瞬變電磁法在導水裂縫帶高度探測中的應用

薛雄飛

(陜西有色榆林煤業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著我國煤礦長壁大采高綜合機械化開采技術的不斷發展，高強度開采引起的地表沉陷、地下水流失、生態環境破壞等一系列問題相繼出現，其中導水裂縫帶發育高度是導致這些問題的主要癥結所在[1-3]。目前針對導水裂縫帶高度的確定方法主要以經驗公式計算、鉆孔沖洗液觀測、數值模擬、相似材料物理試驗等傳統方法為主[4-6]，并沒有統一的標準，不同的確定方法均存在一定的局限性[7-9]。因此，導水裂縫帶發育高度的確定，對評價礦井回采工作面突水危險性、科學制定水害防治措施具有重要意義[10-11]。

以杭來灣煤礦30103回采工作面為研究對象，在以往通過鉆孔實測導水裂縫帶高度的基礎上[12-13]，利用導水裂縫帶充水后電阻率降低的這一特征，引入了瞬變電磁探測方法，通過分析探測結果和鉆孔實測結果之間的差異，確定大采高綜采開采條件下瞬變電磁探測法在杭來灣煤礦導水裂縫帶高度中的適用性。

1 工作面概況及探測條件

1.1 工作面概況

30103回采工作面是杭來灣煤礦301盤區第3個工作面，工作面走向長度為4 352 m，傾向長度為299.1 m，3號煤層平均厚度8.7 m，傾角5.5°，平均埋深約250 m，地質儲量約8.0 Mt。工作面采用長壁分層大采高綜合機械化采煤法，全部垮落法管理頂板，前期開采3號煤層上分層，采厚為4.8 m。30103工作面地質條件簡單，工作面沒有大的構造，地層沉積平緩穩定，厚度變化均勻，地層巖性主要以砂巖為主。

1.2 探測條件

一般情況下，導水裂縫發育且充水的地層具有低電阻率的特征，裂縫發育的程度越高，富水性就越強，低阻特征越明顯。電阻率與地層的巖性、裂縫發育程度和富水性具有顯著的對應關系。30103工作面于2015年回采完畢，頂板完全垮落后，導水裂縫帶高度發育趨于穩定，回采形成的導水裂縫被水充填后，電阻率將明顯降低，瞬變電磁探測顯示為低阻異常區，這一特性滿足瞬變電磁儀的探測條件。因此，瞬變電磁探測法適用杭來灣煤礦30103工作面導水裂縫帶高度的探測。

2 瞬變電磁探測設計

2.1 儀器選擇

本次探測選用安徽惠州地質安全研究院生產的YCS360A型礦用本安型瞬變電磁儀，該設備接收和發射線圈尺寸為1.8 m×1.8 m，發射頻率分別為125 Hz、25 Hz、12.5 Hz、6.25 Hz、5 Hz和2.5 Hz，信號接收頻率范圍為1～400 kHz，采樣抽道運算道數為360道，最大探測深度為120 m，設備的技術參數滿足探測要求。YCS360A型礦用本安型瞬變電磁儀內置的自定義探測程序，主要用于探測煤層底板的富水性，該程序適用于本次探測。

2.2 探測設計

根據杭來灣煤礦30103回采工作面的地層特征，在導水裂縫帶影響范圍內，直羅組和延安組砂巖承壓含水層厚度穩定且分布廣泛，瞬變電磁探測法的可靠性更高。因此，探測設計借助鉆孔柱狀圖進行數據比對和地層參照，結合導水裂縫帶在工作面不同位置的發育規律，同時考慮瞬變探測儀最大探測深度和范圍，綜合分析后將探測地點選擇在30103工作面采空區中部鉆孔B4附近，距切眼230～330 m范圍內，共設計11個探測點，每個測點間距為10 m，測點布置情況如圖1所示。

圖1 30103工作面采空區瞬變電磁探測點布置Fig.1 Layout of transient electromagnetic detection points in goaf of 30103 working face

3 數據分析及驗證

3.1 數據采集

利用瞬變電磁儀內置的自定義探測方法，根據探測點布置圖進行數據采集工作。首先，清理工作現場地表的雜草和雜物，保證設備盡量遠離金屬干擾和高壓線路；根據探測點位置坐標，利用手持GPS或RTK進行現場放樣，對11個探測點位置進行標記，并編號做好記錄；檢查儀器設備的工作狀況，檢查收發線圈是否正確連接。選擇設備內置的自定義探測方法，將線圈置于探測點的中心，操作設備進行數據采集，待數據采集進度條完成，依次完成剩余探測點的數據采集。

3.2 數據處理和成果解釋

3.2.1 數據處理

將采集的數據通過USB數據線與計算機連接，將本次采集的數據導出，打開MTEM數據處理軟件，按照圖2所示流程進行數據處理。將采集的原始數據經過工程導入、測線組合、道參修改、干擾校正、擴散校正和圓滑處理等操作后，生成了30103回采工作面采空區裂隙探測視電阻率色譜斷面圖，如圖3所示。

圖2 探測數據處理流程Fig.2 Detection data processing flow

圖3 30103工作面采空區裂隙探測視電阻率色譜斷面Fig.3 Apparent resistivity chromatographic section of fracture detection in goaf of 30103 working face

3.2.2 數據處理和成果解釋

本次探測以探測線附近的B4鉆孔作為地層參照，結合B4鉆孔柱狀圖排除了導水裂隙導通區域內泥巖、砂質泥巖和粉砂質泥巖對本次探測結果的干擾影響后，根據視電阻率色譜斷面中可以看出，垂深110～120 m之間出現大范圍的低阻區，同時隨著深度增加電阻率明顯降低，由此判斷開采引起的導水裂隙在該范圍以下發育程度逐漸增大。由于該探測區域內B4鉆孔柱狀圖煤層埋深約230 m，視電阻率色譜斷面圖顯示，導水裂縫帶在距離地表大約110～120 m的位置發育程度較高，結合B4鉆孔柱狀圖可知探測區域內3號煤層埋藏深度約為232 m左右。因此，在采厚為4.8 m的情況下，探測區域導水裂縫帶發育高度約為118 m，裂采比為24.6。

3.3 成果驗證

3.3.1 導水裂縫帶高度實測

杭來灣煤礦通過地面鉆孔沖洗液漏失觀測法和井下仰斜孔漏失量觀測法，2種方法分別對30101回采工作面和30108回采工作面導水裂縫高度進行過實測，實測的工作面導水裂縫帶發育高度統計情況見表1。

表1 杭來灣煤礦導水裂縫帶高度實測成果Table 1 Measured results of height of water flowing fracture zone in Hanglaiwan coal mine

3.3.2 結果分析

對比瞬變電磁探測法和鉆孔實測法2種探測結果可以發現，瞬變電磁探測結果幾乎與實測結果相差不大，與鉆孔實測的方法相比，瞬變電磁探測結果具有費用低、效率高、操作簡單快捷、探測位置靈活、探測深度大，探測結果可靠等諸多優點。以往不具備鉆孔實測條件時，一般都采用經驗公式進行計算，但是經驗公式的計算結果與實際情況存在很大差距，不適用于大采高綜合機械化開采的情況，瞬變電磁儀探測法的引入，給導水裂縫帶高度的探測提出了一種新的技術手段。隨著礦井開采范圍和開采技術條件的不斷變化，可根據需要隨時在指定區域進行回采工作面采空區導水裂縫帶發育程度的探測，利用探測結果評價礦井回采工作面突水危險性、制定頂板水害防治措施。

4 結論

(1)工作面回采過后，頂板自然垮落，導水裂縫帶向上覆基巖含水層發育，使得導水裂縫充水，這一特征滿足瞬變電磁儀的工作條件。

(2)杭來灣煤礦30103回采工作面探測結果顯示，采厚為4.8 m時，導水裂縫帶高度為118 m，裂采比為24.6，這一結果與鉆孔實測數據基本吻合，證明該探測方法可靠性較高。

(3)大采高綜合機械化開采條件下，經驗公式在導水裂縫帶高度的計算過程中存在很大的局限性，不推薦礦井繼續使用。與傳統的導水裂縫帶高度探測手段相比，瞬變電磁法具有費用低、效率高、操作簡單、探測結果可靠等諸多優點，推廣應用的優勢和潛力很大。

(4)利用瞬變電磁法對回采工作面采空區導水裂縫帶發育程度的探測，為礦井回采工作面突水危險性的評價和頂板水害防治措施的制定，提供了重要依據。