瞬變電磁法在煤礦富水區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用研究

張恒燦

（山西柳林碾焉煤礦有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033300）

0 引 言

煤礦深部地質(zhì)條件惡劣，水文地質(zhì)條件更加復(fù)雜，由于缺乏詳細(xì)的地質(zhì)資料，井下深部生產(chǎn)往往會(huì)受到水害威脅，造成煤礦突水事故，威脅煤礦生產(chǎn)工人生命安全，給煤礦造成不可挽回的損失。旗山煤礦地處水文地質(zhì)條件復(fù)雜的賈汪區(qū)境內(nèi)，目前正在向-1000m水平延伸，在旗山煤礦的開采歷史上，曾與2010年發(fā)生過一起較為嚴(yán)重的突水事故，因此在后續(xù)的生產(chǎn)過程中，防水、治水一直是旗山煤礦深部生產(chǎn)的一項(xiàng)極為重要的工作[1-3]。

本文通過全空間瞬變電磁法可以精確探測(cè)采區(qū)內(nèi)的富水情況，以達(dá)到預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的目的隱含水體，使現(xiàn)場(chǎng)能夠安全回采富水區(qū)煤炭資源，為煤礦現(xiàn)場(chǎng)防治水工作提供借鑒。

1 瞬變電磁法的工作原理

瞬變電磁法（TEM）是一種時(shí)間域的電磁測(cè)深法，通過敷設(shè)不接地的線圈或者接地的電極，并向其中輸入階躍的電流，發(fā)射脈沖磁場(chǎng)，在階躍電流的間歇期，由線圈或者接地電極來監(jiān)測(cè)二次渦流場(chǎng)，通過研究二次渦流場(chǎng)的時(shí)空分布規(guī)律來解釋工程地質(zhì)問題。煤礦井下瞬變電磁法是全空間相應(yīng)，瞬變電磁法工作原理圖如圖1所示。其發(fā)射器產(chǎn)生感應(yīng)的渦流（圖1中T1/T2/T3所示），該渦流會(huì)以等效渦流環(huán)的形式向周圍傳播，地下瞬變電磁法就是依靠不接地的線圈或者接地的電極來監(jiān)測(cè)二次渦流磁場(chǎng)或者電場(chǎng)的變化，以此來探測(cè)煤礦地層的地電性質(zhì)的分布情況。

圖1 瞬變電磁法工作原理圖

井下瞬變電磁法的視電阻率也是地下空間探測(cè)范圍內(nèi)巖層的綜合反應(yīng)，其公式如式1所示：

式中：ρτ為視電阻率，Ω·m；μ0為磁率；I0為電流，A；ε(t)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，v；a為回線圈半徑，m；t為采樣時(shí)間，s；n為接受線圈的匝數(shù)；s為接受線圈的面積，m2。

根據(jù)其發(fā)射線圈的放置位置不同，其測(cè)量的方位特有所不同[4-5]。當(dāng)瞬變電磁儀的放射和接收線圈水平放置時(shí)，則測(cè)量井下巷道正上（下）方的地層電磁率分布，需要測(cè)量側(cè)上（下）方的地層電阻率分布，只需要將瞬變電磁儀的發(fā)射和接收線圈傾斜放置，發(fā)射線圈布置如圖2所示。

圖2 發(fā)射線圈布置方式

2 工程地質(zhì)概況

徐州礦務(wù)集團(tuán)旗山煤礦位于江蘇省徐州市，井田走向長7.5km，傾斜長4.5km，面積34km2，核定生產(chǎn)能力180萬t，主采煤層為3煤，煤層厚度為1.8～2.38m。煤層開采深度-800～-1000 m，三采區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育程度高，且各斷裂構(gòu)造間相互切割關(guān)系復(fù)雜，易形成水力聯(lián)系，三采區(qū)內(nèi)共計(jì)有斷層28條，占有該礦區(qū)已查明的發(fā)育斷層的半數(shù)以上，為三灰含水層形成巖溶富水構(gòu)造提供了前提條件。在三采區(qū)的南部存在D24斷層，橫貫整個(gè)三采區(qū)；采區(qū)中南部的F10斷層，區(qū)域內(nèi)的延伸長度為2.7km，該斷層在北半部錯(cuò)斷為上下兩盤，兩盤的最大重疊距離在400m以上。斷層在三采區(qū)內(nèi)延伸長度和落差均較大，且其含水特性未知，需進(jìn)一步探測(cè)。

根據(jù)煤層勘探地質(zhì)資料顯示，三采區(qū)水文條件復(fù)雜，采區(qū)直接充水含水層主要有山西組3煤頂、底板砂巖含水層，太原組三灰、十灰含水層。3煤頂板砂巖含水層的單位涌水量q=0.027 L/s·m，巖溶裂隙發(fā)育，3煤底板砂巖含水層的單位涌水量0.0087 L/s·m，巖溶裂隙相當(dāng)發(fā)育；太原組三灰含水層單位涌水量為0.00446 L/s·m，山西組十灰含水層的單位涌水量0.006126 L/s·m。煤系地層上覆含水層為第四系含水層和二疊系下石盒子組，二疊系下石盒子組內(nèi)裂隙發(fā)育程度高且含水量大；煤系地層下伏含水層主要是本溪組和中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r，中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r富水性中等，單位涌水量為0.1575～0.1726 L/s·m，為Ⅱ級(jí)富水區(qū)。

3 瞬變電磁法的探測(cè)任務(wù)

三采區(qū)在開拓前期，由地質(zhì)資料較少，對(duì)三灰含水層水文地質(zhì)情況控制程度較低，因此三采區(qū)開拓時(shí)三灰含水層對(duì)煤礦安全生產(chǎn)有較大威脅。為保證三采區(qū)開拓時(shí)生產(chǎn)安全，應(yīng)用井下瞬變電磁法對(duì)三采區(qū)兩條上山進(jìn)行探測(cè)。以三采區(qū)運(yùn)輸上山為例，對(duì)巷道進(jìn)行立體探測(cè)，通過設(shè)置仰角30°、仰角20°、俯角30°、俯角20°、水平方向和豎直方向6個(gè)方位，超前100m對(duì)F10斷層的進(jìn)行探測(cè)，以求確定富水位置、導(dǎo)水通道等一系列情況。

此次三采區(qū)上山礦井瞬變電磁法全空間立體探水采用的儀器為TEM-47型瞬變電磁儀，回線邊長：2m×2m，匝數(shù)64，此次地質(zhì)解釋主要依據(jù)不同方向電阻率斷面圖。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集及資料處理工作后，我們得出F10斷層的瞬變電磁法超前立體探測(cè)成果如圖3所示。

瞬變電磁法超前立體探測(cè)成果圖中的（0,0）點(diǎn)位置為三采區(qū)皮帶上山的掘進(jìn)頭位置，縱坐標(biāo)表示瞬變電磁法超前立體探測(cè)的距離；除豎直方向的探測(cè)圖外，其他5副圖中橫坐標(biāo)表示掘進(jìn)頭兩幫的探測(cè)距離，正值表示右?guī)停?fù)值表示左幫；豎直方向的探測(cè)圖中橫坐標(biāo)表示掘進(jìn)頭前方頂?shù)装宓奶綔y(cè)距離，正值表示底板，負(fù)值表示頂板。

圖3 瞬變電磁法超前立體探測(cè)反演成果圖

瞬變電磁法超前立體探測(cè)成果圖的解釋是依據(jù)不同方位的電阻率，根據(jù)巖層的電性不同，對(duì)本次探測(cè)結(jié)果進(jìn)行解釋如下：

1）從圖3（a）瞬變電磁法超前立體探測(cè)成果圖的探測(cè)結(jié)果可以看出在掘進(jìn)頭前方左側(cè)，沿煤層傾斜方向25～65m，存在一個(gè)明顯的低阻異常區(qū)，異常范圍較大，且異常偏向左幫，特別是在30～45m電阻率相對(duì)最低，異常特征明顯。

2）從圖3（b）瞬變電磁法超前立體探測(cè)成果圖探測(cè)成果看出異常分布與仰角30°方向切面相類似，但范圍及含水強(qiáng)度均比仰角30°方向切面結(jié)果明顯減弱，僅在偏左幫30～45m有較明顯的低阻異常。

3）由從圖 3（c）及圖 3（d）瞬變電磁法超前立體探測(cè)成果圖的探測(cè)成果看出，切面偏左幫位置有較弱的低阻異常，且異常向深部逐漸增強(qiáng)。

4）從圖3（e）瞬變電磁法超前立體探測(cè)成果圖的探測(cè)結(jié)果可以看出在掘進(jìn)頭水平前方異常顯示較弱，僅在偏左幫位置存在一較弱低阻區(qū)。

5）從圖3（f）瞬變電磁法超前立體探測(cè)成果圖探測(cè)結(jié)果中可以看出三采區(qū)掘進(jìn)頭頂板處低阻異常區(qū)非常明顯，三采區(qū)掘進(jìn)頭頂板上方20～40m范圍內(nèi)的巖層中仍然含水，底板深部距迎頭30m～50m的也存在一低阻異常區(qū)。

結(jié)合探放水資料綜合分析仰角30°、仰角20°和水平方向的成果圖，可知掘進(jìn)頭前方仰角30°方向的低阻異常現(xiàn)象主要為煤礦地層的三灰含水層引起，該低阻異常區(qū)與F10斷層附近的破碎帶相連通；根據(jù)井下瞬變電磁法探測(cè)的全空間特征可以判斷出，掘進(jìn)頭前方俯角20°、俯角30°和豎直方向的低阻異常主要是由頂板三灰?guī)r層含水引起，且底板巖層含水相對(duì)較弱。根據(jù)本次煤礦井下瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果，結(jié)合概況的水文地質(zhì)資料綜合進(jìn)行分析可以得出：

該礦三采區(qū)皮帶上山在掘進(jìn)頭前方沿水平方向0～20m巖層視電阻率相對(duì)較高，為正常巖層反映；距迎頭20m～60m段，地層仍存在含水性，其中30m～50m段含水性略強(qiáng)，水量基本保持現(xiàn)在鉆孔出水量；60m之后巖層含水性減弱。巷道左側(cè)幫含水性明顯比右側(cè)幫強(qiáng)。主要含水層在掘進(jìn)巷道的頂板上方，斷層破碎帶與含水地層具有連通性。

4 瞬變電磁法的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上結(jié)論的正確性，在此巷道掘進(jìn)位置進(jìn)行了鉆孔驗(yàn)證。結(jié)果在3#孔（孔方位13°，仰角0°，深度為120m）19.68m處出水，水量約為45m3/h，在20.08 m處出水量增大到51.4m3/h，在30.46m處出水量繼續(xù)增大到70m3/h。在4#孔（孔方位13°，仰角20°，深度為80m）40.58 m處出水，水量約1m3/h。這個(gè)結(jié)果與物探預(yù)測(cè)的結(jié)果完全相符。

5 結(jié) 語

1）煤礦井下瞬變電磁法因其具有的重量輕、方向性好、工作效率高，成本較低等優(yōu)點(diǎn)在煤礦生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

2）本文通過運(yùn)用煤礦井下瞬變電磁法，確定了該礦三采區(qū)皮帶上山處F10斷層的富水位置、導(dǎo)水通道等情況，通過結(jié)合該礦的水文地質(zhì)資料對(duì)比和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔驗(yàn)證，與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況符合度高。

3）瞬變電磁法的探測(cè)結(jié)果制定制定相應(yīng)的防范措施，確保煤礦在掘進(jìn)期間的生產(chǎn)安全，同時(shí)該種情況也為其他煤礦相同地質(zhì)條件下的生產(chǎn)工作提供借鑒。