大定源回線裝置在礦井水文地質勘查中的應用

徐劍鋒

摘 要：該煤礦的地質災害主要有瓦斯、水害、火災等，其中水害是在影響煤礦生產安全中最為嚴重，煤礦在掘進或工作面回采過程中，巖層的天然平衡被破壞，周圍水體通過斷層、陷落柱、隔水層和巖層薄弱處進入采掘工作面而形成的突水事故。該文介紹了瞬變電磁大定源回線裝置勘查方法對鑫和煤礦水文地質勘查的主要成果，圈定了礦區不同位置采空區可能積水的低阻區域，為以后礦山安全生產提供了一定的科學依據。

關鍵詞：大定源回線裝置 水文地質勘查 應用

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（a）-0062-02

鑫和煤礦位于河南省陜縣王家后鄉（原柴洼鄉）龍潭村境內，地表屬低山丘陵區地形，區內地勢溝谷較發育，整體地形自北向南呈高-低-高-低-高的“W”趨勢。為查明該礦范圍內小煤礦采空區的分布特征及賦水性，評價斷層的賦水性及影響范圍，在該礦使用瞬變電磁大定源回線裝置進行有針對性的勘測，取得了顯著效果，為鑫和煤礦水文地質條件提供了依據。

1 瞬變電磁大定源回線裝置的工作原理及前提條件

瞬變電磁法是利用不接地回線或電極向地下發送脈沖式一次電磁場，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，來解決有關地質問題的時間域電磁法。瞬變電磁法有以下特點：（1）把頻率域的精度問題轉化為靈敏度問題，加大功率和提高靈敏度就可以增大信噪比，加大勘探深度；（2）在高阻圍巖區地形起伏不會產生假異常，在低阻圍巖區，由于多道觀測，早期道的地形影響也較易分辨；（3）可以采用同點組合進行觀測，由于與勘探目標的耦合緊密，取得的異常響應強，形態簡單，分層能力強；（4）對線圈位置、方位或收發距要求相對不高，測地工作簡單、工效高；（5）有穿透低阻的能力，探測深度大；（6）剖面測量和測深工作同時完成，提供了較多的有用信息，減少了多解性。

有限導電地質體瞬變電磁響應可以用一個具有電阻和電感的回線上的響應相等效，回線中的感應電壓v2（t）正比于二次磁場的時間導數：

v2（t）∝

式中：τ為衰減的時間常數。

大定源回線裝置是瞬變電磁測深的一種裝置形式，基于瞬變電磁法工作原理，該裝置發射線框邊長為數百米甚至千米的矩形回線，采用小型線圈（或探頭）在回線內部逐點測量，適用于煤田深部水文勘查。

2 勘查區的地電情況及地質環境預想分析

勘查區位于區內第四系覆蓋層粘土、亞粘土地層電阻率一般為5～16 Ω·m；煤系地層電阻率一般為10～100 Ω·m；寒武系、奧陶系、石炭系灰巖電阻率一般為100～1 000 Ω·m。

如果地下存在空洞洞穴，其電阻率要視其是否充填而定：若為無充填的巖溶空洞，其電阻率理論上可視為無窮大，若其為后期第四系泥水充填物充填，則其電阻率相對于圍巖為低阻，其與外圍地層存在較大的電阻率差異。一方面塌落帶由于后期充填等因素使得其相對于圍巖電阻率較低，與原巖存在著明顯的電阻率差異，采空區及塌落段由于存在空隙其視電阻率較四周圍巖偏高。瞬變電磁法對低阻體反映良好，故采用先進的瞬變電磁技術方法找出工作區內地下隱伏采空區、積水區及其影響范圍和其空間位置是行之有效的。

3 探測布置方法及探測成果

根據該項目探測目的設計參數勘探深度達到300 m。布設南北向剖面32條，單剖面長400～960 m；剖面間距40 m；點距40 m。剖面總長20 480 m，坐標點物理點544個，質量檢查點28個，總有效物理點572個。野外工作布置如圖1，回線內200～320 m范圍內觀測，接收線圈在發射線框內距框80～200 m范圍內按線逐點移動測量。

由沿二1煤層底板切片視電阻率等值線圖可以看出：在測區西北部、北中部及東中部的藍色低阻區域（視電阻率值在15Ω·m以下）為推測一是煤層上部基本沒有砂巖、只有第四系覆蓋或煤礦采空積水區的大體范圍（黃虛線圈定的區域），其中在礦區范圍北中部采空區內可能積水。其測區中部紅色圈定的高阻區域推測為：一是坍塌的采空區；二是F2斷層以南的無煤基巖區。由圖2F1～F4所在的位置可以看出，斷層通過的區域視電阻率不低，說明該斷層不含水，由于斷裂帶不含煤沒有開采的原因。主、付井及礦部所在的區域除兩個水倉外，沒有發現大的水體存在。

4 勘查成果結論及建議

4.1 結論

此次的瞬變電磁工作共完成剖面32條。通過對此次工作成果圖的綜合分析，圈定了礦區不同位置采空區可能積水的低阻區域，為以后礦山安全生產提供了一定的科學依據：（1）圈定了測區內北部煤層之上覆蓋層砂巖較薄或新生界直接壓煤，不排除采空區可能積水的低阻范圍；圈定了測區北中部采空區可能積水的范圍。（2）圈定和證實礦區中部的F1斷層的存在，該斷層走向近南北、傾向西的正斷層。證實礦區南緣的F2斷層的存在，該斷層走向近東西、傾向北的正斷層。證實礦區東緣的F3斷層的存在，該斷層走向北東25°左右、傾向北西的高角度正斷層。（3）推測礦區深部灰巖巖溶不甚發育，其斷層深部賦水性較差。該測區北中部采空區積水，西北部和北部采空區可能積水。F1斷層在礦區中部通過、F2斷層在礦區南部邊緣、F3斷層處在礦區東部邊緣，F4斷層反映不明顯；斷層的水文地質條件對區內采礦活動應無大的影響。

4.2 建議

（1）測區北中部小煤礦開采的采空區內發現較為明顯的老空水存在，測區西北部、北部采空區也可能有積水，建議將存量水疏干；或地下工程避開該區域施工。為安全起見，首先采用地質工程進行探水驗證，若發現存量水將其疏干。（2）斷層帶上雖未發現明顯含水特征，但F2斷層的斷距較大，地下施工至少要保留30余米的安全距離。（3）在煤礦開采時盡可能不要動底板。施工要采用邊探邊采、探采結合的方式進行，以確保生產安全。

參考文獻

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