基于瞬变电磁物探技术的煤层火烧区水害风险预测研究

基于瞬变电磁物探技术的煤层火烧区水害风险预测研究摘要：由于深部开采的地质条件异常复杂，地下涌水和塌方灾害加剧用本研究利用瞬变电磁勘测技术对新疆某煤矿深部地层火烧区进行水害勘测，利用三维成像技术获得低电阻异常区域的三维模型，分析得出火烧区富水空间的分布特点，并结合超前钻探等技术手段进行验证，精确判断巷道掘进的水害风险煤层火烧区是浅部煤层自燃形成的烧变区域受大气降水影响或者露头位置接受地下水或河流补给形成积水区积水呈鸡窝状开积水位置和区域不规律用煤矿井下巷道掘进过程中开如果触及火烧区开可能造成矿井水害用同时由于煤炭自燃开火烧区岩体常较破碎开巷道掘进过程中常对应较差的围岩完整性与稳定性开极易诱发突水、塌方等工程地质灾害因此在井巷设计和施工过程中开必须考虑煤层火烧区的影响开采取超前预测手段探测富水区位置开预防灾害1-2)用瞬变电磁法是非常有效的地下水探测技术开通过测量地下介质的电性特征推断地下水情况用随着电磁勘察方法的硬件和软件技术进步开瞬变电磁法在矿山水文地质勘察中的应用取得阶段性成果用如严文成³¹将瞬变电磁法应用于煤矿采空区探测开基于探测数据对施工参数进行正反演分析中高小伟4等利用瞬变电磁物探技术对煤矿地层的富水特征展开研究开研究成果为提高采煤效率和保障安全生产提供了重要参考用刘旭⁵¹基于瞬变电磁法对煤矿的工作面顶板进行岩层分布特征探测开结合三维成像对富水区域进行可视化分析开并探讨这些区域的水文地质特征及对采煤工程的影响由此可见开瞬变电磁法在煤矿开采的风险预测领域发挥着越来越重要的作用用本文以新疆某煤矿井下地质探巷为地质工程勘察背景开对筛选的重点区域(即煤层火烧区域)位置进行瞬变电磁超前探测并讨论瞬变电磁物探技术在煤层火烧区水害探测中的应用效果地质探巷沿A3号煤层底板掘进该煤层位于塔里其克组下含煤段的中下部平均厚度4.5m#含0～1层夹矸开煤层结构简单该煤层厚度稳定开勘探区内变化不大属于稳定煤层用露头及浅部已自燃用顶板为厚层状细砂岩开底板为粉砂岩上与A5号煤层层间距16.1～19.00m用根据水文地质资料影响巷道掘进的主要充水水源为煤层顶板砂岩裂隙水及上覆A5号煤层和A3号煤层烧变岩水本次探测位于T9硐室位置开向南探测迎头前方火烧区积水的分布情况在该区域开展地质勘探和岩层分析开以便了解煤层火烧后富水异常区分布情况田通过数据采集、处理和分析开为掘进巷道设计施工提供科学依据用2勘察技术和方法2.1瞬变电磁探测技术原理瞬变电磁探测技术6作为重要的矿井地球物理勘探手段基本原理可通过图1直观展示此技术向地层发射脉冲电磁波产生初始电磁场这一初始场在地下良导电介质中产生感应涡流这些涡流又会生成次生电磁场用次生电磁场以等效涡流环形态在地下传播形成复杂而有序的电磁响应用通过对次生电磁场的观测能够获取其随时间逐渐衰减的特征曲线用这些特征曲线记录着地下介质电学特性的微妙变化用利用这些随时间衰减的二次电磁场曲线可以评估地质体的电性参数如电阻率、电导率这些参数是揭示地质体分布特征的关键用2.2瞬变电磁探测方法介绍采用中煤科工西安研究院自主研发的YCS2000矿用瞬变电磁设备进行矿井地球物理勘探具有高精度、高效率的特点在工程地质探查、矿山防治水、采空区及含/导水隐伏构造探测等领域取得明显的地质效)图1瞬变电磁法信号向地层扩散示意图果和显著的社会经济效益用瞬变电磁探测技术对煤矿巷道掘进掌子面前方顶板、顺层和底板100m范围内的水文地质情况进行探查、预报开确保在生产过程中能够及时发现并处理潜在水文地质问题开保障井下生产安全用由于煤层火烧区破碎带中岩石的破碎程度和富水情况不同其电阻率会发生变化这种电阻率变化可以通过瞬变电磁法探测用每次探测布置4个方向的断面进行扫描通过这种方式可以全面覆盖目标区域获取准确的地质信息开有效探查煤层火烧区岩层内积水的分布情况为超前钻探提供靶区为防治水提供参考用也需要严格遵守操作规程和安全标准确保整个探测过程安全可靠用经过对探测数据分析得到如图2所示的4个方向(即上倾45°方向、上倾30方向、顺层和下倾30方向)的视电阻率等值线剖面图用瞬变电磁解释示意图中青绿色区域表示低阻异常区域开砖红色区域表示视电阻率高值区域开其他颜色区域代表过渡区Y(65~1001范围内下倾30方向低阻异常主要位于55～702.m#根据异常的空间位置推断上倾45和上倾30方向为同一异常编号为1号异常顺层和下倾30方向为同一异常编号为2号异常用上述异常区域可能存在煤层火烧区局部富水而且推测1号异常区域和2号异常区域为不同煤层(即上覆煤层和本煤层)下巷道施工或者工作面开采造成一定影响需要在设图3展示了本次瞬变电磁超前探测的三维成果显示了不同方向内低阻异常区空间分布的坐标范围并且根据异常的空间位置推断出1号异常和2号异常的性质用结合水文地质资料进行分析推测上述异常为迎头前方的地质异常区用1号异常出现在A5号煤层附近主所致42号异常出现在A3号煤层附近主要为A3号煤层火烧后导致煤岩层裂隙发育并赋水所致该现象与煤层火烧区的烧变程度和地下水体的积聚有关用通过对地下煤岩层电性特征分布情况探测和分析可以识别煤层火烧区域的含水裂隙、破碎带或空洞等地质异常特征为煤层火烧区地质探查提供技术支持图3瞬变电磁超前探测三维成果图害实施超前钻探验证超前钻孔平面方位布局图如图4总长度均100m钻孔沿3个方向布置开分别为左偏16隙发育存在烧变岩水用超前钻探的施钻方向左16上大终孔后孔内水量12m³h曲验证情况说明三维瞬变电磁探测成果与超前钻探结果相结合成功探查了煤层火分布范围准确预测做到提前防范安全通过煤层火烧区的影响范围用物探和钻探成果的吻合不仅验证了瞬图4超前钻孔的平面方位布局图从现场钻探结果看瞬变电磁法对含导水等低阻体反应敏感是探测含导水等低阻体的有效手段开在水害风险预测方面具有很高的可行性和准确性用研究成果为煤层火烧区域的地下水赋存状态和水害治理提供技术指导用通过对地下水赋存状态进行分析开可以预测和控制深部采矿过程中可能出现的水害保障矿井隐伏的含水裂隙破碎带4.2分析低阻异常区域的三维分布结果可以得