瞬變電磁法在南關煤礦采空區防治水中的應用

趙志剛

（山西汾西礦業南關煤業有限責任公司，山西 靈石 031304）

采空區積水是威脅煤礦安全生產的因素之一［1］。由于采空區邊界不清，積水量難以測定，極易引發煤礦透水事故，造成人員傷亡和設備損害［2］，甚至引起淹井事故，帶來巨大的經濟損失和不良社會效應［3］。因此，在煤礦的掘進過程中，需要在距工作面一定距離的區域進行富水性探測，進行提前預測［4］。瞬變電磁法憑借其對低阻異常體反應靈敏、方向性強、體積效應小、橫向分辨率高、工作效率高和成本低等優點［5］，在探測隱伏含（導）水構造、充水鉆孔、采空區積水等方面取得了很好的應用效果。

本文以汾西礦業集團南關礦煤層為研究背景，采用瞬變電磁法探究采空區內積水的分布情況，取得了明顯的地質效果，為礦井防治水管理提供了科學依據。

1 工作面概況

工作面開采煤層為二疊系下統山西組2#煤，煤層結構穩定。該煤層以半亮煤為主，暗煤次之，層狀結構，屬中強度硬度煤層，2#煤厚2.4～2.85 m，平均煤厚2.65 m。1207 材料巷為1207 工作面上順槽，工作面掘進方向由南向北，東為已回采結束的1209 工作面，西為1207 運巷，南為一采區三條下山巷道，北為礦井井田邊界。根據井田專門水文地質勘查報告知，1207 材料巷頂板充水水源主要來自二疊系下石盒子組K8砂巖水，頂板砂巖水僅以滴水或淋水形式進入工作面。底板充水水源為底板太灰、奧灰含水層，隔水層厚度45 m以上，工作面不帶壓，預測太灰、奧灰對掘進不會造成威脅。1207 材料材巷相鄰1209 采空區積水，掘進至里程760 m進入探水線，預計采空區積水量21 636 m3，其探測范圍見圖1。

圖1 1207 材巷探測范圍

2 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法是通過不接地回線供以雙極性脈沖電流。在電流突然中斷后，根據電磁感應原理，會在附近地質體周圍出現一次電磁場。在渦流信號從峰值趨于零時，一次場逐漸消失，會在不同地質體周圍形成渦流信號。由于不同地質體的電性差異，在不同地質體內部形成二次磁場。接受線圈通過對二次場信號進行接受，觀測地質體內部電性結構分布規律和空間分布形態，從而圈定探測范圍內異常區范圍。

3 礦井瞬變電磁法探測實例

汾西礦業集團南關礦1207 材料巷開口650 m處出現淋水現象，且淋水問題不斷加重。根據現有資料分析頂板淋水來自于1209 采空區積水通過導水裂隙進入1207 工作面的范圍。礦方決定采用YCS200（A）+60 型礦用本安型瞬變電磁儀及其它儀器對巷道掘進前方的未知區域進行超前探測，判定相鄰采空區積水邊界，為防治水管理提供依據。

在工作面進行物探時，應保證環境安全，即頂底板支護完好、通風正常、瓦斯濃度符合要求、無害氣體；工作面應停電、無干擾情況、無積水、無淋水、無電磁干擾、儀器正常；應采取的措施：避開相關電器設備，消除電磁對物探的影響。

3.1 觀測系統設計及工作量表述

圖2 測線剖面

本次探測范圍測線長100 m，探測范圍里程650～750 m，探測間距為10 m，共計11 個探測點，每個探測點設計角度為頂板15°、順層6°底板-30°三個方向，共計33 個物理點。

本次探測共采集三條測線，物理點33 個，多測道數據穩定、歸一化曲線良好，數據全部合格。

3.2 充水區域探測

1207 材料巷由于幫部瓦斯管道和風水管路的干擾，導致整體的視電阻率降低，結合現場實際情況，將電阻率小于5 Ω·m的區域視為異常區域。

圖3 中當探測點設計角度為沿頂板15°方向時，在探測里程10 m、50 m、70 m、100 m處有異常區域，分別命名為異常1#、2#、3#、4#。1#異常區域范圍為26～100 m，2#異常區域范圍為25～100 m，3#異常區域范圍為30～100 m，4#異常范圍為40～100 m。探測區域的右幫為1209 采空區，推斷探測異常均為1209 采空區積水所致。

圖3 頂板15°方向視電阻率

圖4 中當探測點設計角度為沿順層6°方向，在探測里程10 m、50 m、95 m處存在異常區域，分別命名為異常1#、2#、3#。1#異常區域范圍為55～100 m，2#異常區域范圍為35～100 m，3#異常范圍為30～100 m。探測區域的右幫為1209 采空區，推斷探測異常均為1209 采空區積水所致。

圖4 順層6°方向視電阻率

圖5 中當探測點設計角度為沿底板-30°方向，在探測里程10 m、50 m、70 m、95 m處存在異常區域，分別命名為1#、2#、3#、4#。1#異常區域范圍為25～100 m，2#異常區域范圍為25～100 m，3#異常區域范圍為25～60 m，4#異常區域范圍為35～80 m。探測區域的右幫為1209 采空區，推斷探測異常均為1209 采空區積水所致。

圖5 底板-30°方向視電阻率

根據相關水文地質資料，工作面附近未發現斷層、陷落柱。1207 材料巷頂板充水水源主要來自二疊系下石盒子組K8砂巖水，頂板砂巖水僅以滴水或淋水形式進入工作面，底板充水水源為底板太灰、奧灰含水層，隔水層厚度45 m以上，工作面不帶壓，預測太灰、奧灰對掘進不會造成威脅，主要水患為右幫為1209 采空區。

根據3 張瞬變電磁探測成果圖，頂板方向+15°、順層6°、底板-30°的1#異常是同一個異常區域所致，頂板方向+15°、順層6°、底板-30°的2#異常是同一個異常區域所致，頂板方向+15°、底板-30°的4#和順層6°的3#異常、是同一個異常區域所致。結合多測道曲線、視電阻率圖以及采空和水文地質條件，綜合考慮采空區積水富存情況的不規則性，得出探測里程650～750 m，深度100 m范圍內為采空區積水或采空區潮濕區域。

4 工作面排水措施

由于掘工作面的右側采空區有一定的積水，掘進過程中可能會導致其進入掘進工作面，將造成掘進工作無法正常進行。因此，需要在施工前做好防水工作，制定排水措施。

1）排放采空區內的積水時，應提前估算好積水量，水位標高、礦井排水能力和水倉容量等，研究放水順序和控制放水孔的流量，做出放水設計。

2）提前做好水量，水壓等煤層透水試驗，及時發現問題并處理，避免因局部放水效果不好或煤壁漏水影響掘進工作的進行。

3）建立完善的排水系統，鋪設一條4 寸的排水管路，配備2 臺功率大于45 kW的水泵，一臺備用，另外在巷道起伏位置處，煤壁幫側設置尺寸為4.0 m×2.0 m×4.0 m的水倉。

4）施工隊組在掘進過程中必須嚴格執行“物探先行，鉆探跟進，物鉆化并舉”的探放水原則，積極探查區內的隱伏構造及水患威脅；施工隊組在施工過程中必須嚴密監測工作面水情，如發現突水征兆，應先撤人到安全區域，再匯報。

5 結語

1）采用瞬變電磁法在汾西礦業集團南關礦開展煤層采空區積水分布情況的探測工作，掌握了采空區內積水的分布范圍。

2）根據三條測線的視電阻率圖，確定了采空區內的積水區域，得出主要水患來自右幫的1209 采空區。

3）根據瞬變電磁法的探測結果，重新預計采空區積水區域。本次探測工作證明了瞬變電磁法在采空區積水分布探測方面的有效性，在今后工作中，應加強該方法的應用。