利用EH-4确定煤矿采空区的边界.pdf

收稿日期 2005209212 基金项目国家 “十五” 科技攻关项目2001BA310A09 作者简介徐白山1960 - ,男,湖南新宁人,东北大学副教授 第27卷第7期 2006年7月 东 北 大 学 学 报自 然 科 学 版 Journal of Northeastern UniversityNatural Science Vol127 ,No. 7 Jul.2 0 0 6 文章编号 10052302620060720810204 利用EH24确定煤矿采空区的边界 徐白山,王恩德,陈庆凯,李维群 东北大学 资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110004 摘 要在阐述煤矿地质灾害防治重要意义的基础上,分析高度机械化的煤矿矿井采空区边 界及产生的地质灾害防治中的地球物理特征,通过工程实例说明,当有富水的断层和采空区引起 的张性裂隙存在时,其目的体的电性呈现良导特征煤矿开采后破坏了地层电性在横向上的均匀 性和纵向上的正常递变规律在起伏较大的山地区,使用电磁法探测不良地质体,并进一步研究它 们的纵横向结构,证明该方法是有效的 关 键 词煤矿地质灾害;探测;采空区;构造与煤层;EH24 中图分类号 X 43 文献标识码 A 煤炭资源工业的可持续发展的前提之一,就 是必须把煤矿建设成为环保型、 效益型和安全型 矿山特别是随着采掘机械化程度的迅速提高,以 及随着煤矿开采规模、 开采强度和深度的加大,一 个大型、 高度机械化的煤矿如发生矿井地质灾害, 其社会影响和经济损失将是巨大的我国煤矿矿 井地质灾害复杂多样,时有发生,一直是煤矿开发 的重要制约因素,采空区带来的地质灾害就是其 中的一大类为确保我国煤矿生产的可持续发展, 开展矿井地质灾害防治工作,地球物理勘探研究 及应用是非常必要的,并且勘探速度快、 成本低、 控制范围大,是安全保障矿山生产的有效工具 1 矿井地质灾害防治中地球物理特 征 矿井地质灾害防治中的主要目标之一是水患 问题由于断层导水、 岩溶裂隙导水等导致的水 患,严重威胁着矿井生产安全岩石孔隙、 裂隙总 是含水的,并且随着岩石的湿度或饱和度的增加, 电阻率急剧下降由于水分有不同的矿化度,水分 含量相同的不同岩石的电阻率可能有很大差别 断层、 陷落柱、 采空区等地质体的电阻率不完全取 决于其本身的大小,主要取决于它的破碎程度及 其含水的饱和度完整的岩体有明显的高阻特 征,可作为电性标志层通常地层组合中,其电性 反映在纵向上呈递增规律[1～3]在横向上,沉积 地层的电性正常情况下是均一的或变化不大当 存在富水性的断层构造或其他良导电地质体时 如断层破碎带富水,灰岩内的充水溶洞、 裂隙、 陷 落柱等都将打破这种水平方向电性的均一性 当其在三维空间上具有一定规模时可改变纵向电 性的变化规律,从而表现为局部的、 区域性的电性 异常,为开展EH24电磁法工作提供了物性前提 和解释依据 煤层采空区因正常顶板岩层、 岩体垮落破碎, 导致地表下陷同时发育若干张性裂隙,当不含水 时其电阻率增大,含水时其电阻率降低据此,通 过探测地下岩层的电阻率及其变化,可以判定岩 层的结构状态和含水状况,这是利用电磁法、 地震 等方法探测的物理前提[4]如果断层、 裂隙、 陷落 柱、 溶洞、 老窑采空区无积水等情况下,电阻率值 明显增大,而当地下空区、 岩体破坏的冒落裂隙带 完全充水时,其电阻率又明显降低 随着一些重大国家基础工程项目的逐步实 施,穿越地区大多为大山区,如地下煤矿采空区边 界和陷落造成的灾害影响范围勘查已成为一个技 术难题常规物探方法在此地貌条件下很难发挥 较好的作用高频电磁测深法 EH 24电磁成像张 量测量系统是在20世纪90年代中期,为研究 1 000 m以内地层的电性结构和地质结构而发展 起来的一类新兴电磁勘探新方法主要勘探设备 有美国Geometrics公司和EMI公司联合研制的 EH24电磁成像张量测量系统和加拿大Phoenix Geophysics公司推出了MTU - 5A高频电磁采集 系统有效勘探深度为10～1 000 m 2 探测区的岩土工程地质简况 探测区被第四纪沉积层覆盖,为亚黏土与砂 砾石互层组成,厚度0～80 m左右,其厚度变化较 大该区煤层直接顶板为泥岩、 砂质泥岩、 粉砂岩、 细砂岩,多为泥质胶结,普氏系数- 4～3 ,岩石单 抗强度和抗拉强度普遍较低但当岩石为钙质或 矽质胶结时,其单抗和单拉强度又较高 从钻孔揭露的岩性及顶板岩石抗压强度测定 试验成果看,泥岩抗压强度为7123～2313 MPa , 砂质泥岩为18123～4313 MPa ,粉砂岩为9134～ 58115 MPa ,细砂岩为22105～5514 MPa 煤层直接顶板为砂砾岩、 粗砂岩的均系原始 顶板被冲刷后的老顶沉积,多为钙质或矽质胶结, 其抗压强度为3183～21192 MPa说明由于胶结 物及胶结程度不同,煤层顶板的力学性质差异很 大但该区的煤层顶板多数为泥质胶结,强度较 低,而煤层厚度又很大,在采掘后未充填的条件 下,势必会形成地表沉陷和大的裂缝 从该区煤层上伏沉降层看,侏罗系地层大多 数为泥质胶结,只有个别岩层为矽质胶结,总体上 岩石强度较差 3 EH24电磁成像张量测量原理 EH24电磁成像张量测量系统属于可控源与 天然源相结合的一种大地电磁测深系统深部构 造通过天然背景场源成像MT ,其讯息源为10 Hz～100 kHz浅部构造则通过一个新型的便携式 低功率发射器发射1～100 kHz人工电磁讯号,补 偿天然讯号的不足,从而获得高分辨率的成像将 大地看作水平介质,大地电磁场是垂直投射到地 下的平面电磁波,则在地面上可观测到相互正交 的电磁场分量为EX, EY, HX, HY通过测量相互 正交的电场和磁场分量,可确定介质的电阻率 值[5 ,6] 大地电磁波阻抗 Z π ρ μ f 1-i , 式中, Z为电磁波阻抗E/ H ; f 为频率;ρ为电 阻率;μ为磁导率 电阻率 ρ 1 5f E H 2 , 趋肤深度 σ≈ 500 ρ f 上式表明,电磁波的透入深度随电阻率的增 加和频率的降低而增大[7～10] EH24电磁成像系统与其他物探方法相比,具 有以下一些特点 1采用人工场源与天然场源共同作用的方 式,该系统的频带范围广,从1 Hz到100 kHz ,在 几米到一千多米的范围内都能获得连续的有效信 号人工场源对解决浅部地质问题和抗干扰能力 尤为有用 2仪器轻便、 操作方便、 适应性强如自然 坡度较陡、 地形起伏大、 崩塌堆积物、 接地条件差、 植被发育、 通视条件不良工作效率明显高于直流 电法 3该系统具有较高的分辨率,为探测某些 小的地质构造和区分电阻率差异不大的地层提供 了可能性,可结合增强发射源信号强度与提高信 噪比,达到提高数据采集质量 4可以进行一维现场数据处理和图形显 示,实时监控曲线质量,确保采集有效数据 5该系统不受高阻盖层的影响,在玄武岩 覆盖区、 基岩出露区、 沙漠覆盖区,能更好地探测 地下深部地质信息 4 野外数据采集方法与数据处理 EH24电磁成像张量测量系统通过发射和接 收电磁波来达到电阻率或电导率的测深,连续的 测深点阵组成地下二维电阻率剖面数据采集采 用2个BF2IM磁感应棒,4个BE226型带缓冲器 的有效高频偶极子以及4个SSE不锈钢电极以 时间序列采集电磁波脉冲,频率范围500 Hz到70 kHz ,60 ms/次,14次叠加,记录四道EX, EY, HX, HY分量,屏幕显示振幅谱、 相位谱、 相干度、 电阻 率由18位高分辨率多通道全功能数据采集、 处 理一体完成所有的数据合成 野外数据采集是根据煤层采空区现场实际地 表沟堑地形限制状况,布设测点组成并非直线的 联线剖面,采集10个物理点,点距平均20 m垂 直采煤工作面走向 将采集到的数据资料进行实时预处理和后处 理根据现场测量时每个测点给出的视电阻率、 相 位、 相关度及振幅曲线进行数据质量的实时分析 在完成整条曲线的连续观测后,给出模拟的二维 处理结果的灰度剖面图后处理将其结果用专门 的软件进一步作定量的解释及二维反演处理,并 118第7期 徐白山等利用EH24确定煤矿采空区的边界 进行显示和伪彩色成图等解译工作尽量降低各 种干扰影响因素,突出异常,达到反映客观地质目 标体的目的 5 地质成果分析 对于未受沉陷扰动地层来说,不同视电阻率 的分层是稳定的,其产状也接近地层的自然产状 如有断层存在,层间扭曲或错动会显示其断裂特 点 对于受采空沉陷扰动的地层,视电阻率分层 能显示出地层产状的异常改变,其零星破碎的块 状地层,则显示为等视电阻率圆团块 根据上述特点,可以较直观地进行地质解释 5. 1 地层稳定区成果分析 从EH24采集到的数据及形成的二维彩色剖 面图上可以清晰的看到整条视电阻率剖面图反 映的是较均匀的层状地层,如图1所示所测位置 在地层稳定区,测线方向与地层走向基本一致实 测是从右向左探测的该图与其他地点的采空区 成果图有明显的区别主要表现在地层是完整的, 没有杂乱的视电阻率扰动现象,地层层状分布明 显说明该区地层还是处于原始稳定状态而煤系 地层中不同地层的厚度变化不均,第四系地层的 厚度变化较大这也是湖相沉积的主要特点 图1 地层稳定区的电性剖面图 Fig. 1 Electric section of stable strata area 5. 2 采空区探测地质成果分析 采空区电法实测成果剖面如图2所示显示 在测线下方地层皆在煤层沉陷区影响范围内未 开采的煤系地层呈角度向左倾斜,右侧倾斜异常 特征反映了沉降形态实地探测时也发现在测线 上地表有很多因沉陷造成的裂缝,其电法探测成 果与地下开采方向实际状况是一致的 根据图2所作的煤矿采空区地质解释成果如 图3所示从地质解释成果剖面图可以看出,实测 成果显示探测时煤层采空区的分界点在剖面的 88 m处,位于底板等高线1 598 m水平沉陷区陷 落起点在120 m处左右 图2 采空区电法实测剖面图 Fig. 2 Section of gob area surveyed electromagnetically 图3 煤矿采空区地质解释成果图 Fig. 3 Geological interpretation coal mine gob area after exploration 实测成果剖面图可以明显反映已采空区顶板 上部岩层垮塌后的沉降形态值得注意的是在未 开采区的上部地层,受采空区沉降的影响也有明 显变形而且波及到第四系地层,近地表层并存在 有刚性裂隙 由于采空区对岩层与地表移动的影响,从本 次勘探解释成果看,该测线水平位置0～180 m 范围内,煤层开采区顶板以上50 m部分皆为岩 石冒落带;裂缝带或弯曲带已到达第四系沉降现 象较严重,这与开采的煤层厚度很大密切相关同 时受沉降破坏与地表移动的影响,基岩与第四系 地层的视电阻率均发生了较大变化,深部地层视 电阻率的分布形态与沉降破坏造成的 “马鞍形” 形 态非常相似,完全符合沉降破坏规律采空区上方 浅部第四系出现透镜体状的局部高阻异常,表明 了岩体移动引起的地层 “空化带” 发育的当前空间 位置地表- 300 m深度附近视电阻率呈圆团状 分布也显示出该区高倾角采煤所形成的冒落具有 明显不均衡的特点 煤层采空区对地面的影响存在有一个岩移角 影响范围,是确定采空造成沉陷范围的主要数据, 218东北大学学报自然科学版 第27卷 是地表沉陷与稳定地层的分界线不同矿区开采 厚度、 采深比及煤层上部岩性不同,其岩移角有明 显差别常规确定方法需要通过长期观测及综合 各项指标进行理论计算才能获得该探测方法可 以快速给出一个推断的当前岩移分界面形态和位 置 6 结 论 1研究事例揭示了该区由于煤层开采厚度 较大,因此造成岩石和地表的位移范围也较大需 严格控制采煤边界,确保地面设施安全 2成果显示出已采空区边界异常明显,上 覆地层因高角度厚煤层的开采,导致岩石和地表 层的位移较大,刚性裂隙存在,使地表水与矿山井 下有导通的联系条件 3实践证明,在矿井地质灾害防治中,使用 地球物理勘探方法对引起地质灾害的地质原因进 行查明,只要物性前提具备、 工作方法选择恰当, 在理论上是可行的,实际工作成果可以为地质灾 害防治提供可靠的地质依据 4煤层采空区受地形限制,实测点联线并 非直线说明该方法适应性强,如在自然坡度较 陡、 地形影响大、 崩塌堆积物、 接地条件差、 植被发 育、 通视条件差等不良地貌的地方也可以取得较 好效果 5开展矿井地质灾害防治工作,借助地球 物理勘探手段研究是非常必要的,并且勘探速度 快、 成本低,控制范围大,是安全保障矿山生产的 有效工具 参考文献 [ 1 ]Huang H , Won I J. 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Geophysical exploration; gob; structure and coal beds; EH24 system Received September12,2005 318第7期 徐白山等利用EH24确定煤矿采空区的边界