瞬變電磁法在鳳凰山礦采空區防治水中的應用

張志強

(太原理工大學礦業學院、晉城煤業集團鳳凰山煤礦)

·試驗研究·

瞬變電磁法在鳳凰山礦采空區防治水中的應用

張志強

(太原理工大學礦業學院、晉城煤業集團鳳凰山煤礦)

礦井水害一直是我國煤礦安全生產的重要問題，采空區水害防治是礦井水害防治的重中之中。在對采空區突水機理進行分析的基礎上，利用瞬變電磁法對老采空區積水進行探測能有效地預防礦井水害，對煤礦的安全開采具有重要的意義。

瞬變電磁法；采空區；突水；防治水

我國煤炭資源豐富，是世界產煤最多的國家之一，原煤總產量的95%來自地下開采。然而我國煤田地質條件十分復雜，突水事故、瓦斯災害是世界上最嚴重的國家，受水威脅的煤炭儲量占探明儲量的27%。

老空水具有分散、孤立和隱蔽的特點，其位置不易確定。老空水的空間位置不易確定，老空水水體空間分布的形態非常復雜，老空水的邊界、積水的形狀多變，深度和層位不一，大小各異，既有連成一片，較易探明的較大積水區，也有孤立存在、很難用鉆探查明的較小積水區，要查清老空水的空間分布非常困難。且老空水探放后，如何確定老空是否存在積水至今沒有非常直觀明了的手段。

在我國煤礦水害防治技術方法、手段中，最主要的是地球物理勘探技術。地球物理勘探技術經過多年的發展，其在地質、水文地質探查中的地位和作用越來越明顯、重要。加上其方便、快捷的優勢，近幾年在煤礦防治水領域得到了極大推廣和應用。

1 礦井瞬變電磁技術法基本原理

1) 瞬變電磁法基本理論。瞬變電磁法或稱時間域電磁法(簡稱TEM)，它是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。簡單地說，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應定律。其基本工作方法：在地面或空中設置通以一定電流的發射線圈，從而在其周圍空間產生一次電磁場，并在地下導電巖礦體中產生感應電流，斷電后，感應電流由于損耗而隨時間衰減。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小; 而晚期成分則相當于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規律，可得到不同深度的地電特征。在電導率為σ、磁導率均為μ0的大地表面附設面積為S的矩形發射線圈。

2) 礦井瞬變電磁施工技術。礦井瞬變電磁探測方法依據所探測的目標及探測場地的不同有兩種方式：偶極方式和中心方式。

若在井下巷道中對煤層頂底板進行探測時，由于巷道相對瞬變電磁探測要求的最小距離(5 m)要大的多，一般采用移動式的偶極探測方式。通過在巷道內移動瞬變電磁系統和改變發射及接收線圈的方向，可以對煤層頂底板不同方向進行探測，得到一個扇形空間的探測信息。

2 礦井瞬變電磁探測成果

2.1探測方案

線圈法線垂直指向頂板、向工作面內頂板上60°方向、45°方向以及30°方向對頂板進行富水性探測，見圖1。

進風巷、切眼及軌道巷瞬變電磁探測總體布置方案路線見圖2。

本次瞬變電磁法探測選用發射電流為1 A，頻率25 Hz，發射線圈2 m×2 m×64匝，接收線直徑0.6 m。隅極觀測系統，接收線與發射線圈的間距10 m，探測段為154305進風巷1 170 m和切眼工作面170 m以及軌道巷1 000 m共3段，測線總長為2 340 m。發射線框和接收線框分別為匝數不等且完全分離的2個獨立線框，以便與煤層頂板含水異常體產生最佳耦合響應。為探測含水構造的發育情況，實際測量時將測量裝置布置在巷道靠近煤幫，測點分別布置在巷道側幫，沿巷道逐點進行探測，測線布置長度為2 340 m，完成探測936個物理點，采集數據936組。最后對整個探測結果進行資料處理、分析和解釋。

圖1 探測方式及方向布置示意圖

圖2 154305工作面巷道瞬變電磁探測方案布置示意圖

2.2探測方案

探測平面成果及分析。通過對探測數據的分析整理，分別生成154305工作面頂板25 m及頂板40 m 2個層的視電阻率分布圖，進行分析頂板的富水性分布情況。見圖3，圖4。

1) 從圖3可以看出，在25 m水平上較40 m水平上相對富水性要強。

2) 在25 m水平的進風巷探測成果上，主要的相對低阻異常區有：

a) 0～120 m段，在工作面內大約20 m存在一低阻異常區，可能頂板富有一定的水，但從其分布情況看，其富水水量較小。

b) 在220 m附近段，存在一較小的低阻異常區，其水量不大。

c) 在390～450 m段，存在2個較小的低阻異常區，根據探測時環境干擾情況分析，有可能與巷道水坑及絞車房的存在有關。

d) 在520～580 m段，此段低阻異常響應不是很明顯，富水性相對較差，但可能存在一定的未排干的積水，或為泥質含量較高段。

e) 650～700 m段，此段存在一個明顯的低阻異常帶，在所探測的范圍內均存在低阻異常明顯區，此異常區有聯通工作面內部及工作面北部區域富水區的可能性。

圖3 154305工作面頂板上25 m相對富水性分布示意圖

圖4 154305工作面頂板上40 m相對富水性分布示意圖

f) 760～910 m段，存在幾處狹長的低阻異常區，此異常區形態特征可能與過水通過有關，而周圍的相對高阻區可能為已排出水體的原富水區域。

g) 970 m～切眼段，在靠近進風巷一側存有部分低阻異常區，可能含有部分未排干的水體，水量不大。但有是否導通工作面北部區域富水區，本次探測成果沒有結論。

3) 在25 m水平切眼探測成果上，主要的相對低阻異常區有：

a) 30 m內，在靠近切眼附近存在較低的視電阻率異常區，頂板相對富水，此異常區受到巷道積水一定程度的干擾。

b) 在60～80 m段、130～160 m段，靠近切眼附近存在相對低阻異常區，巖體相對富水，其富水程度不大。

4) 在25 m水平軌道巷探測成果上，主要的相對低阻異常區有：

a) 在0～30 m段，存在低阻異常區，頂板相對富水，但在探測異常范圍內異常區不大。可能富有較小區域的水，隨著頂板長時間的淋水，此富水區水可能會被排出。在探測施工時巷道干擾物相對較多，對探測結果有一定的影響。

b) 在40～280 m段，視電阻率值相對較高，積水已基本排出，在局部存在不太明顯的低阻異常區，主要為潮濕的泥質堆積或少量積水。

c) 300～600 m段，在工作面內部存在相對較大范圍的低阻異常區域，局部可能相對富水。其中，在290～330 m、390～420 m、480～520 m段為相對富水區域。可能存在部分積水，或積水未排出區域。其它部位則可能為潮濕泥質堆積或少量未排干水。

5) 從圖4可以看出：

a) 在進風巷頂板探測段的1 080～900 m段，探測結果顯示出為高阻異常區。對應于軌道巷段40～300 m段，同樣為高阻區域。而在25 m水平上，此段同樣為相對高阻區。可見，此段頂板積水區積水已基本排出。

b) 在進風巷40 m探測成果切片上，基本上不存在低阻異常區域。在10 m、220 m及750 m處存在很小的低阻異常區，可能為巷道干擾所致，致使富水，其水量也不大，對生產不會造成影響。

c) 在切眼40 m水平探測成果切片上，可以看出，在20～50 m段、110～140 m段，工作面內部約30～70 m深位置，存在2條帶狀的相對低阻區域，可能與切眼位置較低有關。

d) 在軌道巷40 m切片圖中，可看到大部分低阻異常不明顯。在靠近切眼附近、170～200 m段、550～600 m段等處，存在相對的低阻異常區，可能為局部未排干的少量積水或為潮濕巖體。

e) 在軌道巷40 m切片的770～840 m段，基本上有陷落柱的一個大體形狀，此陷落柱狀邊為相對高阻區，柱內為相對低阻區，整體上此陷落柱汪富水，柱體邊部巖體相對松散不富水，柱內巖體相對密實。

3 結 論

綜合上述實例和其它采空區水文探測項目證明，利用瞬變電磁法對采空區進行水文探測有良好的效果，對煤礦防治水乃至煤礦安全生產具有重要的意義。

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[4] 劉樹才，劉志新，姜志海.瞬變電磁法在煤礦采區水文勘探中的應用[J].中國礦業大學學報，2005(7):40-41.

ApplicationonDTMinFenghuangCoalMineGobtoPreventtheBlastWater

ZhangZhi-qiang

Picked to be our coal mine water disasters production safety was an important issue, an empty area to control water disasters is a mine of the prevention and control water disasters. in the area to gather the mechanism of this analysis, on the basis of the blast grew DTM empty area to test the water on the effective prevention of mine for coal mine water disasters, the security of the mining has significance.

DTM；Gob；Sudden inflow of water；Preventing water

張志強 男 1980年出生 2009年太原理工大學在讀工程碩士 助理工程師 太原 030024

TD16

A

1672-0652(2010)10-0011-03

2010-08-22