綜合物探技術在煤炭礦井水文地質中的實踐

曹武慶

（陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安710005）

煤炭資源對我國的發展起著關鍵的作用，是我國國民經濟的支柱型產業，但是在煤炭開采的過程中其安全事故卻屢屢發生，嚴重威脅著礦工的生命健康安全，據國家煤炭安監局數據統計顯示，每年煤礦發生的安全事故高達500 多起，死亡人數更是逐年上升。究其原因，我們不難發現除了自然因素造成的地質災害以外，還有瓦斯、水害、粉塵、頂板以及火災，這五類災害是目前煤炭開采的主要災害，其中，水害的危險程度僅次于瓦斯，嚴重的影響了煤礦的正常作業是礦工的生命安全。我國的水文地質情況較為復雜，為了保證煤礦的生產安全，需在開采前對礦區的資源分布進行詳細的勘測，然后依據勘測的結果制定適宜的開采路線，最大程度上確保開采的安全性。近年來，綜合物探技術受到廣大礦業工作者的青睞，逐漸在煤礦水文地質勘測中展露出自身的優勢，將效率高、范圍廣的特點充分發揮，為煤礦資源分布以及地質勘測做出了卓越的貢獻。

1 綜合物探技術的概述

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法是20 世紀30 年代，美國科學化L.W.Blau 提出的，屬于電磁勘測法當中的一種，又被稱為時間域電磁法，簡稱為TEM[1]。瞬變電磁法主要依靠地下巖礦石的導磁性與導電性的性質不同，利用電磁感應的原理，對礦區的電磁場變化進行研究分析，進而達到水文地質勘測目的的一種手段。在實際煤礦作業中，想要借助瞬變電磁法進行地址勘測，可以在礦區地表或者空中設施發射回線圈并使其能夠通以階躍電流，但發射線圈與接受線圈的距離不得超過10m，此時由于電磁反應線圈的周圍空間內必定會存在穩定的磁場，被測地下地質中的礦石就會有所感應，其勘測深度可到100m，但當發射源被切斷后，磁場會發生劇烈的變化，地下導體就會形成感應電動勢，也就是感應電流。若發射頻率控制在25Hz，電流控制在17A，時間設置在20s 左右，[2]此時煤礦中的水文地質基本信息就能得到清晰的了解，開采人員可以依據瞬變電磁法的規律對該地區水文地質進行合理的規劃，并制定科學的開采路線。

1.2 探地雷達法

探地雷達法又稱地質雷達，簡稱GPR，是1910 年德國人Hulsemeyer 與Lowy 在一項專利中闡明的概念，這也是第一次探地雷達法進行詳細的描述[3]。近年來，探地雷達法由于其具有探測速度快，操作簡單方便，可連續檢測和無損的特點使其受到環境檢測、地質勘測、工程調查以及考古領域專業人士的青睞。探地雷達法與瞬變電磁法的電磁傳播理論基礎的式樣的，都是借助電磁波在介質中電磁特性，即在不連續處產生反射與散射的特點對礦區地下的目標進行定位、成像進行利用麥克斯韋方程組判定電磁特性變化從而達到勘測目的的方式。探地雷達法的種類是多種多樣的，但是基本的組織構架是一致的，有控制單元、發射機、接收機、電纜、天線、電源等。在實際勘測過程中，探地雷達是通過脈沖的形式將大功率高頻電磁波由發射天線進行發射端餓，當地下介質傳播遇到不同的介質，其電性有差異，就會發生反射、透射、折射的電箱，因此，勘測人員需明確不同地下介質的介電常數與電阻率，在結合勘測所獲取的高頻電磁波進而分析礦區地下介質的分布情況。需要注意的是，一般情況下探地雷達的勘測深度在0-6m，若勘測距小于1.5m 時，煤炭不會出現分層現象，若大于1.5m 就會出現明顯的類似光學原理的折射、反射現象，若勘測距離始終保持在6m，反射也相對復雜時，則該探測區采空的可能性極大，易發生坍塌事件。

2 綜合物探技術在煤炭礦井水文地質中的實踐

2.1 礦井概況

礦區位于陜北高原北部，與鄂爾多斯高原毛烏素沙漠東南接壤，海拔約1100-1850m，中部為黃土丘陵區，南北部均為風沙地，沙丘連綿起伏，溝壑縱橫，呈現波狀形態。礦區地形地貌水文地質差異較大，是典型的半干旱、半沙漠高原大陸氣候，冬季嚴寒霜凍，夏季炎熱多雨，因此風沙區皆有大泉出露，梁茆區水量較小。礦區四季分明，年平均氣溫在6.2-8.5℃之間，雨季集中在7-9 月份，年降雨量約為400mm，蒸發量為1320mm，且礦區內河流為烏蘭木倫河，自東勝梁南為發源地，全年平均水流量為4.52-12.2m3/s，在7-9 月份河流量較大，冬季則較小，因此,地下水絕大多數分布在松散型巖石類裂縫中或是碎屑類巖石的裂縫孔隙中。

2.2 綜合物探技術在煤炭礦井水文地質中的實踐

（1）瞬變電磁法的應用。瞬變電磁法對低電阻體有著非常敏感的反應，可以準確的查明煤炭礦井中的含水地質，提升探測的深度，自動消除主要噪聲源，并且其對地形地貌不會產生任何影響，因此，在煤炭礦井水文地質勘測中，加強瞬變電磁法的有效應用可以獲取可靠的地質信息。在實際勘測水文地質中可以采用兩套瞬變電磁儀器，達到相互驗證的效果，本次研究中采用的儀器為加拿大protem-47 與福建華虹本安型瞬變電磁儀，為了保證探測的準確性與精密性，使探測區域的地面形成互補，需預先選擇好地理位置適宜的巷到，應運用多種物探技術進行地質特點的分析。結合煤炭礦井的實際概況，對于礦井下采用偶極瞬變電磁法，將發射線圈與接收線圈放置于同一側二者相距10m 左右，探測深度調節為100m，探測點間相距5m，發射線圈均采用2m*2m，頻率為25Hz，電流為17-18A，時間窗口為20S，且探測方向應在被測物質的內部。一般情況下，瞬變電磁法結果呈現低阻現象時為充水性空洞，未充水則會呈現高阻現象，但需要結合礦井的實際情況對礦區的水文地質做出科學的分析與評價。

（2）探地雷達法的應用。探地雷達是一種探測地下目標的有效方式，是一種無損技術，與其他的探地方法相比，具有速度快，分辨率高、操作靈活的優勢，其原理主要是利用天線發射與接收高頻電磁波探測地下介質的物質特性、分布規律的物理方法，其測量的方式有很多例如：剖面法、寬角法、透射波法、三維測量方式等等，本次研究采用的則是反射波剖面法，反射波剖面法是探地雷達觀測中最為常見的一種方式，儀器則為美國的SIR-3000 地質雷達儀，中心頻率設置為100M，對煤炭礦井的測量區域進行數據采集。將所有采集到的數據進行有效分析，結合礦區實際情況在一定的范圍內制定有效的科學的剖面圖，依據剖面圖對煤炭礦井的水文地質災害影響、范圍進行綜合的評估，進而能夠最大程度上將災害的影響降至最低。依據本次探測結果我們發現，探測深度約為10m，在1.5m 是出現較為明顯的反射同相軸現象，1.5m 以下則沒有地層分層現象，6m 處反射同相軸現象變得復雜化、經過分析、判斷，可以確定在探測深度為0-6m 間存在較為穩定的煤炭資源，6m 以下同相軸反應復雜、混亂，可以判定為存在一定范圍的采空區，甚至可能有坍塌的情況出現。

（3）綜合物探技術解釋。綜合物探技術可以獲取煤炭礦井探測區域的視電阻率剖面圖，借助剖面圖與礦區的實地信息，探測人員可以確定礦井的采空區域及位置所在。通常情況下，視電阻率剖面圖出現許多畸變、彎曲的等值線，表明該區域存在采空或是其他地質現象，同時依據電阻的大小以及電阻率的顏色變化進而確定是否有積水，若視電阻率剖面圖等值線較為平緩則該位置水文地質較為良好，探測區域煤層中未出現采空、積水或是其他類別的地質現象，煤炭礦井的開采風險相對較小。

3 結論

煤炭礦井采空積水對于煤炭礦井開CIA 來說具有非常大的影響，對于社會經濟與礦井工人的生命安全造成了極大地威脅，綜合物探技術借助物理的方式對礦井水文地質展開分析研究，最大化的保證了人民的生產安全，因此在未來的礦井作業中有效應用綜合物探技術可以有效提升煤炭礦井的工作效率。