瞬变电磁法在治理煤矿采空区的应用

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:helinjue
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  摘要:随着我国国民经济的高速发展,对能源的需求也日益增大。煤炭是我国目前主要能源之一,但在煤矿生产和建设中,水害是影响矿井安全生产和建设的重大灾害之一,特别是小煤窑采空区积水,对国营大煤矿安全生产构成极大的威胁,另外小煤窑无序开采、越界开采,造成民用建筑物裂缝等问题日益突出。查明小煤窑采空区位置,为各级政府领导和国营煤矿井下开拓及安全生产提供可靠地质依据,这个问题已经摆在物探工程技术人员的面前。
  关键词:地质灾害;瞬变电磁法;采空区; 地质概况
  中图分类号:F406文献标识码: A 文章编号:
  引言
  瞬变电磁法在治理煤矿采空区地质灾害中的应用。物探方法都不能很好地解决这个问题(如直流电测深法),井下物探又不能开展工作,通过多种方法的实验对比,采用瞬变电磁法探测小煤窑采空区位置取得了较好的地质效果。
  1 工区概况
  工区位于某村庄,由于村庄南部的部分居民,相继发现房屋出现裂缝,推测是于周边煤矿采空区引起的,为了对此地质灾害进行治理,需要知道村庄周边煤矿采空区的范围大小。由于村庄位于煤矿西矿界边部,经多年来的开采,采掘情况极为复杂,且煤矿几易矿主,采掘工程资料或丢失,或未予保留等原因,同时井下的采空区及部分采掘巷道已经塌落,无法进行井下实地测量,依据现有的资料,无法判断煤矿采空区的范围,需要在地面对村庄周边煤矿采空区的范围进行测量。
  2 地质概况
  本区大面积被黄土覆盖,对区内地层由老至新分述如下:
  为含煤地层的基底岩系。本组地层在井田内揭露不全。据邻区资料本组厚度约180 米。主要为灰—深灰色石灰岩、白云岩及白云质灰岩夹薄层黄绿色泥岩组成。
  (2)石炭系中统本溪组(C2b)
  本溪组厚度在37 米左右。主要由灰色、灰白色、灰黑色砂岩、砂质泥岩及泥岩和铝土泥岩组成。
  (3)石炭系上统太原组(C3t)
  据钻孔揭露厚67.23~117 米,平均88.8 米,以灰白色、灰色砂岩、灰黑色粉砂岩、泥岩及煤层组成,中下部夹1~2 层泥灰岩、钙质泥岩等,底部常发育泥灰岩一层,区内主要厚煤层赋存于本组顶部及底部,按煤及岩性特征可分为上、中、下三段。
  下段为K1砂岩- 9 号煤层顶板,主要由煤砂岩、号不可采煤层,煤层总厚约15 米。中段为一厚层砂岩带,局部含6 号煤层。上段为4 煤层底- K8 砂岩底,赋存了本区的主要可采煤层4 号煤组,该段厚15 米左右。
  (4)二叠系下统组(P1s)
  地层厚度为40.0m~86.0m,平均65.0m,主要由灰色、灰白色砂岩、灰黑色泥岩、砂质泥岩组成,中下部发育1~3 层薄煤层,煤层均不可采。
  (5)二叠系下统下石盒子组(P1x)
  本組地层呈杂色,残留厚度60~120m,平均80米左右,主要为灰黄色、灰色砂岩、灰色、灰黄色粉砂岩及泥岩等,与下伏山西组整合接触。
  (6)第四系(Q)
  主要为红土及黄土,黄土为马兰期黄土,广泛掩盖全区,构成标准的黄土高原外观,不整合于老地层之上,厚25~50m。
  3 地球物理特征
  据测区附近资料,反映出本区如下的地电特征:
  (1) 黄土、亚粘土电阻率值最低,ρ 值在
  30~60Ω·m 之间,低于泥岩、砂岩、煤和灰岩;
  (2) 泥岩电阻率值次之,ρ 值在70~150Ω·m之间变化,高于黄土、粘土及粘土岩,但低于砂岩、煤层和灰岩;
  (3) 砂岩电阻率值,ρ 值在80~300Ω·m 之间变化,
  (4)煤层电阻率较高,ρ 值在200~500Ω·m 之间变化,高于黄土、粘土泥岩和砂岩,但低于灰岩,是本次探测的目标层;
  (5)灰岩电阻率最高,ρ 值在300Ω·m 以上。
  就本次勘探而言,所测的目标地质体为采空区,在电性反映为高阻(相对周围的煤层),若采空区塌陷,其内部充填的松散物的电阻率与周围介质相比仍然相对高阻。若采空区内充水,则反映为低阻;由此可见,采空区的视电阻率明显区别于未采空区的视电阻率,或相对周围较高,或相对周围较低,这是本次勘探的地球物理前提。
  4 工作方法
  本次瞬变电磁法所使用仪器为廊坊物化探所生产的IGGETEM-20 瞬变电磁测量系统,电源为24V 蓄电池,实际工作中电流保证在7A 以上;参数设置:时基10、20ms,Log14,接收线圈延时30us,迭加次数128 次。
  瞬变电磁法野外工作采用重迭回线装置,线框边长80 米。物探测线在村庄周围共布置3 条剖面线,编号为1、2、3,点距20 米,线距100 米及140米,进行瞬变电磁法测量。其中布设的3 条测线中,2 剖面线也为试验线,其东端穿入已知采空区,遵循已知到未知,从已知采空区追索到未知采空区,即用测量所得已知采空区特征去印证未知采空区。
  5 数据处理与异常推断解释
  (1)数据处理
  野外采集的数据经传输软件输入电脑后,按所需格式进行编辑保存。测量成果使用物化探所的TDEM工作站系统软件,该软件可在人工干预下完成正反演,能进行滤波、编辑、自动做出电压剖面图、视电阻率平面图、电阻率分层图。最终提供的成果图件为视电阻率断面图。
  2)异常推断解释
  a 采空区异常确定的依据和原则
  根据区内各种岩层的电性特征,采空区及受其影响产生的裂隙、松动应为高阻反映,在本工区内采空充水后为低阻反映。根据地质特征,煤系地层岩层倾角为2~8°,构造简单,无大的断层破碎带和陷落柱。可排除构造及其它地质体的影响。因此,物探剖面线视电阻率拟断面图上,在煤层深度范围内的低阻异常可确认为采空区。
  采空区深度的确认:依据钻孔柱状图,以村庄地表为参照,4# 煤层深约180m 左右,9# 煤层深约240m 左右,结合各剖面线相对标高,地层倾向、倾角、起伏,采空深度应在150~260 米之间。西北侧较浅、南东侧较深。
  b 异常推断解释
  由1、2、3 剖面线视电阻率拟断面图可知,各剖面线上多处地方出现在深250 米左右的区域有低阻异常带,视电阻率小于30Ω·m。根据地质资料,深250 米左右为9# 煤层开采深度,另2 剖面线的东端布设在已知采空区内,也有同样的特征,说明在深250 米左右的区域的低阻异常带为采空区。
  ①剖面线:
  由1 剖面线视电阻率拟断面图可知,位于剖面线东向西250-370 米、490-530 米之间,深度250米左右区域,明显有2个低阻异常区,视电阻率小于30Ω·m,推断此2 处低阻异常区域可能为充水的采空区。
  ②剖面线:
  由2 剖面线视电阻率拟断面图可知,位于剖面线东向西40- 130 米、200- 270 米、300- 630 米之间,深度250 米左右区域,明显有3 个低阻异常区,视电阻率小于30Ω·m,推断此3 处低阻异常区域可能为充水的采空区。
  ③剖面线:
  由3 剖面线视电阻率拟断面图可知,在深度250 米左右区域,整条测线上有多处低阻异常区域,视电阻率小于30Ω·m,推断这些低阻异常区域可能为充水的采空区。
  将以上各剖面线异常展布到平面图上,结合矿区采掘工程平面图,推断圈出了3 处采空区范围,编号为Y—1、Y—2、Y—3。Y—3 采空区位于已知采空区内,是已知采空区,而Y—1、Y—2 采空区的特征与Y—3 一样,为推测采空区。从圈出了3 处采空区可以看出,Y—1 采空区位于村庄下部,Y—2 采空区也有少部分进入了村庄,说明煤矿采空区是引发村庄南部房屋出现裂缝的一个重要原因。测量结果为采空区工程验证和地质灾害治理提供了依据。
  6 结论
  用矿井瞬变电磁法探测与钻探相结合的方法,它是进行煤田水文地质勘探的有效手段, 可以大大提高工作效率,在治理煤矿采空区引发地质灾害时,采用瞬变电磁法测量煤矿采空区,是一种经济、有效的方法,能为采空区工程验证和地质灾害治理提供依据
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