王揚州，邢　濤，孫文斌，郭生凱

(兗礦集團 東華建設有限公司，山東 鄒城 273500)

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地面及礦井井下瞬變電磁法探測礦井老窯水的應用研究

王揚州，邢濤，孫文斌，郭生凱

(兗礦集團 東華建設有限公司，山東 鄒城 273500)

煤礦采空區(qū)資料缺失、老窯水積聚范圍不明是下一步礦井重組、安全開采的重大安全隱患，而物探方法在老窯水探測中的作用日益顯現(xiàn)。通過研究瞬變電磁法在地面半空間和礦井井下全空間的應用技術，將兩種方法結合應用，能夠充分發(fā)揮瞬變電磁法的優(yōu)勢，對礦井老窯水做出有效探測。以某礦為研究對象，綜合運用地面和井下瞬變電磁法探查4#煤層采空區(qū)老窯水，有效地查明了煤層老窯水的位置及范圍，并指導了鉆探探放水工作，共探放老窯水5.9×104m3，排除了老窯水的安全隱患，取得了較好的探測效果。

地面瞬變電磁法；礦井井下瞬變電磁法；老窯水探測；勘探效果驗證

1　引　言

老窯指在礦井開拓前已存在的煤層采空區(qū)或停采已久的老井或巷道。礦井老窯水便是地下水聚積在這些采空區(qū)中形成的，其開采情況、積水量、積水范圍皆不易查明，而老窯水水量集中、來勢迅猛，給煤礦生產和工人的人身安全帶來了極大的危害[1]。我國煤礦常見的礦井水害事故多為老窯水所致[2]。

近年來，隨著國家對產能低下、技術落后的小煤礦的兼并重組力度的加大，大量未有效處置的采空區(qū)被遺留了下來。采空區(qū)數(shù)量多、范圍大、地質資料缺失，給資源整合和安全生產帶來了巨大的威脅，因此，查明原采空區(qū)積水情況及積水范圍是整合礦井下一步工作的重點。

目前，未知采空區(qū)老窯水所采用的探測手段與方法主要有地質調查、鉆探方法和物探方法3種。其中，我國的老窯的形成原因較為復雜，地質調查一般難以有效查明老窯水情況；鉆探方法在沒有較明確目標靶區(qū)的情況下，效率低、成本高，不能有效查明老窯水情況[3]。近年來物探方法在采空區(qū)老窯水探測中的應用越來越廣泛，特別是瞬變電磁技術，因其對低阻體反應敏感，二次場觀測分辨率高，具有工作效率高、施工方式靈活、施工條件要求低的特點，越來越受到人們的重視[4-7]。

但是物探手段是間接手段，其天然具有的體積效應、解釋結論存在多解性等問題始終困擾著探測工作的開展，因此采用單一物探方法很難達到理想的探測效果。通過采用將地面瞬變電磁方法和井下瞬變電磁探測技術相結合的方式，充分發(fā)揮其各自在老窯水探測中的優(yōu)勢，能夠對老窯水進行有效的探測，指導礦井的鉆探探放水工作，排除老窯水的安全隱患。實踐表明，綜合應用地面和井下瞬變電磁技術，能夠對老窯水進行有效的探測，取得較好的探測效果。

2　瞬變電磁原理技術及物理基礎

2.1瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法(Time Domain Electromagnetic Methods ，簡稱TEM)是利用不接地回線或電極向地下發(fā)送一次脈沖電磁場，在一次脈沖電磁場間歇期間，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應的地下渦流產生的二次電磁場的空間和時間分布，從而解決有關地質問題的時間域電磁法(圖1)。它是根據(jù)地質結構或地質體本身的物性差異，研究由強大的脈沖電流作為場源，激勵探測目的物感生的二次場隨時間的變化，來間接判斷構造地質、水文地質現(xiàn)象的一種方法。由于這些變化的二次場是脈沖源所感生的渦流場在地下擴散過程中地電介質的電磁散射場，因此包含了豐富的地電信息，通過對這些信息的提取和解釋，從而達到探測地下電性介質的目的[8，9]。

2.2老窯水探測的物理基礎

將瞬變電磁法應用于煤礦老窯水探測，其地球物理基礎主要是基于煤系各主要地層的電性差異，即電阻率存在不同，而含水層及采空區(qū)積水的電阻率較其他地層相對較低。

煤系地層大多形成于還原環(huán)境，煤層大多含黃鐵礦(FeS2)，而煤層開采后處于氧化環(huán)境，黃鐵礦與礦井水和空氣接觸后，經過一系列的氧化、水解等反應，生成硫酸和氫氧化鐵，使水呈現(xiàn)酸性，即產生了酸性老窯水。老窯水的酸性和礦化度一般會隨時間的延續(xù)而加強，使得老窯水的電阻率下降。表1為煤系地層各類巖石和各類水的電阻率值。

圖1　瞬變電磁法原理示意圖Fig.1　Principle of TEM

表1　常見巖石及水的電阻率

由表1可知，礦井水的電阻率值相對較低，與其他地層巖石電阻率存在較大差異，而一般來說，老窯水的電阻率值較礦井水電阻率值更低，這就為使用瞬變電磁法探測老窯水提供了較好的物性前提。同時，瞬變電磁法還具有低阻敏感的特點，更有利于老窯水的探測。

2.3瞬變電磁法分類

目前，將瞬變電磁法應用于煤礦水文探測時，按空間主要分為兩類：地面瞬變電磁法和礦井井下瞬變電磁法。

1)地面瞬變電磁法

地面瞬變電磁法作為傳統(tǒng)的勘探手段，屬于大地半空間效應的范疇，單就目前應用較為廣泛的不接地回線裝置來說，根據(jù)探測任務及探測深度的不同，常選擇重疊回線裝置、中心回線裝置、大定源回線裝置等[10]。該方法一般可用于在地面較大區(qū)域內探查采空區(qū)老窯水的位置和范圍，其優(yōu)點是探測深度大，垂向分辨率高，可大面積施工。但其對較小的富水體分辨能力欠佳，橫向分辨率不高，且施工工期較長，需提前計劃。

2)礦井井下瞬變電磁法

井下瞬變電磁法是一種近年來發(fā)展較為迅猛的技術方法，它采用的是多匝小回線裝置形式，適用于在礦井巷道空間，探查巷道周圍一定范圍內的含水體或含水構造。根據(jù)探測任務的不同，一般可分為巷道超前探測、工作面頂?shù)装逄綔y、巷道側幫探測等[11]。其優(yōu)點是可深入井下巷道中探測，距離目標體較近，分辨率高；不受施工條件限制，施工效率高；具有體積效應小、方向性較好、低阻敏感等特點。但該方法同時又具有探測距離有限、易受井下人文干擾、盲區(qū)相對較大、全空間多解性增加等不足。

根據(jù)上述兩種方法的特點，為了充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢和回避缺點，針對采空區(qū)老窯水的探測，可首先利用地面瞬變電磁法在地表進行較大面積區(qū)域的探測，圈定較大范圍的老窯水分布；然后在井下巷道掘進過程中運用礦井瞬變電磁法進一步確定老窯水的范圍及位置，并排查地面方法可能遺漏的較小富水體，指導鉆探工作對老窯水進行驗證疏放，解除采空區(qū)老窯水的安全隱患。

3　應用案例

某礦井為整合礦井，井田范圍內自上而下存在4#、6#兩層可采煤層，兩煤層間隔平均約30 m。相關資料顯示，4#煤層已基本采空，但因開采時間較長和開采不規(guī)范，采空區(qū)及采空區(qū)積水的范圍不明，在回采6#煤層過程中會受到4#煤層采空區(qū)積水的威脅，存在重大的安全隱患。為此選用地面瞬變電磁法和礦井井下瞬變電磁法來探測采空區(qū)積水的位置及范圍，給鉆探探放水工作提供目標靶區(qū)，取得了較好的應用效果。

3.1地面瞬變電磁探查

在勘探的前期，采用地面瞬變電磁法調查測區(qū)內4#煤層采空區(qū)積水的分布情況。選用加拿大PROTEM 57系列瞬變電磁儀，裝置形式為大定源回線裝置，發(fā)射頻率為6.25 Hz，低頻接收探頭，采樣時間為60 s，測網密度按40 m×40 m網格布設。探測范圍及測網布置情況如圖2(a)所示。

圖2(b)為4#煤層視電阻率等值線平面成果圖。通過圖2(b)的探測成果得出，在測區(qū)右上角存在一個范圍較大的相對低阻異常區(qū)域，最終圈定了一個老窯水富集區(qū)域，如圖3 所示。

3.2井下工作面瞬變電磁探查

同年在該區(qū)域內形成6#煤層某一工作面，工作面近切眼部分進入上述富水異常區(qū)域，為指導井下探放水工作和保障工作面的安全回采，在該工作面內使用礦井井下瞬變電磁法進行了工作面頂板水文物探工作，探查4#煤層采空區(qū)積水的范圍及位置。

勘查的儀器設備選用澳大利亞TerraTEM瞬變電磁儀，采用多匝小回線裝置形式對工作面頂板富水性及4#煤采空區(qū)積水情況進行探查，測線布置在工作面兩順槽及切眼內， 物理點點距10 m，每個物理點分別對工作面頂板30°、60°、90°三個探測方向進行探測，以實現(xiàn)對工作面頂板上方的全覆蓋(圖4)。

圖2　地面瞬變電磁測網布設及探測成果Fig.2　Layout of the ground TEM survey grid and detection results

圖3　地面瞬變電磁法采空區(qū)積水范圍成果Fig.3　Detection results of the water collecting area of the mined out area obtained by the ground TEM

圖4　礦井井下瞬變電磁法工作面頂板探測方向示意圖Fig.4　Detection direction of working face roof by the mine TEM

圖5(a)為工作面頂板視電阻率等值線斷面圖。圖5(a)的探測結果顯示，切眼處視電阻率值明顯下降，為此推斷工作面切眼附近范圍內頂板上方存在4#煤采空區(qū)積水，異常范圍如圖5(b)所示。對比圖3和圖5(b)可知，井下探測成果與地面瞬變電磁探查成果相吻合，且頂板富水范圍在工作面范圍內有所縮小。

圖5　礦井井下瞬變電磁工作面頂板探測成果Fig.5　Detection results of the water collecting area of the working face roof obtained by the mine TEM

圖6　鉆探探放水情況Fig.6　Drilling position and the amount of goaf water

3.3井下探放水工作及驗證情況

根據(jù)物探工作探查成果，在工作面順槽中開始對頂板4#煤層采空區(qū)進行探放水工作，近切眼位置處鉆孔開始出水，切眼位置處出水量較大，具體鉆孔位置及出水情況如圖6所示。經統(tǒng)計，本次探放水工作共計出水量約5.9×104m3，水質化驗為采空區(qū)老窯水。

通過探放水工作可得出，井下瞬變電磁所圈定的采空區(qū)積水范圍與實際出水規(guī)模與位置更加相符，地面瞬變電磁圈定范圍在工作面內部延伸距離較大，但其圈定的異常中心范圍與實際情況一致，也較好地探測出了采空區(qū)積水范圍。上述兩種物探成果均與探放水驗證情況相吻合，證實了物探成果的準確性和可靠性。同時，礦井井下瞬變電磁因其與含導水構造間的距離較小，分辨率高，能夠更準確地探明含水構造的范圍。

4　結　語

本文通過瞬變電磁法在地面和井下兩個方面的綜合運用，得出：地面瞬變電磁可在較大范圍內進行探查工作，明確老窯水的范圍和位置，為礦井生產提供相關的水文資料；礦井瞬變電磁可在井下距離目標體更近的位置探查采空區(qū)積水的范圍和位置，指導井下探放水工作，避免漏探。通過地面和井下瞬變電磁勘探的相互配合、相互驗證，能夠有效地查明采空區(qū)老窯水的分布范圍，可較好地指導探放水工作，達到有的放矢的目的，解除采空區(qū)老窯水的安全隱患。

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The Comprehensive Application of Ground and Mine Transient Electromagnetic Method to Detecting Mine Goaf Water

Wang Yangzhou，Xing Tao，Sun Wenbin，Guo Shengkai

(DonghuaConstructionCo.,Ltd.,YankuangGroup,ZouchengShandong273500,China)

The missing data of coal mine goaf and the unknown scope of goaf water are the hidden danger for the future mining reconstructing and safety exploration. The geophysical method in goaf water detection obviously plays an important role. Through the study of half-space TEM on the ground and full-space TEM underground, combining the comprehensive application of the two methods, the advantages of the TEM can be fully used and the detection of goaf water can be effectively made. Take a coal mine as example, applying ground TEM and underground mine TEM to detecting the goaf water area and position, the drilling work was guided. 5.9×104m3goaf water was discharged, the hidden trouble was removed and a good result has been obtained.

ground transient electromagnetic methods; mine transient electromagnetic methods; goaf water exploration; detection effect verification

1672—7940(2016)04—0453—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.04.009

王揚州(1985-)，男，工程師，主要從事地球物理勘探的生產和研究工作。E-mail:wyzou021@163.com

P631.3

A

2016-04-08