瞬變電磁技術(shù)在億欣煤業(yè)水害探測中的應(yīng)用

王 池

（山西晉煤集團晉圣億欣煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048200）

突水為煤礦最主要災(zāi)害之一，2012～2016年，我國煤礦共發(fā)生突水事故35起，死亡人數(shù)達到233人。煤礦突水事故數(shù)量和死亡人數(shù)分別占總量的16%和15%[1-2]。突水已成為除瓦斯以外對煤礦開采危害最大的事故。對突水事故的防治最有效的方法就是超前探測預(yù)警。目前物探方法被廣泛用于煤礦水的探測工作中，其中瞬變電磁法作為探水的主要手段已在礦山中應(yīng)用，為煤礦水害的防治提供了重要依據(jù)[3-7]，保障了煤礦的安全和高效開采。

1 地質(zhì)概況

億欣煤業(yè)由由五個礦業(yè)公司重組而成。主要煤層有2#和15#，開采分為9個盤區(qū)，3個盤區(qū)位于2#煤層，6個位于15#煤層。億欣煤業(yè)礦業(yè)的水文條件中等，含水層有4個：第四系孔隙潛水含水層、二疊系、石炭系和奧陶系的裂隙含水層。煤礦整合前各礦已經(jīng)過多年開采，形成了大量采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)的積水及裂隙水、孔隙水對后續(xù)煤礦開采構(gòu)成了嚴重的威脅。為了保證開采過程中的安全，本文試驗通過利用XV103工作面已開挖順槽向XV104工作面方向進行煤層含水探測，以保證后續(xù)工作面順槽開挖的安全性。

2 瞬變電磁工作原理與設(shè)備

2.1 工作原理

瞬變電磁法或稱時間域電磁法(Timedomain electro magnetic methods)，簡稱TEM，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖電磁場，在一次脈沖電磁場間歇期間，利用不接地線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。渦旋電流向外擴散的過程被稱之為“煙圈效應(yīng)”，根據(jù)煙圈效應(yīng)計算瞬變電磁場隨時間的變化規(guī)律，獲得大地點性垂向變化特征。

2.2 探測設(shè)備

圖1 YCS512礦用本安型探水儀

本次試驗采用YCS512礦用本安型探水儀。該設(shè)備是利用礦井瞬變電磁探測原理分析煤礦采空區(qū)、空洞、含水層以及不連續(xù)結(jié)構(gòu)等地質(zhì)異常體的不同電性特征，實現(xiàn)對掌子面前方以及巷道側(cè)幫、煤層頂?shù)装宓确较蚋凰畢^(qū)域的探測。

此次探測試驗采用長2 m，寬1 m的線框，將線框立于巷道側(cè)幫與側(cè)幫保持平行，沿巷道走向前進。發(fā)射和接收線圈相互獨立且線圈匝數(shù)不同，確保與結(jié)構(gòu)異常體產(chǎn)生耦合響應(yīng)，準確捕捉異常體的位置。

3 煤層水探測試驗

3.1 數(shù)據(jù)采集

測試采用中心回線法，測點沿巷道走向連續(xù)布置，測線總長度約650 m，采樣頻率10μs，發(fā)射波形為梯形波，基頻20 Hz，關(guān)斷時間50μs，發(fā)射電流為8A。探測區(qū)域見圖2，藍色區(qū)域為探測作業(yè)區(qū)域。

圖2 探測區(qū)域

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理后，形成圖3電阻率等值線圖。圖3中不同色標表示不同的視電阻率值：從冷色調(diào)到暖色調(diào)表示視電阻率值不斷升高，即從藍色到紅色表示視電阻率不斷升高。其中藍色代表該區(qū)域富水性強可能。

圖3 電阻率等值線

圖3（a）中信息顯示，探測區(qū)域內(nèi)電阻率等值線呈不均勻分布，距離巷道側(cè)幫較近區(qū)域（0～80 m）的巷道電阻率較高，高阻異常區(qū)代表空區(qū)、溶洞的存在；但該區(qū)域內(nèi)高阻異常區(qū)并不明顯，且沒有形成連續(xù)區(qū)域，地層連續(xù)性仍較好。延伸至120 m以深，走向150～275 m范圍內(nèi)出現(xiàn)少量的低阻異常區(qū)，該區(qū)域可推斷有含水層的存在。

沿巷道走向350～425 m范圍內(nèi)，巷道側(cè)幫近區(qū)（0～80 m） 出現(xiàn)了連續(xù)的較大面積的高阻異常區(qū)，該區(qū)域推斷有空洞或不連續(xù)結(jié)構(gòu)體存在，而80 m以深范圍顏色變化平滑，地層連續(xù)性變好，巖體條件較好；而在450～500 m，深度140～160 m的范圍出現(xiàn)一個面積近800 m2的低阻異常區(qū)，推斷該區(qū)域有充水空區(qū)存在。根據(jù)圖4中探測結(jié)果與巷道位置關(guān)系可知，XV105工作面順槽開挖至見圖450 m時，在距巷道側(cè)幫40 m深位置存在含水空洞可能性極高，需要對該區(qū)域進行鉆孔探測確認，并在采掘作業(yè)前做防治水處理。

4 結(jié)語

突水事故是煤礦主要災(zāi)害之一。對突水事故的防治最有效的方法就是超前探測。本文采用瞬變電磁方法對巷道未開挖煤體含水狀態(tài)進行探測，定量分析了巖層內(nèi)部電阻率的分布規(guī)律，準確推斷XV105工作面順槽開挖至450 m時在距XV105工作面順槽巷道左幫40～60 m范圍，存在較大含水區(qū)域，為巷道開挖過程中含水層的防治處理提供準確定位，為煤礦的開采提供安全保障。

圖4 探水結(jié)果與巷道位置關(guān)系