一种多层采空积水区的井地联合探测方法与流程

本发明涉及一种多层采空积水区的井地联合探测方法，具体涉及地面及井下瞬变电磁法探测技术和地面及井下激发极化法探测技术；主要应用在上覆多层采空积水区探测领域的应用。

背景技术：

采空区积水是诱发我国煤矿特大突水灾害事故的主要原因之一。当煤矿从浅部向深部逐层开采后，上部煤层采空区内常成为积水区域，将对下部煤层的生产带来安全隐患。多层采空积水区的探测已经成为煤矿防治水必不可少的重要工作。

目前，国内外煤矿采空积水区探测技术主要有：直流电阻率测深法、激发极化法、瞬变电磁法等。当有多层采空积水区时，目前的探测方法存在的主要技术问题有：

（1）目前使用最多的方法是地面瞬变电磁法或井下瞬变电磁法，由于方法单一，成果的多解性问题严重，低阻异常区解释过多、过大，矿方验证的准确率较低；

（2）当地形复杂时，地面直流电阻率测深法和电剖面法的地形校正问题难以解决，地面瞬变电磁法的地形校正也不完全，导致解释结果出现误解释和漏解释的情况；

（3）当地面存在高压线等干扰时，干扰范围内采集的数据畸变，影响地面直流电阻率测深法、激发极化法、瞬变电磁法等电法方法数据的质量及解释的结果；

（4）当有多层采空积水区时，地面瞬变电磁法的探测效果受最上一层采空积水区低阻屏蔽效应的影响显著，影响范围内的下层采空积水区范围难以确定；

（5）当井下瞬变电磁法施工时，由于巷道内电磁环境复杂，影响探测效果；瞬变电磁法向上探测多层采空积水区时，探测效果受最下一层采空积水区低阻屏蔽效应的影响明显。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种多层采空积水区的井地联合探测方法，可实现多层采空积水区的分层识别和精确探测。通过多种探测方法合理组合、科学设计及综合解释，减少了常用电法方法的多解性，提高了预测成果的准确性，优化了疏放水孔位置及钻探目标，提高了疏放水效果，保障了煤矿安全生产。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种多层采空积水区的井地联合探测方法，使用地面电法方法向下探测、井下电法方法向上探测，井下和地面的电法方法各至少选择一种，实现采空积水区的井地联合探测。

所述方法具体包括以下步骤：

步骤一，电法方法选择：电法方法的选择有地面瞬变电磁法、地面激发极化法、井下瞬变电磁法或井下激发极化法；

步骤二，采空煤层连通性计算：根据探测区域的地质资料和煤层开采记录，计算冒落带、导水裂隙带的最大高度，分析判断采空煤层各层间的连通性。

步骤三，电法方法的组合形式。根据步骤二连通性的计算结果，设计电法方法的组合形式，根据采空煤层具体数量及空间关系，井下和地面的电法方法各至少选择一种。假设采空煤层数为n，内含积水区的煤层数为m（1≤m≤n），具体组合形式为：

s1：当m=1时，即仅有1个采空煤层含有积水区，井下及地面电法方法各选择1种，如井下瞬变电磁法、地面瞬变电磁法；

s2：当m=n时，即各采空煤层内均含积水区，井下及地面电法方法各选择2种，如井下瞬变电磁法及井下激发极化法、地面瞬变电磁法及地面激发极化法；

s3：当1＜m＜n时，即部分采空煤层内含有积水区，井下及地面电法方法可根据步骤二结果灵活选择各1~2种，如井下瞬变电磁法、地面瞬变电磁法、地面激发极化法。

步骤四，测线布置：在井下采煤工作面上下顺槽、切眼及联络巷等巷道布置测线，井下瞬变电磁法及井下激发极化法测线的平面位置相同，点距相同。地面瞬变电磁法及地面激发极化法的测线位置以井下测线的地面投影为基准，向两侧按固定的线距延伸布置，点距相同。

步骤五，探测方向设计：地面电法方法均为向下探测，井下电法方向均为向上探测；井下瞬变电磁法可向上多方向探测。

步骤六，数据采集及资料处理：各种电法方法按照各自的采集及处理规范进行。

步骤七，综合解释：利用井下物探成果、地面物探成果、煤矿水文地质资料、煤矿采掘工程资料进行综合解释。

使用地面电法方法向下探测、井下电法方法向上探测，井下和地面的电法方法各至少选择一种，实现采空积水区的井地联合探测。

电法方法的组合形式选取的原则是根据多层采空区连通性的计算结果，分析积水层数。

地面电法点距及线距的选择原则是点距≤20m，线距≤40m；井下电法测点的点距原则上不大于地面测点的点距。

井下瞬变电磁法向上探测时，探测方向（即发射框的法线方向）根据探测目标采空煤层的区域以及地面测线位置进行设计，原则是探测方向与探测目标采空煤层的交线在地面上的投影位置与地面测线重合，探测方向角由下式计算：

——井下瞬变电磁法探测方向角，i为设计的方向角个数，i=0，1，2，……；

y——地面测线线距；

h——井下巷道测点位置与目标采空煤层的距离。

本发明的有益效果：

本发明可实现多层采空积水区分层识别和精确探测，减少了常用电法方法的多解性，提高了预测成果的准确性，优化了疏放水孔位置及钻探目标，提高了疏放水效果，保障了煤矿安全生产，改善或排除了煤炭开采的重大安全隐患。

附图说明

图1是本发明中探测方法示意图。

图2是本发明中井上、下测线布置立体图。

图3是本发明中井下瞬变电磁法探测方向设计示意图。

图4是本发明中井下瞬变电磁α=0°的视电阻率断面图。

图5中的勘探范围段是本发明中与图4对应的地面瞬变电磁法视电阻率断面图。

图6是本发明中与图4对应的地面激发极化法视电阻率剖面图。

图7是本发明中与图4对应的地面激发极化法视极化率剖面图。

图中：1—地面；2—第一煤层；3—第二煤层；4—第三煤层；5—采煤工作面；6—巷道；7—切眼；8—采空积水区；9—工作面地面投影；10—测线；11—测点；12—探测方向。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

煤系地层多煤层开采是国内外常见的开采情况，如图1所示为一种多层采空积水区的井地联合探测方法的探测方法示意图。图中所示地层中共含有n+1层(n为采空煤层数，1为现采煤层)煤层，当煤矿从浅部向深部逐层开采后，上部煤层采空区内常成为积水区域，假设m层采空煤层内含有积水，将对下部煤层的生产带来安全隐患。为了探明采空煤层积水区的范围，提出一种多层采空积水区的井地联合探测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，根据探测区域的地质资料和电法方法的适用性，对电法方法进行选择。电法方法的选择类型有地面瞬变电磁法、地面激发极化法、井下瞬变电磁法、井下激发极化法。其中，井下和地面的电法方法各至少选择一种，使用地面电法方法向下探测、井下电法方法向上探测，实现采空积水区的井地联合探测。

本实例为在同煤集团燕子山矿山西组4号煤层8210工作面的探测实例。在本实例中，现采煤层为山4号煤层，8210工作面上覆煤层由上到下有侏罗系7号、11号、14-2号、14-3号等四层煤层采空区，均为工作面长壁采煤法。7号煤层距离11号煤层约65m，11号煤层距离14-2号煤层约28m，14-2号煤层距离14-3号煤层约20m，山4号煤层距离14-3号煤层约165m，地面距离14-3号煤层约300m。物探工作分别在井下8210工作面两个顺槽和地面展开。

步骤二，采空煤层连通性计算。根据探测区域的地质资料和煤层开采记录，采用《矿区水文地质工程地质勘探规范》（gb12719-91）附录f之规定，计算导水裂隙带（包括冒落带）的最大高度，分析采空煤层各层间的连通性，为电法方法的组合形式及参数选择提供指导。

在本实例中，计算结果表明，导水裂隙贯通7号煤层、11号煤层、14-2号煤层、14-3号煤层，四个煤层所在区域的采空区连通，采空区积水下泄至14-3号煤层。因此，本实例中的采空积水煤层仅为14-3号煤层。

步骤三，井上、下多种电法方法的组合形式。根据步骤二连通性的计算结果，设计电法方法的组合形式。电法方法的组合形式选取的原则是根据多层采空区连通性的计算结果，分析积水层数，井下和地面的电法方法各至少选择一种。假设采空煤层数为n，内含积水区的煤层数为m（1≤m≤n），具体组合形式为：

s1：当m=1时，即仅有1个采空煤层含有积水区，井下及地面电法方法各选择1种，如井下瞬变电磁法、地面瞬变电磁法；

s2：当m=n时，即各采空煤层内均含积水区，井下及地面电法方法各选择2种，如井下瞬变电磁法及井下激发极化法、地面瞬变电磁法及地面激发极化法；

s3：当1＜m＜n时，即部分采空煤层内含有积水区，井下及地面电法方法可根据步骤二结果灵活选择各1~2种，如井下瞬变电磁法、地面瞬变电磁法、地面激发极化法。图1中所示的电法方法即为此种的组合形式。

在本实例中，采空煤层数为4，内含积水区的煤层数为1，井下方法选择1种即瞬变电磁法，地面方法选择因为有高压线干扰而选择2种即瞬变电磁法和激发极化法。

步骤四，井上、下测线布置，如图2所示。在井下采煤工作面上下顺槽、切眼及联络巷等巷道布置测线，井下瞬变电磁法及井下激发极化法测线的平面位置相同，点距相同。地面瞬变电磁法及地面激发极化法的测线位置以井下测线的地面投影为基准，向两侧按固定的线距延伸布置，点距相同。地面电法点距及线距的选择原则是点距≤20m，线距≤40m；井下电法测点的点距原则上不大于地面测点的点距。

在本实例中，地面测线10（瞬变电磁测线与激发极化测线重合）按照40m（线距）×20m（点距）的网度布置，井下瞬变电磁测线10点距按10m布置。

步骤五，探测方向设计，如图3所示。地面电法方法均为向下探测，井下电法方法均为向上探测。井下瞬变电磁法向上探测时，探测方向（即发射框的法线方向）根据探测目标采空煤层的区域以及地面测线线距进行设计，原则是探测方向与探测目标采空煤层的交线在地面上的投影位置与地面测线重合，探测方向角由下式计算：

——井下瞬变电磁法探测方向角，i+1为设计的方向角个数，i=0，1，2，……；

y——地面测线线距；

h——井下巷道测点位置与目标采空煤层的距离。

在本实例中，y=40m，h=165m，计算得：α1=0°，α2=14°，α3=26°，α4=36°，α5=44°，即每测点除垂直向上的方向外，工作面内、外方向各观测4个方向，共计9个方向。

步骤六，数据采集及资料处理。各种电法方法按照各自的采集及处理规范进行。

r1：井下瞬变电磁仪向上探测、地面瞬变电磁向下探测，其数据采集和处理步骤为：首先进行点试验，检验瞬变电磁仪的性能是否满足探测要求，同时确定瞬变电磁发射线框的高度、发射频率、发射电流、采样延时、叠加次数等参数；其次，进行线试验，确定选择的点距及仪器装置参数的有效性；最后，在设计的测点位置进行井下、地面瞬变电磁探测，记录探测数据，绘制井下瞬变电磁视电阻率断面图和地面瞬变电磁视电阻率断面图，分别如图4和图5所示。

r2：在地面激发极化法测线（与地面瞬变电磁测线重合）上，采用地面激发极化法从地面向下探测。本实例选用的是五极距对称四极激电剖面法，测量完毕后，绘制地面激发极化法视电阻率剖面图和视极化率剖面图，分别如图6和图7所示。

步骤七，综合解释。利用井下物探成果、地面物探成果、煤矿水文地质资料、煤矿采掘工程资料进行综合解释，按照各电法方法视电阻率及极化率的阈值范围确定采空积水范围。

在本实例中，图4中的20号点附近有明显的低阻反映，其余低阻处均为巷道防爆水袋、铁质设备、底板积水等干扰；在图5的20号点对应的14-3煤层附近为相对低阻反映，旁边的高阻圈闭为留设煤柱的反映；在图6的20号点对应的14-3煤层附近地面激发极化法的视电阻率剖面图由于地形变化影响而显示为相对高阻，但图7的20号点附近地面激发极化法的视极化率剖面图中ab/2=300m处的视极化率为高值，说明20号点附近的14-3号煤层中有采空积水。