基于瞬變電磁法的礦井含水體探測及水害防治研究

康 健

( 黑龍江科技大學礦業工程學院，黑龍江省哈爾濱市，150022)

礦井水害一直是威脅工人生命和企業安全生產的重要因素。由于地下含水層、相鄰礦井老采空區以及陷落柱、導水斷層等的存在，使巷道或工作面附近的含水體難以準確探測。而鉆孔探水方法的探水距離有限、工作效率低、工作強度大等缺陷，使礦井水害治理的難度倍增。近些年來，我國著手研究適用于礦井的瞬變電磁法(TEM)，目的在于探測分布于巷道或工作面附近的目標，更主要的目的是試圖解決礦井水害的超前探測問題，已取得了很多有價值的成果。牛之璉等先后對TEM勘探原理、數值計算、正反演等方面做了大量研究，并在油氣勘探、水文地質研究、煤田勘探、采空區含水性等領域得到了廣泛應用；占文鋒等運用礦井TEM分別對采空區、工作面回風巷頂板進行水體探測，并根據探測結果提出了防治水的合理建議；楊海燕等在對全空間核函數分析的基礎上，提出了全空間全區視電阻率的核函數算法；許洋鋮等根據斜階躍關斷二次場感應電壓表達式，提出采用“雙煙圈”理論對瞬變電磁全期視電阻率進行計算和解釋，為全程瞬變電磁探測及解釋提供理論支持；其他學者對地—井瞬變電磁響應特征、瞬變電磁正演和反演以及數據的解釋等方面進行了更加深入的研究，以求得到更加準確的探測結果。

目前，瞬變電磁法勘探在煤礦采空區探水、巖層特征探測等方面應用較廣，但往往在探測過程中只進行地面半空間探測或礦井全空間探測，由于視電阻率等值線圖中的視電阻率是相對的，在半空間與全空間探測中的結果相差很大，不僅不能準確反映威脅礦井含水體的尺寸，而且也不能對煤礦含水體的形成、補給水源、水害形成機制等進行全面有效地分析。

本文基于瞬變電磁法，將地面半空間探測與井下全空間探測相結合，準確確定含水體的空間位置、尺寸以及含水體圍巖裂隙或導水斷層的分布，分析了礦井水害的形成機制，抓住主要因素，制定出切實可行的礦井水害防治方案。

1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法是指電磁波的一次脈沖向地層發射并傳播電磁波，發射源瞬間斷電，在一次脈沖電磁場間歇期間，應用接收線圈接收二次感應形成的渦流場，通過信號的解釋、處理等，分析帶有地層物理性質的信號，分析出前方未知區域的地質構造、巖層性質等，用這種探測技術來解決有關地質問題，進而達到預測預報的目的。

基本工作方法是：在地面或空中設置通以一定波形電流的發射線圈，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，感應電流由于熱損耗而隨時間衰減。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。

2 工程背景

雞西市三鑫源煤礦位于雞西市恒山區西南，所處位置均為山地，周圍存在多處采空區，礦井涌水量較大。勘探區為山地地形，井口高程+406.8 m，現最深開采水平為+239.3 m，淋水較嚴重的下山巷段垂深為130 m。探測巷段與含水體330 m高程切片相對位置如圖1所示，背景為地面半空間瞬變電磁探測+330 m視電阻率等值線水平切片圖，紅色閉合區域為含水體大致范圍，黑色區域為礦井全空間瞬變電磁探測區域，該區域位于+260 m水平附近。

圖1 探測巷段與含水體330 m高程切片相對位置圖

3 含水體空間位置的確定

根據瞬變電磁法勘探的地質任務，地面探測采用大定源回線裝置，線框大小為460 m×660 m，測線為南北向布置，基本線距40 m，由西向東分別表示為500 E～620 E，測點點距20 m，每條測線上測點由南向北表示為1160 N～1260 N；井下探測采用偶極裝置，點距為1 m，發射線框大小為1 m×1 m，共100匝，發射線框與接收線框相距10 m，且發射線圈與接收線圈共面。通過對原始采集信息進行數據整理—轉換與檢查—數據處理—數據解釋，最終繪制二維視電阻率剖面圖，將二維視電阻率剖面圖經過處理得到如圖2所示的視電阻率垂直剖面圖(圖中紅色粗線為含水體中心位置)，將井下視電阻率等值線圖經過處理得到如圖3、圖4所示的巷道頂板、兩幫視電阻率等值線圖。

通過分析圖2～圖4，初步確定造成該巷段頂板淋水嚴重、兩幫涌水量大的含水體范圍為：地面測線500 E～620 E范圍內為含水體東西展布，點號1160 N～1260 N為含水體南北展布；含水體位于巷道上方60 m，距巷道左幫15 m、巷道右幫30～80 m為含水體部分；從含水體分布平面圖可知含水體沿巷道軸向分布范圍達82 m，垂直兩幫方向展布達90 m，從+360 m延伸至+260 m。

圖2 地面半空間瞬變電磁探測視電阻率等值線垂直剖面圖

圖3 巷道1井下探測區域頂板視電阻率等值線圖

圖4 巷道1井下探測區域左、右幫視電阻率等值線圖

4 水害產生的原因

通過對水體空間位置的分析，得出含水體內含水量不大，但礦井涌水量較大。

測線540 E切片的視電阻率等值線圖如圖5所示。通過對圖5進行仔細分析發現：含水體通過兩條小斷層與地表直接連通，含水體與巷道通過一條小斷層連通。考慮到地表為山地且植被茂盛，當地雨量充沛，分析認為含水體是斷層1和斷層2地質作用過程中形成的破碎帶，而且這兩條斷層構成了與地表涵養水源的導水通道；斷層3與含水體也連通，但在開挖前該導水斷層并未延伸至巷道位置，由于巷道的開挖導致巷道圍巖破壞產生裂隙，并與斷層3連通。

圖5 540E測線切片視電阻率等值線圖

結合以上分析，含水體內含水量不大，但由于與地表涵養水源相連通，導致了巷道1右幫涌水量大，巷道頂板淋水，左幫涌水量相對較小，而巷道2在該水平巷段內未見頂板淋水和兩幫涌水。

通過對該煤礦礦井水文地質條件和施工工程地質條件的勘探與分析，得出造成該煤礦巷道1兩幫大量涌水、頂板淋水的主要地質構造因素為斷層1、斷層2和斷層3形成的導水通道；巷道1和巷道2的開挖形成的裂隙帶使導水通道與巷道貫通，斷層3直接連接了含水體與巷道，是含水體與巷道連通的主要導水通道，主要導水通道在距巷道1右幫約45°方向20 m左右，該區域寬6 m，該區域靜水壓力約為1.7 MPa。

5 水害防治

根據現場勘查、鉆孔查探等方法，最終確定在井下瞬變電磁探測位置分別沿巷道1向上延伸30 m、向下延伸10 m為注漿截流段。為防止巷道2內將來也出現水害，確定在巷道2內也采取注漿措施，確定在井下瞬變電磁探測位置分別沿巷道2向上延伸25 m、向下延伸10 m為注漿截流段。巷道斷面內3個注漿鉆孔分別與水平面成15°、30°和45°夾角。注漿截流方案施工方案如圖6所示。

圖6 注漿截流方案施工示意圖

注漿截流方案施工后，巷道1內兩幫不再涌水，頂板淋水現象消失，巷道2內在鉆孔過程中有少許水量涌出，但在注漿完成后涌水現象消失。綜上所述，注漿截流取得了滿意的效果，同時驗證了對瞬變電磁法探測結果解釋的正確性。

6 結論

(1)依據瞬變電磁法原理，經過現場勘查，瞬變電磁法地面半空間、井下全空間探測確定威脅礦井水害的含水體位于井下探測區域的巷道上方40 m，距巷道左幫15 m、巷道右幫30～80 m；從含水體分布平面圖可知含水體沿巷道軸向分布范圍達82 m，垂直兩幫方向分布范圍達90 m。

(2)巷道1目前的涌水量過大，是由于其開挖形成的裂隙帶使導水通道與巷道貫通，斷層3與巷道2之間形成的裂隙帶是含水體與巷道連通的主要導水通道，主要導水通道距巷道1右幫約45°方向20 m左右，該區域寬6 m，該區域靜水壓力約為1.7 MPa。

(3)綜合考慮環境、施工等方面因素，對導水通道提出了注漿截流法水害防治方案，取得了滿意的效果，為今后瞬變電磁法勘探的應用和礦井水害治理提供了參考。

參考文獻：

[1] 張庚驥,汪涵明,汪功禮.成層介質中交流電測井響應[J].地球物理學報,1995(6)

[2] 牛之璉.時間域電磁法原理[M].長沙:中南工業大學出版社,1992

[3] Mark ku P, Saurabh K V, Sven Erik Hjelt. Inversion of transient electro magnetic profile data using conductive finite plate model[J]. Journal of Applied Geophysics,1998,38

[4] 郭文波,李貅,薛國強等.瞬變電磁快速成像解釋系統研究[J].地球物理學報,2005(6)

[5] 羅國平，張春燕，李旭.采空區含水性探測的綜合電法勘探應用研究[J].中國煤炭地質,2013(1)

[6] 占文鋒,王強,牛學超.采空區礦井瞬變電磁法探測技術[J]. 煤炭科學技術,2010(8)

[7] 張衛, 林承灝,于仲等. 工作面頂板富水區的礦井瞬變電磁法探測[J]. 煤炭技術,1995(6)

[8] 孟慶鑫，潘和平.地-井瞬變電磁響應特征數值模擬分析[J].地球物理學報,2012(3)

[9] 楊海燕，岳建華.地下瞬變電磁法全區視電阻率核函數算法[J].中國礦業大學學報,2013(1)

[10] 許洋鋮, 吳燕清, 崔靭等. 基于“雙煙圈”理論的瞬變電磁全期視電阻率計算[J]. 物探與化探,2014 (3)

[11] 孫懷鳳，李術才，蘇茂鑫等. 基于場路耦合的隧道瞬變電磁超前探測正演與工程應用[J]. 巖石力學與工程學報,1995(6)