楊志國(guó)，于勤智

（安徽煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，安徽宿州234000）

瞬變電磁法在煤礦水害防治中的應(yīng)用

楊志國(guó)*，于勤智

（安徽煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，安徽宿州234000）

介紹了瞬變電磁勘探原理以及設(shè)備v8電法工作站，通過(guò)多次試驗(yàn)得出原始資料，進(jìn)行整理、歸類，建立相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)電磁響應(yīng)數(shù)值模擬分析，得出低阻異常，圈定了煤礦采空區(qū)，為煤礦安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

瞬變電磁；v8電法工作站；電性特征

1 概述

煤炭作為我國(guó)重要能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中依然占據(jù)半壁江山。目前全國(guó)煤礦兩萬(wàn)處，數(shù)量超過(guò)世界上其他主要采煤國(guó)煤礦總數(shù)。但是，我國(guó)煤礦穩(wěn)定性較差，地質(zhì)構(gòu)造相當(dāng)復(fù)雜，自然災(zāi)害因數(shù)較多，加上盲目開采，安全生產(chǎn)重視不夠，礦難時(shí)有發(fā)生，特別是透水事故，2000年1月11號(hào)徐州大黃山煤礦透水，20人死亡，2人失蹤。2010年3月28號(hào)，山西王家?guī)X煤礦發(fā)生透水，38名礦工遇難，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。因此，預(yù)防水害是煤礦安全生產(chǎn)重中之重，為了探明礦區(qū)水文地質(zhì)情況，安徽煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)受山西省同煤集團(tuán)委托對(duì)五里灣煤礦進(jìn)行瞬變電磁勘探。

2 水文地質(zhì)情況

本井田為一軸向北西的背斜構(gòu)造，由于層間裂隙水大部分屬承壓水，層間地下水分別沿背斜兩翼向地處匯集，加之?dāng)鄬右?guī)模小導(dǎo)水性極弱，井田構(gòu)造為各含水層富水性弱的重要影響因素之一。礦井主要可采煤層直接含水層為山西組、太原組砂巖裂隙含水層。間接充水層主要為奧灰?guī)r溶裂隙含水層，井田奧灰水位標(biāo)高1160～1180m左右。可采煤層8號(hào)煤的最低標(biāo)高位于井田東北處，經(jīng)計(jì)算，該處奧灰的突水系數(shù)為0.052MPa/m,小于受構(gòu)造破壞地段的突水系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值0.06MPa/m,奧灰水對(duì)井田煤層開采無(wú)影響，本礦現(xiàn)開采4號(hào)煤層，井下涌水量30～40m3/d,涌水量較小，經(jīng)綜合分析，本礦井水文地質(zhì)類型屬簡(jiǎn)單型。

3 礦井充水因素分析

（1）頂板和井筒裂隙滲漏。

（2）奧灰突水。根據(jù)推測(cè)的奧灰水位標(biāo)高，本礦主采煤層均處于奧灰水位之下，一般情況奧灰水對(duì)礦井生產(chǎn)不會(huì)造成影響，但若有大的隱伏構(gòu)造如斷層或陷落柱存在的導(dǎo)水性，有可能將奧灰水導(dǎo)入巷道，造成水患。

（3）相鄰礦井采空區(qū)和廢棄巷道積水。本礦井東部邊界相鄰礦井較多，多為地方小煤礦，應(yīng)該詳細(xì)了解相鄰礦井的開采情況，特別是采空區(qū)及廢棄巷道的分布情況及其積水程度。

表1 測(cè)區(qū)地層電阻率一覽表

4 瞬變電磁法方法技術(shù)

瞬變電磁法（簡(jiǎn)稱TEM）是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法。簡(jiǎn)單地說(shuō)，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應(yīng)定律，衰減過(guò)程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場(chǎng)相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度??；而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過(guò)測(cè)量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，可得到不同深度的電特征。由于該方法是純二次場(chǎng)測(cè)量，故與直流順便電磁勘探相比，具有對(duì)低阻地質(zhì)體反應(yīng)敏感，縱橫分辨率高，勘探深度大，不受地表高阻覆蓋層影響，工作效率高的優(yōu)點(diǎn)。

5 設(shè)備

本次工作使用在世界上屬技術(shù)領(lǐng)先的電磁法勘探設(shè)備之一——加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的v8電法工作站。系統(tǒng)由v8主機(jī)，輔助接收機(jī)、發(fā)射控制器、大功率發(fā)電機(jī)、30kW發(fā)射機(jī)和T4發(fā)射機(jī)、磁棒、接收線圈等組成該系統(tǒng)的硬件部分，并配有GPS和網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，可以進(jìn)行多種方法測(cè)量。系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是采用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主機(jī)可以對(duì)輔助接收機(jī)和發(fā)射控制器進(jìn)行操作，利用GPS衛(wèi)星時(shí)間達(dá)到時(shí)鐘同步，減少了由于時(shí)間不準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)的影響，增加了多種濾波功能，選擇不同的濾波功能，利用電流傳感器自動(dòng)記錄供電電流，使觀測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確、適時(shí)。

6 電性解釋與綜合地質(zhì)分析相結(jié)合

由于受目前技術(shù)手段和技術(shù)水平的限制，所獲得的各種原始信息及經(jīng)過(guò)處理的探測(cè)成果數(shù)據(jù)資料等，均存在一定的局限性或片面性。但從地質(zhì)規(guī)律而言，這些資料信息均存在一定的內(nèi)在聯(lián)系，在電磁法資料解釋的基礎(chǔ)上，對(duì)煤礦勘探和生產(chǎn)中所獲取的鉆探、巷探及采掘揭露的各種地質(zhì)資料信息，采用多種方法（如數(shù)理統(tǒng)計(jì)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)、數(shù)學(xué)模擬等）進(jìn)行綜合集成分析，去粗取精，去偽存真，從中提取有用的地質(zhì)信息，通過(guò)建立特定的數(shù)學(xué)地質(zhì)模型，總結(jié)和研究勘探區(qū)范圍內(nèi)的構(gòu)造發(fā)育和煤層厚度變化等地質(zhì)規(guī)律，進(jìn)一步細(xì)化資料解釋，得出符合地質(zhì)規(guī)律的電磁勘探結(jié)果，以提高成果的精度和可靠性。

本區(qū)覆蓋層、煤系地層及下伏巖層沉積序列清晰、穩(wěn)定?？v向上地層視電阻率具有一定的規(guī)律，而橫向上電性差異較小。當(dāng)有富水的斷層裂隙和采空區(qū)存在時(shí)，視電阻率呈現(xiàn)良導(dǎo)電體的特征，破壞了地層電性在橫向上的均勻性和縱向上的正常遞變規(guī)律，為使用電磁法探測(cè)富水地質(zhì)體，并研究它們的縱橫向力聯(lián)系提供了條件。

表2 反射邊長(zhǎng)：500試驗(yàn)2-4號(hào)點(diǎn)25Hz、8.333 Hz和2.5 Hz反演深度電阻率對(duì)比

7 采空區(qū)的電性特征及其含水性

在電性圖中，橫向上沉積地層的相對(duì)穩(wěn)定性帶來(lái)電性在正常情況下的均一變化，當(dāng)存在富水性構(gòu)造，采空區(qū)或其他良導(dǎo)電地質(zhì)體時(shí)（如斷層、破碎帶、含水層富水等）都將打破橫向電性均一性。當(dāng)其在三維空間上具有一定規(guī)模時(shí)可改變縱向和橫向電性的變化規(guī)律，表現(xiàn)為局部的區(qū)域性的電性異常。在正常煤系地層中電性關(guān)系應(yīng)基本均一，但在推斷的采空區(qū)附近出現(xiàn)的低阻異常帶致使煤層在采空區(qū)兩邊電性不連續(xù)，基于電性的判斷，推斷出以上的采空區(qū)。根據(jù)我隊(duì)提供的采空區(qū)位置，礦方技術(shù)人員與前期的三維地震勘探成果進(jìn)行了比較，采空區(qū)電性反應(yīng)明顯、清晰，同三維地震勘探成果吻合。

8 結(jié)語(yǔ)

瞬變電磁法（TEM）是煤礦水害防治中一種非常有效的方法，被廣泛采用。它具有許多優(yōu)點(diǎn)：施工方便，受地形影響小，對(duì)低電阻率地質(zhì)目標(biāo)體反應(yīng)敏感等。由于瞬變電磁勘探依然屬于電法體積勘探，一些規(guī)模較小富水區(qū)不足以產(chǎn)生較大的渦旋電流，在巷道開挖過(guò)程中，在開展地面綜合物探方法的同時(shí)，進(jìn)一步開展采掘巷道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，將是非常重要和必要的。

[1]牛之璉.時(shí)間域中磁法原理[M].長(zhǎng)沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1992.

[2]孫吉益.煤礦井下瞬變勘探測(cè)量影響因素探討[J].河北煤炭，2007，6（12）.

[3]劉樹才，等.瞬變電磁發(fā)在煤礦采區(qū)水文勘探中的應(yīng)用[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005.

[4]李文堯.順便電磁法觀測(cè)電位影響因素研究[J].昆明理工大學(xué).2005，4（21）.

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2014-08-07

2014-08-13

楊志國(guó)（1968-），男（漢族），安徽宿州人，工程師，現(xiàn)從事地球物理勘探工作。