區(qū)范圍減小，9-10#煤層在測(cè)區(qū)中部偏北位置出現(xiàn)低阻異常區(qū)，與上下層空間無連通現(xiàn)象。在2#煤層，3#煤層和6#煤層所出現(xiàn)的異常由采空區(qū)富水引起。

一號(hào)勘探區(qū)內(nèi)三處異常集中在J測(cè)區(qū)，現(xiàn)選取J1和J2代表性的剖面線對(duì)異常進(jìn)行縱向分析(如圖4)。

圖4 一號(hào)勘探區(qū)工程布置平面圖

由J1測(cè)線視電阻率剖面圖中可知(圖5)，剖面地質(zhì)體電阻率呈現(xiàn)出自上而下，視電阻率由低到高，在中部夾了一層低阻區(qū)域，整體上電阻率較低。在測(cè)線35 m-85 m，標(biāo)高750 m-850 m有一處明顯的低阻異常區(qū)，在其中心軸處標(biāo)高與9#煤層相近，這兩處異常是由9#煤層采空區(qū)富水引起。

圖5 J1測(cè)線視電阻率剖面圖

由J2測(cè)線視電阻率剖面圖中可知(圖6)，可得到如下結(jié)論：剖面地質(zhì)體電阻率呈現(xiàn)出自上而下，視電阻率由低到高，深部高低阻相間形態(tài)，整體上電阻率較低。在測(cè)線0 m-110 m，標(biāo)高920 m-970 m有一處明顯的低阻異常區(qū)，在其中心軸處標(biāo)高與2#煤層、3#煤層相近，這兩處異常是由2#煤層、3#煤層采空區(qū)富水引起。

5 結(jié)論

1) 測(cè)區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的低阻閉合異常，主要集中在2#煤層、3#煤層和9#煤層，位于測(cè)區(qū)的中部偏東位置。

2) 在2#煤層，3#煤層之間有一定的的連通現(xiàn)象，向下異常區(qū)范圍減小。9-10#煤層在測(cè)區(qū)中部偏北位置出現(xiàn)低阻異常區(qū)，與上下層空間無連通現(xiàn)象。在2#煤層，3#煤層和6#煤層所出現(xiàn)的異常由采空區(qū)富水引起。

圖6 J2測(cè)線視電阻率剖面圖

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