路 翠 霞

(山西省地質(zhì)勘查局二一二地質(zhì)隊(duì)，山西 長治 046000)

瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)積水探測中的應(yīng)用

路 翠 霞

(山西省地質(zhì)勘查局二一二地質(zhì)隊(duì)，山西 長治 046000)

簡述了瞬變電磁法的工作原理及其優(yōu)勢，介紹了瞬變電磁儀的特征和使用方法，結(jié)合工程實(shí)例，論述了瞬變電磁法的具體應(yīng)用，并分析了瞬變電磁法的實(shí)際勘探效果，指出該方法進(jìn)行采空區(qū)積水探測是可行的、有效的，值得推廣應(yīng)用。

瞬變電磁法，采空區(qū)，電阻率

2009年，山西煤礦企業(yè)兼并重組后，各煤礦由原來的短壁刀柱炮采、以掘代采等回采率較低的采煤方法轉(zhuǎn)變?yōu)殚L壁式采煤方法，采用綜合機(jī)械化一次采全高的先進(jìn)采煤工藝。但同時(shí)大部分礦井也面臨上組煤層資源枯竭，需開采下組煤層的局面。而在開采下組煤層時(shí)，老空(窯)積水、礦井回采后采空區(qū)積水、采空區(qū)下山巷道封閉積水可能潰入礦井，因其瞬間水量較大，極易造成惡性人身傷害或透水停產(chǎn)事故。按照“預(yù)測預(yù)報(bào)、有掘必探、有采必探、先探后掘、先探后采”的防治水工作原則，需采用地球物理勘探等科學(xué)手段，查明礦井水文地質(zhì)情況，特別是采空區(qū)、相鄰礦井之間及關(guān)閉礦井老空(窯)積水等情況，為煤礦防治水工作提供依據(jù)，保證煤礦安全生產(chǎn)。

瞬變電磁法利用電磁感應(yīng)原理，以其勘探深度大、體積效應(yīng)小、工作效率高、受地形影響小、橫向分辨率高、對低阻地質(zhì)體反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，在探測煤層采空區(qū)積水、煤層頂?shù)装搴畬蛹皹?gòu)造富水性等方面越來越受到人們的重視。本文結(jié)合實(shí)際工作分析總結(jié)了瞬變電磁法在采空區(qū)積水探測中的實(shí)用性和有效性。

1 瞬變電磁法工作原理

瞬變電磁法(TEM)是利用不接地回線或接地電極向地下發(fā)送脈沖式一次電場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時(shí)間分布，從而來解決有關(guān)地質(zhì)問題的時(shí)間域電磁法。TEM是以電磁感應(yīng)定律為原理，以電阻率差異為基礎(chǔ)，在沒有一次場背景的情況下觀測純二次場異常，通過測量斷電后二次場隨時(shí)間的變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。

2 地球物理特征

地球物理勘探方法以各巖層的物理性質(zhì)差異為勘探對象及解釋依據(jù)。瞬變電磁勘探的理論依據(jù)是利用組成地下介質(zhì)層間的電性差異：含煤地層為沉積巖地層，地層橫向穩(wěn)定、成層性較好，其電阻率與地層巖性對應(yīng)，具有較好的成層規(guī)律。當(dāng)煤層采空后為空洞或塌陷冒落后不含水時(shí)，電阻率值遠(yuǎn)高于周圍巖層，表現(xiàn)為高阻特征；若采空區(qū)充水或巖層裂隙發(fā)育含水時(shí)，電阻率值則低于周圍巖層，在斷面圖上會形成橫向上的低阻異常，在順層切片圖中可形成封閉的低阻異常。可以依據(jù)同一層位中相對的低阻異常反映來劃分采空積水區(qū)和富水異常區(qū)的分布范圍。

3 工作方法技術(shù)

瞬變電磁勘探使用儀器為加拿大GEONICS公司生產(chǎn)的PROTEM-67型瞬變電磁儀，是目前國際上最先進(jìn)的瞬變電磁專業(yè)儀器。該系統(tǒng)采用發(fā)射和接收分離結(jié)構(gòu)，有5種野外觀測裝置，適合不同深度的勘探，PROTEM-67型最大勘探深度為1 000 m～1 200 m。此外，該儀器關(guān)斷時(shí)間短、信息量大，不易失掉淺層信號，在地層產(chǎn)狀變化大的地區(qū)，一次布線可同時(shí)測量淺部和深部信息。同時(shí)PROTEM瞬變電磁儀分辨率高，動(dòng)態(tài)范圍大，且有較強(qiáng)的壓制干擾能力，使其在任何地區(qū)均可順利觀測。

采空區(qū)積水探測野外工作裝置一般采用大定源回線裝置，采用回線內(nèi)測量，發(fā)射線圈一般為正方形，盡可能布設(shè)在同一平面上。施工前首先在已知地段進(jìn)行試驗(yàn)，確定發(fā)射線圈大小，選擇最佳頻率、發(fā)射電流、積分時(shí)間及增益等。接收裝置為專用空心線圈，接收時(shí)盡可能遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場及金屬干擾物等強(qiáng)干擾源，有電磁干擾時(shí)采取增加觀測次數(shù)來壓制干擾信號。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 長子某煤礦采空區(qū)積水探測中的應(yīng)用

長子某煤礦主要可采煤層為二疊系山西組的3號煤層和石炭系太原組15號煤層。3號～15號煤層間距91 m～133 m，平均105 m。

井田內(nèi)3號煤層資源枯竭已閉井，計(jì)劃開采下組15號煤層。根據(jù)調(diào)查15號煤層先期開采地段有3號煤層采空區(qū)存在，3號煤層開采時(shí)曾出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，涌水量60 m3～70 m3，加之3號煤層底板起伏較大，低凹處極易形成積水，對下組煤層的開采構(gòu)成較大威脅。為此，礦方委托二一二地質(zhì)隊(duì)對先期開采地段進(jìn)行了地面瞬變電磁勘探，以查明煤層采空區(qū)積水的分布范圍。

工作測網(wǎng)布置為線距40 m，點(diǎn)距20 m，采用大定源回線裝置，回線內(nèi)接收，現(xiàn)場試驗(yàn)后確定發(fā)射線框?yàn)?00 m×400 m，頻率25 Hz，發(fā)射電流18 A，積分時(shí)間30 s。

圖1為780線視電阻率斷面圖，3號煤層附近在300點(diǎn)～500點(diǎn)之間視電阻率等值線向下凹陷(圖1中虛線所示)，呈相對低阻特征，視電阻率值小于48 Ω·m，結(jié)合調(diào)查情況分析為3號煤層采空區(qū)積水的反映。15號煤層附近視電阻率等值線較為平緩，沒有明顯的異常。

按照3號煤層底板標(biāo)高抽取各測點(diǎn)在3號煤層位置的視電阻率值繪制了順層切片圖，如圖2所示。根據(jù)視電阻率斷面圖的分析以48 Ω·m為界圈劃了3處低阻異常范圍(圖2中陰影部分)，其中1號異常區(qū)位于勘探區(qū)西北部，異常范圍位于3號煤層已知采空區(qū)內(nèi)，異常區(qū)面積較大，視電阻率最低，分析為3號煤層采空區(qū)積水的反映。

煤礦在工作面掘進(jìn)過程中，根據(jù)物探資料對1號異常區(qū)的3號煤層采空區(qū)積水進(jìn)行了探放，在15號煤層綜采工作面的運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽布置鉆場2個(gè)，在不同方位各施工排水孔7個(gè)，鉆孔垂距109 m～116.5 m，最大排水量5 000 m3/d，最小排水量480 m3/d～720 m3/d。施工2個(gè)月共探放老空水約21.0萬m3，為綜采工作面的安全開采消除了隱患。

4.2 沁源某煤礦采空區(qū)積水巷道探測

沁源某煤礦主要可采煤層為二疊系山西組的3號煤層和石炭系太原組的6號、9號+10號、10號下及11號煤層，可采煤層平均總厚8.11 m。

本礦井整合前各礦曾開采6號、9號+10號煤層，整合后擬開采3號、6號煤層。根據(jù)資料6號煤層開采方式為巷采，低凹處有積水。為抽排6號煤層采空區(qū)的積水，需在井田北西部煤層底板低凹處施工1眼采空區(qū)積水抽排井。主要任務(wù)為采用瞬變電磁法圈定采空區(qū)積水巷道，然后采用小口徑鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)驗(yàn)證后進(jìn)行大口徑抽排井施工。

野外施工前，根據(jù)礦方提供的6號煤層采掘巷道，結(jié)合地面施工條件選擇了2個(gè)探測區(qū)，測網(wǎng)布置為線距20 m，點(diǎn)距10 m，工作裝置為大定源回線裝置，回線內(nèi)接收?，F(xiàn)場試驗(yàn)后確定發(fā)射線框?yàn)?60 m×160 m，頻率25 Hz，發(fā)射電流15 A，積分時(shí)間30 s。

按照6號煤層底板標(biāo)高抽取各測點(diǎn)在6號煤層位置的視電阻率值繪制了順層切片圖，如圖3所示。根據(jù)周圍地層的電阻率值以50 Ω·m為界圈劃了4處低阻異常范圍(圖3中陰影部分)，分析為巷道積水的反映。結(jié)合收集的采掘資料，根據(jù)異常區(qū)的分布位置、面積及電阻率的大小等特征，建議選擇A1異常區(qū)的100線100點(diǎn)進(jìn)行小口徑鉆探驗(yàn)證。

小口徑鉆探驗(yàn)證孔在鉆進(jìn)至孔深145.0時(shí)出現(xiàn)掉鉆，巖芯中有坑木，證明6號煤層為采空區(qū)。而后在距其50 cm處施工大口徑采空區(qū)積水抽排井，鉆至孔深102.0 m后，受鉆探空氣壓力的影響，孔口發(fā)生冒水，水柱高約6 m，涌水量約150 m3/h。施工結(jié)束后進(jìn)行的抽水試驗(yàn)結(jié)果表明：靜止水位埋深為106.4 m，水位降深28.9 m，出水量為100 m3/h，說明煤層采空區(qū)積水量較大，也驗(yàn)證了物探推斷結(jié)論的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論與建議

1)利用瞬變電磁法進(jìn)行采空區(qū)積水探測是可行和有效的。該方法因其勘探深度大、體積效應(yīng)小、工作效率高、受地形影響小、橫向分辨率高、對低阻地質(zhì)體反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦采空區(qū)積水探測中的應(yīng)用越來越廣泛，是一種很有發(fā)展前景的物探手段，對煤礦防治水及煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

2)鑒于礦井開采中面臨煤層頂?shù)装搴畬?、采空區(qū)積水及構(gòu)造水等多種充水水源，以及物探資料的多解性，建議采用綜合物探手段，采用多參數(shù)綜合分析含水異常區(qū)的性質(zhì)，提高采空區(qū)積水探測的準(zhǔn)確性。

[1] 馮 兵.工程及水文物探教程[M].西安：陜西人民教育出版社,2003.

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On application of transient electromagnetic exploration in accumulated supervision in coal mine goaf

Lu Cuixia

(212GeologicalBrigade,ShanxiGeologicalSurveyBureau,Changzhi046000,China)

The paper indicates the principle and advantages of the transient electromagnetic exploration,introduces its features and methods,indicates its application of the method by combining with the engineering cases,analyzes its survey and operation effect,and points out it is feasible for the accumulated water supervision in the goaf,so it can be further extended.

transient electromagnetic exploration,goaf,resistivity

2015-10-15

路翠霞(1971- )，女，工程師

1009-6825(2015)36-0060-03

P631.325 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

A