瞬變電磁法在煤礦采空區積水探測中的應用

路 翠 霞

(山西省地質勘查局二一二地質隊，山西 長治 046000)

瞬變電磁法在煤礦采空區積水探測中的應用

路 翠 霞

(山西省地質勘查局二一二地質隊，山西 長治 046000)

簡述了瞬變電磁法的工作原理及其優勢，介紹了瞬變電磁儀的特征和使用方法，結合工程實例，論述了瞬變電磁法的具體應用，并分析了瞬變電磁法的實際勘探效果，指出該方法進行采空區積水探測是可行的、有效的，值得推廣應用。

瞬變電磁法，采空區，電阻率

2009年，山西煤礦企業兼并重組后，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變為長壁式采煤方法，采用綜合機械化一次采全高的先進采煤工藝。但同時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，老空(窯)積水、礦井回采后采空區積水、采空區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事故。按照“預測預報、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手段，查明礦井水文地質情況，特別是采空區、相鄰礦井之間及關閉礦井老空(窯)積水等情況，為煤礦防治水工作提供依據，保證煤礦安全生產。

瞬變電磁法利用電磁感應原理，以其勘探深度大、體積效應小、工作效率高、受地形影響小、橫向分辨率高、對低阻地質體反應靈敏等優點，在探測煤層采空區積水、煤層頂底板含水層及構造富水性等方面越來越受到人們的重視。本文結合實際工作分析總結了瞬變電磁法在采空區積水探測中的實用性和有效性。

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的地下渦流產生的二次電磁場的空間和時間分布，從而來解決有關地質問題的時間域電磁法。TEM是以電磁感應定律為原理，以電阻率差異為基礎，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間的變化規律，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差異為勘探對象及解釋依據。瞬變電磁勘探的理論依據是利用組成地下介質層間的電性差異：含煤地層為沉積巖地層，地層橫向穩定、成層性較好，其電阻率與地層巖性對應，具有較好的成層規律。當煤層采空后為空洞或塌陷冒落后不含水時，電阻率值遠高于周圍巖層，表現為高阻特征；若采空區充水或巖層裂隙發育含水時，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。可以依據同一層位中相對的低阻異常反映來劃分采空積水區和富水異常區的分布范圍。

3 工作方法技術

瞬變電磁勘探使用儀器為加拿大GEONICS公司生產的PROTEM-67型瞬變電磁儀，是目前國際上最先進的瞬變電磁專業儀器。該系統采用發射和接收分離結構，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，該儀器關斷時間短、信息量大，不易失掉淺層信號，在地層產狀變化大的地區，一次布線可同時測量淺部和深部信息。同時PROTEM瞬變電磁儀分辨率高，動態范圍大，且有較強的壓制干擾能力，使其在任何地區均可順利觀測。

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

4 應用實例

4.1 長子某煤礦采空區積水探測中的應用

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3號煤層資源枯竭已閉井，計劃開采下組15號煤層。根據調查15號煤層先期開采地段有3號煤層采空區存在，3號煤層開采時曾出現涌水現象，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成較大威脅。為此，礦方委托二一二地質隊對先期開采地段進行了地面瞬變電磁勘探，以查明煤層采空區積水的分布范圍。

工作測網布置為線距40 m，點距20 m，采用大定源回線裝置，回線內接收，現場試驗后確定發射線框為400 m×400 m，頻率25 Hz，發射電流18 A，積分時間30 s。

圖1為780線視電阻率斷面圖，3號煤層附近在300點～500點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，結合調查情況分析為3號煤層采空區積水的反映。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號煤層底板標高抽取各測點在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號異常區位于勘探區西北部，異常范圍位于3號煤層已知采空區內，異常區面積較大，視電阻率最低，分析為3號煤層采空區積水的反映。

煤礦在工作面掘進過程中，根據物探資料對1號異常區的3號煤層采空區積水進行了探放，在15號煤層綜采工作面的運輸順槽和回風順槽布置鉆場2個，在不同方位各施工排水孔7個，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號煤層采空區的積水，需在井田北西部煤層底板低凹處施工1眼采空區積水抽排井。主要任務為采用瞬變電磁法圈定采空區積水巷道，然后采用小口徑鉆探進行驗證，經驗證后進行大口徑抽排井施工。

野外施工前，根據礦方提供的6號煤層采掘巷道，結合地面施工條件選擇了2個探測區，測網布置為線距20 m，點距10 m，工作裝置為大定源回線裝置，回線內接收。現場試驗后確定發射線框為160 m×160 m，頻率25 Hz，發射電流15 A，積分時間30 s。

按照6號煤層底板標高抽取各測點在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。結合收集的采掘資料，根據異常區的分布位置、面積及電阻率的大小等特征，建議選擇A1異常區的100線100點進行小口徑鉆探驗證。

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

5 結論與建議

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

2)鑒于礦井開采中面臨煤層頂底板含水層、采空區積水及構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，采用多參數綜合分析含水異常區的性質，提高采空區積水探測的準確性。

[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.

[2] 王元隆.晉城礦區王臺鋪煤礦采空區積水防治探討[J].中國煤炭地質，2012(2)：39-40.

[3] 周 韜，張開元.瞬變電磁法在探測煤礦采空積水區的應用[J].中州煤炭，2009(9)：103-104.

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">文獻標識碼：A

A