王 國 棟

（晉能集團陽泉公司上社煤礦 ，山西 盂縣 045100）

1 工程概況

山西煤炭運銷集團上社煤礦的主采煤層為9#、15# 煤層，15# 煤層厚度為 4.35m～7.01m， 均厚為5.56m，平均傾角為4°，煤層頂板為石灰巖和泥巖，底板為砂質泥巖、泥巖和粉砂巖，15# 煤層上方存在著為9# 煤采空區，且局部存在著6#、9# 煤層小窯破壞區。9#～15# 煤的層間距約為78m，現為有效分析15# 煤層上覆采空區及小窯破壞區內的積水區域，保障15# 煤層工作面回采期間不會出現突水事故，采用瞬變電磁技術對9# 煤層采空區整體富水特性進行探測作業。

2 瞬變電磁原理及特點

瞬變電磁法又稱為時間域電磁法，該種方法的基本原理是利用脈沖磁場的傳播原理，通過觀測脈沖電磁場的地下渦流產生的二次電磁場時間和空間分布特征，從而有效的對地下的未知區域的賦存形態、位置及電性特征進行判斷[1-2]，具體瞬變電磁原理圖如圖1 所示。

圖1 瞬變電磁法原理示意圖

瞬變電磁技術被廣泛應用于礦井的地質問題中，其具有的優勢主要為以下幾點：

1）只需對二次場進行測量和觀察作業，便能夠排出其他干擾，提升了對異常體的識別能力；

2）瞬變電磁法中的瞬變電磁是人為產生的，故能夠有效提升對隨機干擾的抵抗能力；

3）瞬變電磁具備著穿透性高的特性，能夠穿透高阻地層，故不會在高阻的圍巖中出現異常，能夠對低阻區域異常的反應較為靈敏；

4）該法的探數據信噪深度和探測深度均較高，通過增大發射大功率，能夠實現增強二次信號的目的；

5）瞬變電磁法的測量過程簡單，能夠對單個測點得到不同勘測深度的信息，深度信息與測深的工作能夠同步，能有效的減少結果的多樣解釋性。

3 采空區含水量探測分析

3.1 測試作業

1）測試參數設置。根據眾多相關瞬變電磁理論的研究及工程實踐結果[3-4]，結合15 煤層具體的地質特征，確定選用2m×2m 的線框，采用10 匝線圈，設置10ms 的延時時間，考慮到數據需滿足采集深度的要求，設置增益為4，為保障測試數據的準確性和質量，針對晚期數據進行放大，疊加使用512 的次數。

2）已知采空區測試試驗。為保障瞬變電磁作業數據的質量，在進行正常作業前進行測試試驗，在HS2- 2 鉆孔附近進行探測作業試驗，以驗證數據的參數設置的合理性，鉆孔在標高為1400m 深度存在著采空區，根據探測結果得出鉆孔附近視電阻率斷面圖如圖2 所示。

圖2 HS2- 2 鉆孔瞬變電磁探測試驗視電阻斷面圖

通過具體分析圖2 可知，在交叉1507/650 的附近標高1400m 的深度處，其視電阻率明顯表現為低阻異常，其等值線呈現出向下凹陷的特征，數據都在30Ω·m，基于此能夠初步判斷出其該處數值較低的原因為采空區富水導致。基于上述分析可知，本次瞬變電磁技術設置的各項參數較為合理。

3）測網布置。根據15# 煤層特征，結合9# 煤層埋深相對較小的特征，確定采用小線框重疊回線進行觀測作業，為保障測量數據的準確性，結合瞬變電磁測網的布置原則，將測線設置為東西方向布置，測網密度為線距×點距=40m×10m，設置南小北大為線號技術規則，西小東大為點號技術規則，共計設置28條測線，物理坐標點2632 個，具體測網的布置形式如圖3 所示。

圖3 9# 煤層瞬變電磁測網布置示意圖

3.2 結果分析

根據探測作業所得數據，通過對數據的換算和轉換，即能夠得到視電阻率和視深度的表達可視化參數，進而能夠繪制出地質和探測結果，現針對探測結果的分析時，先對可能存在地質異常的區域進行解釋，并對探測區域內的隔水層和含水層進行電性分析，基于地層的擾動異常，結合工作面現有地質資料，確定是否存在著充水空洞的區域。由于2# 煤層與9#煤層之間的間距較小，無法準確分辨具體哪個層位導致的低阻異常，原有小窯采動主要發生在9# 煤層，現主要分析9# 煤層采空區富水情況。

根據瞬變電磁的探測結果能夠得出1160 線的視電阻率斷面圖如圖4 所示。

圖4 1160 線視電阻斷面圖

通過具體分析圖4 可知，1160 線在縱向上淺部標高1500m 以上地層表現為低阻，電阻率值在10～40Ω·m，1500～1400m 電性表現為由高到低，電阻率為40～70Ω·m，在1400m 以下，電阻率呈現快速升高的現象，其電阻率均大于70Ω·m，該測線曲線從地表到深部整體呈現為由高到低，然后再升高的特點；1160 測線在橫向上等值線的連續較為明顯，說明該區域地層的連續性較好，在9# 煤層1460～2090 號間均為低阻異常區，且范圍較廣，結合礦井現有掌握的小窯破壞情況，該處為之前的小窯私采區，并且該區域的9# 煤層下方的視電阻率出現紊亂的情況，出現該種現象的主要原因為該區域采空區較為發育，圖中用藍色虛線圈出的區域，等值線出現明顯的下凹現象，且視電阻低，能夠推測出點號1460- 1540 和1920- 1960 區域采空區存在著積水區域。

根據瞬變電磁的探測結果能夠得出1600 線的視電阻率斷面圖如圖5 所示。

圖5 1600 線視電阻斷面圖

通過具體分析圖5 可知，該區域采空區位于1910- 1960、1700- 1810 和 1160- 1610 測點區域，等值線曲線在采空區下部表現為明顯的不連續現象，且在1400～1600 點的下方其視電阻率比其余兩處低，據此推測該區域電阻率低的主要原因為采空區內存在著積水導致，且積水從高出向地處逐漸流動；圖中1720- 1820 和1960- 2000 測點區域，即圖中藍色橢圓圈定的區域，視電阻了均小于40Ω·m，等值線曲線在啊該區域明顯下凹，可將該區域劃分為采空區積水區，圖中F72 斷層附近粉紅色虛線圈定的區域為斷層破碎帶，該區域視電阻率等值線也出現明顯的下凹現象，也其值均小于50Ω·m，據此在推測該斷層具有富水性，15# 煤層工作面推進通過F72 斷層時應加強探放水作業，有效防止其與采空區積水出現導通的現象。

根據瞬變電磁的探測結果能夠得出2040 線的視電阻率斷面圖如圖6 所示。

圖6 2040 線視電阻斷面圖

通過具體分析圖6 可知，該測線位于研究區域的北部，測線貫穿探測區域的東西兩個方向，測點編號的范圍為1160- 2090，在該測線區域在煤層的下方其視電阻率相對較為連續，并未出現數值的變化，在F69 的斷面圖上存在著明顯的低阻異常區域，處于9#煤層的采空區測點1790- 2090 區域，該處存在著較大的富水性。

另外為有效驗證不同測線得出的上覆采空區的富水特性，現對9# 煤層的視電阻順層進行切片出圖，具體如圖7 所示。

圖7 9# 煤層視電阻順層切片圖

根據圖 7 可知，圖中的 1、4、5 和 6 區域顯示出低阻異常現象，該區域為采空區引起的低阻體現，異常區域2 號在F69 斷層破碎帶區域，該區域的電阻率出現明顯低于相鄰區域的現象，但結合斷面的分析結果，在斷層區域藍色線內的位置出現富水的結果不太具有可靠性。

根據本次的勘探結果，能夠得出匯總得出9# 煤層采空區的富水區域如圖8 所示。

圖8 9# 煤層采空區富水特性平面圖

圖中9# 煤層采空區存在著4 塊區域，分別編號為1～4 號具體各個采空區內的情況如下：

1 號采空區區域位于工作面的東北部，具體在1640 測線和2120 測線，測點1540- 2090 的范圍內，該區域并無大范圍的采空區積水，僅存在一塊較小的采空區積水區域，將其編號為B1；

2 號采空區位于本次探測的中西部，具體在1440測線和1760 測線，測點1160- 1630 的范圍內，向較為礦井原本了解的該區域采空區范圍，多圈定了40m。

3 號采空區位于探測的中東部，具體在1400 測線和1760 測線，測點1670- 2090 的范圍內，該區域的低阻異常區域較大，存在著較大的積水區域，圖中該區域內的B2 和B3 區域內的視電阻率明顯小于60Ω·m，故將3 號采空區內的B2 和B3 區域劃分為采空積水區域。

4 號采空區位于探測區域的東南部，具體在1080測線和1400 測線，測點1670- 2090 的范圍內，該區域內的B4、B5 和B6 區域為采空區的積水區域。

具體B1—B6 范圍內的采空區積水區域的面積分 別 為 6600m2、46400m2、25700m2、3500m2、14000m2、4100m2，該探測得到的6 處采空區積水區域可靠性較高，探測結果較為穩定在工作面回采通過該6 處區域時，應加強探放水作業。

4 結 論

根據15# 煤層及上覆9# 煤層采空區的具體情況，通過具體分析瞬變電磁法的原理及特點，確定了合理的測試測試參數，并通過試驗的方式確定了測試參數設置的合理性，根據瞬變電磁的探測結果知15煤層上方存在著4 處采空區，積水區域存在著6 處，并具體給出各個區域的面積和位置，有效的指導了工作面探放水作業的進行。