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由于近年来煤炭的大量开采,许多煤矿上组煤层的开发逐渐接近尾声。同时,在煤层埋藏较浅的矿区,由于小煤窑的随意开采,存在许多不明采空区。采完后的采空区大量积水,为下组煤层的开采带来严重的安全隐患,对煤矿安全生产构成极大威胁,并对地面建筑、地面工程结构物的稳定造成危害。因此,对采煤所遗空区的准确勘查,特别是上组煤的采空区积水情况,并了解和掌握采空区的地质构造、岩层特征、采矿条件,查清采空区赋存深度、大小、状态以及覆岩与煤层的结构特征和物理、力学性质是人们普遍关心的问题。地面采空区曲线形态的研究目前在国内尚属少见,在煤矿领域内的研究应用尚处在一个相对较低的水平,在对采空区内部探测的方法主理论研究不够深入,一些重要干扰和影响未曾考虑,资料解释方法粗糙简单,存在纰漏,应用效果不够理想。在探测富水区或潜在导水通道的位置及其分布范围等方面,瞬变电磁法是最有效的方法之一,其物理基础是富水区或潜在的导水通道相对于周围地层都有明显的电性差异。其曲线住采空区上的形态也很有特点,所以研究采空区上的曲线特征在今后的工作中有重要意义。
本文针对采空区的特点,采用采空区模型数值模拟和现场试验研究相结合的方法,从理论分析、曲线特征总结、试验对比、工程实例等各方面探索采空区曲线特征。具体研究内容如下:
(1)矿井积水采空区TEM探测物性响应特征研究。
煤矿采空区在形成年代、埋藏深度、空间结构、围岩条件、冒落、充填和积水情况都存在较大差异,因此不同采空区的物性反应也呈现出较大差异。本文通过建立各种采空区模型采用数值模拟和野外实测验证的方法系统地研究煤矿采空区尤其是积水采空区的瞬变电磁场响应特征。
(2)积水采空区TEM探测数据处理技术后曲线分析。
瞬变电磁法勘探数据处理技术随着计算机技术的发展也得到了长足的发展,传统的瞬变电磁法勘探尤其是中心回线装置都将激发线框中间1/9面积范围内的二次场近似为均匀场来处理,而实际上场的分布随着距离激发线框中心向外是逐渐变化的,这将导致在实测资料中有明显的边框效应。本文将对瞬变电磁非均匀场进行校正处理后观察曲线变化。
(3)积水采空区TEM探测现场试验研究及验证。
本文的主要目的是将积水采空区曲线和正常地层间的曲线比较,所以本文将结合先前在乌达矿业公司五虎山矿、苏海图矿等多个采区和工作面实测的TEM勘探工程实例及打钻验证结果进行综合分析。经多个矿区内已经验证过的瞬变电磁法探测积水采空区的实测资料进行瞬变响应曲线特征研究和试验验证,将其与正演模拟结果相对比,找出理论与实测瞬变电磁法积水采空区瞬变响应曲线特征的对应关系,最终得到积水采空区的瞬变曲线特征。
在理论研究的基础上,本文建立了煤层模型、单层采空区充水模型、双层采空区充水模型和冒落区采空模型四种模型,并进行了计算,得出以下五点结论:
(1)对于地层中夹有一层煤层的情况,由于煤层相对较薄(仅5m),且采样时间间隔较长,电磁波穿过时间较短,导致波长拉长后分辨力降低。因此对高阻层位分辨不明显,仅能显示出电阻率大致上的纵向变化趋势,无法显示出煤层的具体位置。对于两层高阻采空区地层,电阻率断面图分层明显,但对高阻区基本无反应。
(2)对于单层充水采空区,电压衰减曲线和电阻率曲线的异常均表现明显。这主要是由于电磁场的“影子”效应造成的。同时,低阻异常还有“拖长”现象,浅层到深层是贯通的。而在地层中含有两层相间的充水地层的情况下,上述现象更加明显。由于电磁波在低阻区传播慢、感应时间长、涡流较强,因此时间道电压衰减曲线在开始就有明显反映。
(3)高阻层厚度和规模也会对结果产生较大影响。这是由于地质体越厚,电磁波穿过地层时在高阻层停留的时间也越长,因此厚度较大的高阻地层对瞬变电磁法的结果将产生一定影响。
(4)正常情况下,衰减曲线以光滑指数衰减,电阻率曲线表现平缓。
类型1:衰减曲线整体抬升,视电阻率曲线偏低。
类型2:逐渐靠近积水采空区时,衰减曲线由凌乱逐渐表现为中间几道采样缺失,二次场值反向；刚进入采空区边界时,电阻率曲线异常凌乱,逐渐靠近采空区时,电阻率曲线表现为“低-高-低-高-低”的现象,而越靠近积水采空区,中点的高点越向深部移动,在到达采空区的位置时达到极值,这是由于积水采空区的边界效应影响逐渐增强所致。
(5)通过实测曲线分析,“飞点”是瞬变电磁固有现象,出现在大规模异常体边缘,测量曲线符合衰减特征,每一条曲线可由多条曲线合成,负值现象可以用叠加机理解释正演模拟。正演模拟目前无法计算此类曲线,三维分析有望解决。旁侧影响可能会导致错误结论,规模、距离、深度、导电性差异大小、时间位置等影响程度目前尚未明确。
本文的研究成果解决了多个矿区当前和今后矿井安全生产迫切需要解决的关键性技术难题,极大地提高了矿井安全生产的保障能力,对今后煤矿的积水采空区探测工作具有重要的参考价值和指导意义。