深究矿井复杂地质组成综合探测科技运用

在矿井建设和生产过程中,存在着诸多影响安全生产的地质因素,如煤岩体中的断层构造、陷落柱、采空区、含水体等。这些因素严重制约着矿井安全生产,甚至造成重大的安全生产事故。近年来地球物理勘探技术的快速发展以及探测手段的日益成熟,为准确探测矿井复杂地质构造体提供了有效手段。由于煤矿井下探测空间有限,且物探方法具有多解性,单一方法很难对构造体进行准确判断。对于复杂构造的探测与解释更需要多种物探方法的综合运用[1-5],使其成果可以相互验证,提高对地质体判断的准确性。通过在构造复杂区域进行测线布置,综合对比不同探测方法的探测结果,可有效地查明研究区域内地质构造的展布状况,为煤矿安全高效生产提供可靠的技术保障。

1综合探测技术原理

1.1瞬变电磁法

瞬变电磁法是利用不接地回线(线圈)或接地导线发射脉冲电流作为场源,以激励探测目的物感生的二次电流,在发射脉冲的间隙利用回线或接地电极测量二次场随时间变化的响应。从测量得到的异常分析出地下不均匀导电体性能和位置,达到解决地质问题的目的。

感应涡流场在地表引起的磁场为整个“环带”各个涡流层的总效应,这种效应可以用一个简单的电流环等效,表现为一系列与发送线圈同形状并且向下向外扩散的电流环,通常称之为“烟圈”。根据二次场衰减曲线的特征,就可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等。因此,瞬变电磁作为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法,是根据地质构造本身存在的物性差异来间接判断相关地质现象的一种有效地质勘探手段。

发射电流关断后不同时刻地下等效电流环的分布(见图1)。从图1中可以看出,等效电流环像从发射回线中“吹”出的一系列“烟圈”,因此,人们将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象的称为“烟圈效应”。“烟圈”的半径r、深度d的表达式分别为式中:a为发射线圈半径,当发射线圈半径对于“烟圈”半径很小时,可得tanθ=d/r≈1.07,θ≈47°,故“烟圈”将沿47°倾斜锥面扩散,其向下传播的速度为从式(1)～式(3)可以看出:地下感应涡流向下、向外扩散的速度与大地导电率有关。从烟圈效应的观点看,早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的,反应浅部电性分布,晚期瞬变电磁场是由深部的感应电磁场产生的,反映深部的电性分布。因此,观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律,可以探测大地电位的垂向变化[6]。

1.2地震反射共偏移法

利用地震勘探中的反射共偏移方法,可以进行有效的相位对比与追踪,获得地下反射界面的位置及厚度关系,判断目标区域的地质构造。反射共偏移法又称陆地声纳法,依据反射勘探原理,在单边排列基础上选定最佳偏移距,即最佳反射窗口,采用单道或多道叠加小步长顺移前进观测系统。

对反射共偏移数据可采用“偏移成像”法处理,它最大限度地将反射同相轴归位到空间反射点上,同时消除了由于倾斜界面、尖灭点等引起的反射相位“偏移”现象,因而有利于地震剖面的解释和应用。其实质是对反射界面上同一反射点进行重复观测,而激发点和接收点在不断改变。从而达到增强有效波、压制干扰波。

单边排列观测系统(见图2)指仅在接收点排列一侧激发的观测形式。设某一单边排列接收道数为R、道间距为I、偏移距为O、移动步距为P,由几何地震学知当界面水平时其反射段长度为L=I·(R-1)2(4)当整个排列移动步距P小于反射段L时出现反射段重复即多次覆盖。结合获得的地震波剖面,对比波组特征可进行各种地质构造解释[7-8]。

2现场探测应用

2.1探测区域概况

淮南某矿南翼采区构造密集,断层众多且落差较大,受断层影响,岩层产状变化强烈,煤层赋存不稳定,使南翼主要系统巷道的安全施工及支护造成很大难度。根据巷道通过F108断层带的情况,要求查明巷道区附近断层、富水区等地质情况。采用综合地球物理勘探方法中的瞬变电磁法和地震反射波法进行数据采集,其中地震反射波法重点对地质异常界面进行有效分辨,而瞬变电磁法可对巷道四周含水异常构造进行有效判定,实现综合物探探测效果。2.2探测结果2.2.1瞬变电磁据已知地质资料分析,现场在南翼大巷左帮布置测线,测点间距为1m,总共布置302个测点。每个测点处只做顺层方向探测(见图3)。

瞬变电磁探测电阻率反演结果与断层构造对比(见图4),从图4可以看出,剖面中电阻率横向上变化明显,在测线约200m处电阻率发生较明显变化。其中0～200m段岩层电阻率相对较低,巷道支护困难,表明其岩石破碎,局部岩层富水;而200～300m段岩层整体电阻率较高,巷道变形量小,此两者之间差异为受断层影响所致。探测结果揭示了断层带底板下延展情况,与实际地质资料结果吻合。

2.2.2地震反射共偏移根据巷道地质条件,现场同时采用了地震反射共偏移法进行了探测。在巷道左帮布置单道反射共偏移观测系统,偏移距为5m,移动步距为1m,采用锤击激发地震波,现场共采集302组数据(见图5)。地震剖面(见图6)中各个相位波组特征明显,其中在测线0～198m段地震波频率相对较低,波速低,底板岩层波组连续性差,表明岩层相对破碎。200～300m段地震波波速趋于正常,实际的地质资料揭露为岩层较坚硬,基本上无构造。该探测结果对断层深部延展加以揭示,表明两种方法相互探测验证,可以给出较为准确的地质构造体发育及岩层富水状况。

3结论

随着矿井开采深度增加,各种地质问题变得相对复杂,综合物探技术的应用将对复杂构造探查起到重要的作用,是未来矿井探测技术研究与应用的方向。F108-3断层探查实践表明,瞬变电磁法对构造体含水性判断灵敏,反射地震波法对构造发育位置判断准确,因此结合现场地质条件,选择合适的综合物探技术,可对矿井一定范围内的隐伏断层、导水裂隙区、破碎带等异常位置及范围进行有效判定,为矿井安全稳定生产提供了技术依据及保障。同时需做好多种物探方法之间的数据联合处理与应用研究,进一步提高对地质体的解析精度和分辨能力。