瞬變電磁法在南關煤礦采空區(qū)防治水中的應用

趙志剛

（山西汾西礦業(yè)南關煤業(yè)有限責任公司，山西 靈石 031304）

采空區(qū)積水是威脅煤礦安全生產的因素之一［1］。由于采空區(qū)邊界不清，積水量難以測定，極易引發(fā)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(qū)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(yōu)點［5］，在探測隱伏含（導）水構造、充水鉆孔、采空區(qū)積水等方面取得了很好的應用效果。

本文以汾西礦業(yè)集團南關礦煤層為研究背景，采用瞬變電磁法探究采空區(qū)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(tǒng)山西組2#煤，煤層結構穩(wěn)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(qū)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(qū)積水，掘進至里程760 m進入探水線，預計采空區(qū)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(guī)律和空間分布形態(tài)，從而圈定探測范圍內異常區(qū)范圍。

3 礦井瞬變電磁法探測實例

汾西礦業(yè)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(qū)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(qū)域進行超前探測，判定相鄰采空區(qū)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(huán)境安全，即頂底板支護完好、通風正常、瓦斯?jié)舛确弦蟆o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(tǒng)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(wěn)定、歸一化曲線良好，數據全部合格。

3.2 充水區(qū)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(qū)域視為異常區(qū)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(qū)域，分別命名為異常1#、2#、3#、4#。1#異常區(qū)域范圍為26～100 m，2#異常區(qū)域范圍為25～100 m，3#異常區(qū)域范圍為30～100 m，4#異常范圍為40～100 m。探測區(qū)域的右?guī)蜑?209 采空區(qū)，推斷探測異常均為1209 采空區(qū)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(qū)域，分別命名為異常1#、2#、3#。1#異常區(qū)域范圍為55～100 m，2#異常區(qū)域范圍為35～100 m，3#異常范圍為30～100 m。探測區(qū)域的右?guī)蜑?209 采空區(qū)，推斷探測異常均為1209 采空區(qū)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(qū)域，分別命名為1#、2#、3#、4#。1#異常區(qū)域范圍為25～100 m，2#異常區(qū)域范圍為25～100 m，3#異常區(qū)域范圍為25～60 m，4#異常區(qū)域范圍為35～80 m。探測區(qū)域的右?guī)蜑?209 采空區(qū)，推斷探測異常均為1209 采空區(qū)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(fā)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?guī)蜑?209 采空區(qū)。

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(qū)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(qū)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(qū)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(qū)積水富存情況的不規(guī)則性，得出探測里程650～750 m，深度100 m范圍內為采空區(qū)積水或采空區(qū)潮濕區(qū)域。

4 工作面排水措施

由于掘工作面的右側采空區(qū)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(qū)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(fā)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(tǒng)，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(zhí)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(qū)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(jiān)測工作面水情，如發(fā)現突水征兆，應先撤人到安全區(qū)域，再匯報。

5 結語

1）采用瞬變電磁法在汾西礦業(yè)集團南關礦開展煤層采空區(qū)積水分布情況的探測工作，掌握了采空區(qū)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(qū)內的積水區(qū)域，得出主要水患來自右?guī)偷?209 采空區(qū)。

3）根據瞬變電磁法的探測結果，重新預計采空區(qū)積水區(qū)域。本次探測工作證明了瞬變電磁法在采空區(qū)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。