瞬變電磁法在煤礦防治水工作中的應用

肖 杰，焦當云

作為世界上最大的煤炭消費國和生產國，我國長期大范圍的煤炭開采導致全國各地均不同程度地出現地面或地下采空區。采空區造成的煤礦災害最為大眾所知的就是水害事故，近些年來，煤礦建設和生產中的一項重要任務就是防止水害事故的發生。由此催生了各種防治水技術手段，其中以超前物探和超前鉆探技術為主。物探以其勞動強度小、效率高以及覆蓋面廣等優勢先于鉆探而行。鉆探主要探測和驗證物探異常區。物探已經成為煤礦至關重要的一種探測技術手段。瞬變電磁法是一種近些年來發展很快的物探手段，是一種時間域電磁法。由于其探測效果好、裝備便攜且施工技術簡單等優勢在煤礦上得到了越來越廣泛的應用。

1 礦井瞬變電磁儀的工作方法

礦井瞬變電磁儀工作的前提是水與圍巖的電性差異。在自然狀態下不同的地質介質具有不同的導電性，但由于其導電性差異很小，所以很難用儀器來測量。而自然狀態的地下水具有良好的導電性，當煤系地層中具有儲水裂隙或其它蓄水空間時，該含水體就會表現出與圍巖截然不同的電性差異。

地面瞬變電磁法是在探測區域地表鋪設發射回線，在發射回線中持續提供階躍脈沖電流，從而在回線四周空間中產生一個穩定的電磁場，稱為一次磁場；然后將電流突然斷開，此時一次磁場也同時消失，此時根據電磁感應定律一次磁場的劇烈變化會激發大地產生二次感應電流，二次感應電流同樣會隨著時間的變化產生二次磁場，由于二次磁場是由大地地質體產生，所以就會反應地質體的一些個體特征，故瞬變電磁儀觀測的便是二次磁場的變化情況[1]。

地面瞬變電磁法是半空間的，這時由于電磁場在導電介質中傳播的速度慢，而在空氣中傳播的速度要快得多，二次磁場和二次電流主要產生于地表及以下。但井下瞬變電磁法在工作時產生的磁場會在全空間分布開來，是一種全空間響應的電磁法。

井下瞬變電磁儀可以根據不同的擺放角度探測不同方向的異常體。將線圈平面平行于巷道兩側煤幫時，可以探測頂底板和工作面內部的異常體；將線圈平面平行于工作面迎頭煤幫，可以探測巷道掘進方向的異常體；將線圈平放于巷道底板，可以探測底板以下的異常體以及其在橫向上的發展規律。另外根據發射回線掃描方向的不同，井下瞬變電磁儀的超前探測又分為上下掃描和左右掃描兩種工作方式，上下掃描的方式主要用于探測一定范圍內垂向上的異常體，而左右掃描方式主要是用于探測一定范圍內橫向上的異常體，其側重點不同，煤礦井下一般采用的是上下掃描方式。探測工作結束判定含水異常體位置時，一定要充分考慮到掃描方式，同時一定要結合實際揭露的地質資料綜合分析判定。

2 實際應用案例

2.1 宜興煤業一采區回風巷瞬變電磁探測

宜興煤業一采區回風巷工作面西部為原孟南莊小窯采空區，東部為一采區膠帶巷，東部、南部均為實體煤。該巷道在山西組2號煤層中掘進，掘進層位為2號煤頂板，該巷道寬4.5 m，高3.3 m，煤層傾角為-1°，煤層結構簡單，頂底板巖性均為灰黑色泥巖。該工作面水文地質條件為中等，不帶壓，主要含水層為位于煤層頂板的K8砂巖，其富水性差，不會對工作面安全生產產生威脅，但是會惡化工作面生產環境。工作面的主要水害威脅為原孟南莊小窯采空區積水，另由于原礦方移交的資料準確性較差，故本次探測的主要目的是探查一采區回風巷頂板、順層方向的富水情況以及西部小窯積水情況。

探測前對電纜、綜掘機等停電，綜掘機退后工作面30 m，排盡工作面的積水，線框嚴禁搭接水體或金屬網。根據探測任務設計探測方向為平行順層以及傾向頂板30°方向，每個方向14個物理點，28組數據。本次探測使用的是福建華虹YCS40A型礦用瞬變電磁儀，發射頻率8.3 Hz，發射機電流最大為4.5 A，儀器狀況良好，數據全部合格。經資料處理形成見圖1的成果圖，由成果圖可以直觀地看到頂板方向100 m范圍內不存在低阻異常區；順層方向196°方位角30 m處存在低阻異常區，分析為原孟南莊小窯空巷，或存有采空區積水。結合已經揭露的地質資料及物探結果，經礦地測防治水專業組討論，決定向異常區方向布置三個鉆孔，鉆孔傾角均為水平零度，終孔距離均為1.5 m，根據鉆探結果再決定下一步探測手段。

圖1 一采回風巷瞬變電探測成果

經探放區施工、三個驗證鉆孔中有兩個鉆孔探測到采空區，這兩個鉆孔中有一個鉆孔有少量出水。根據首次鉆探結果又施工了兩個鉆探驗證孔，均打到采空區，證實采空區確實只有少量積水，但不會對工作面形成威脅。

2.2 宜興煤業1200材料巷瞬變電磁探測

1200材料巷工作面北部為井田邊界，東部距曙光煤業采空區40 m，南部為1201采空區，西鄰560集中軌道巷。該巷道沿2號煤層頂板掘進，巷道寬4.5 m，高2.9 m，煤層傾角為-3°，煤層厚度約為1.3 m，結構簡單，直接頂為灰白色細粒砂巖，直接底為灰黑色泥巖。該工作面水文地質條件為中等，不帶壓，主要含水層為位于煤層頂板的K8砂巖，其富水性差，不會對工作面安全生產產生威脅，但是會惡化工作面生產環境，主要水害隱患是相鄰的曙光煤業采空區積水。故本次探測布置兩個方向即可滿足工作要求，即順層方向和頂板方向。

探測前對工作面除瓦斯傳感器、電話以外的所有電器停電，綜掘機退后工作面30 m，排盡迎頭積水，因頂板問題工作面迎頭左右兩幫各有一個單體液壓支柱未撤離。本次探測共布置14個物理點，28組數據全部合格。采集數據經計算機處理成圖，頂板方向20 m范圍內存在低阻異常區，分析為受到工作面迎頭左右兩幫的單體液壓支柱影響；順層方向左幫20 m范圍內存有異常區，分析可能受單體液壓支柱影響，右幫50 m范圍內存有異常區，分析可能受單體液壓支柱或曙光煤業采空區影響。

為確保工作面掘進安全，根據汾西礦業集團公司“物探異常區必須鉆探驗證”的規定，分別向三個異常區方向共施工了6個鉆孔，每個方向兩個鉆孔，終孔位置為異常區位置，其中頂板方向及左幫均為實體煤，右幫40 m處為采空區，無積水。結合地質資料分析探測結果合理有效。

4 結語

通過多次實驗證明，井下瞬變電磁儀在含水異常體探測中效果明顯，結果準確，值得大量推廣使用。該探測方法施工簡單、儀器便于攜帶，工作時間短，不影響礦井正常生產作業，即能滿足防治水工作需要，又不影響生產需要。但是井下由于特殊的支護環境，金屬質地的網片、錨桿等難免會對儀器造成影響，故一定要將影響因素降到最低，同時要結合已有的地質資料綜合分析，物探異常區必須通過鉆探驗證，如此便能確保礦井不發生水害事故。

〔1〕張 濤.瞬變電磁法在尋找淺部地下水的應用[J].中國高新技術企業，2011(12)：66-67.