礦井綜合物探方法在采空區富水性探測中的應用

房旭辰

（陜西南梁礦業有限公司，陜西 府谷 719400）

0 引 言

我國大部分礦區隨著上部煤層可采儲量的減少，正在向下部煤層開采。上部煤層開采后留置的大量采空區積水對下部煤層開采帶來威脅。煤礦采空區積水探測常采用井下和地面物探方法，井下探測方法不受煤層上覆巨厚地層影響，更接近目標地質體，有利于取得較可靠性的探測結果，成為煤礦防治水技術發展的主要探測方法。近年來，眾多學者專家對礦井水害探測方面做了大量的研究并取得了顯著成果。徐建兵等通過對瞬變電磁二次場響應物理場特征進行了研究，利用精細化解釋技術得到高分辨的視電阻率成果圖[4]；于景邨、馬蓮凈等總結現有探測方法對綜合物探技術在煤礦防治水工作中的實際應用情況進行深入性研究[5-6]；曾方祿、代鳳強等結合地面瞬變電磁法與井下音頻電透視探查了工作面頂板上方富水異常區的分布范圍及相對強弱[7-8]；蘇彥龍、崔江偉、來曾武等人利用礦井瞬變電磁對采空區積水進行探測[9-11]；王貞海利用音頻電磁對采空區積水探測[12]。由于物探具有多解性，單一物探方法存在一定的局限性，因此需要兩種或多種物探方法對目標體的探測。

南梁煤礦30205 工作面上覆2-2 煤采空區距3-1 煤頂板平均距離35 m，據目前地質資料分析，上覆采空區存在大量積水，回采期間有采空積水沿采動裂隙涌入工作面的風險，威脅安全回采。因此結合音頻電透視和礦井瞬變電磁測深技術探測優勢，對上覆煤層采空區及其富水性進行探測，并結合工作面水文地質資料圈定異常區，指導井下探放水工作。

1 工作面地質概況

南梁煤礦30205 工作面走向長2 936 m，傾向長300 m。工作面底板標高+1 114—+1 123 m，地面標高+1 156—+1 258 m。開采3-1 煤層，煤層平均厚度1.97 m。工作面上覆2-2 煤20301、20203、20204、20205 工作面采空區。

此外，針對2-2 煤老窯進行明挖治理，其中30205 工作面上覆2-2 煤老窯明挖治理區有2 處，為20204 治理區和2 號治理區。

上述采空區及明挖治理區距3-1 煤頂板平均距離35 m。工作面在采動過程中形成的導水裂隙帶導通采空區積水，給工作面安全回采帶來威脅。

2 方法原理

礦井瞬變電磁測深技術利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。音頻電透視技術主要探查工作面頂底板內部的電性變化，對采長較大的工作面還具有探測工作面內部富水異常體的優勢。該技術正在向工作面頂、底板三維立體勘探方向發展，可立體勘探工作面頂底板一定范圍內的含導水地質構造，顯示直觀、效果好。

2.1 礦井瞬變電磁測深原理

礦井瞬變電磁法基本原理與地面瞬變電磁法一樣，采用儀器和測量數據的各種裝置形式和時間窗口也基本相同。受礦井勘探環境的限制，測量線圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般勘探深度小于120 m。地面瞬變電磁法為半空間瞬變響應，這種瞬變響應來自于地表以下半空間地層；而礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應。如圖1 所示。

圖1 地下全空間瞬變電磁信號擴散示意圖Fig.1 Underground full space transient electromagnetic signal diffusion diagram

由于礦井下測量環境受巷道空間限制，不可能采用地表測量時的大線圈（邊長大于50 m） 裝置，采用的是邊長1.5～2 m 的多匝小線框，觀測方式一般采用中心回線（或重疊回線） 觀測方式（圖2） 或偶極觀測方式（圖3），以上采集方式可達到與探測目標體的最佳耦合，取得的異常強、形態簡單。

2.2 音頻電透視原理

采用音頻段電磁信號對采煤工作面頂、底板進行透視性探測的方法，叫做礦井音頻電透視法（或稱礦井音頻電穿透法），使用物理參數是視電阻率。根據交直流等值性原理，利用低頻交流電磁場的近區，所測交流視電阻率與直流視電阻率具有等值性，在此借用比交流簡單的直流視電阻率解釋方法進行解釋。所以礦井音頻電透視法仍然屬于礦井直流電法范疇。它以巖石的電性差異為基礎，在全空間條件下建場，使用全空間直流電場理論處理和解釋。

該方法探測原理是在工作面一個巷道內布置供電電極（A），建立特定電場，等電位面近似球面分布，在另一巷道垂直于巷道走向布置測量電極（M、N）。所測得M、N 兩電極之間電位差主要來自工作面內部頂底板，因此所測結果包含了該工作面煤層在內的頂底板的地電信息，通過對地電信息的分析可推斷工作面頂底板內部電性異常分布。

在實際工作中，若以異常幅度10%作為異常有效的界限，則音頻電透視法的有效勘探深度似“馬鞍形”，約為工作面寬度的30%～40%，最大可達50%，如圖4 所示。

圖4 礦井音頻電透視法工作面頂板有效探測深度示意圖Fig.4 Working face roof effective detection depth diagram of mine audio electrical perspective method

目前常用的為平行單極—偶極法，主要工作裝置如圖5、圖6 所示，工作布置如圖7 所示。

圖5 平行單極-偶極裝置Fig.5 Parallel unipolar-dipole device

圖6 平行偶極-偶極裝置Fig.6 Parallel dipole-dipole device

圖7 工作面礦井音頻電透視工作布置示意圖Fig.7 Working layout diagram of ming audio electrical perspective in working face

3 探測成果

3.1 工作布置

礦井瞬變電磁測深在30205 工作面兩順槽施工，起始點為0 號點，采用鋼尺測量，間隔10 m，在30205 兩條順槽各布置292 個測點，依次編號0～291 號，每個測點探測4 個方向。探測示意圖如圖8 所示。

圖8 礦井瞬變電磁測深工作布置示意圖Fig.8 Working layout diagram of depth detection by mine transient electromagnetic

礦井音頻電透視每50 m 一個發射點，每10 m一個接收點，針對每個發射點，在另一巷道與之對稱點附近一定區段進行扇形掃描接收，然后交換發射點與接收點位置。每個發射點對應18～32 個接收點

3.2 礦井瞬變電磁測深探測平面異常特征分析

根據30205 工作面水文地質資料，針對工作面頂板上2-2 煤采空區富水性分布情況提取了頂板上35 m 附近的視電阻率低阻異常趨勢平面圖，如圖9所示，圖中坐標原點為輔運順槽與切眼交匯處，橫坐標表示工作面走向長度，縱坐標表示工作面傾向長度，坐標負值表示向工作面外幫探測。該圖是根據兩條順槽不同角度瞬變電磁法探測縱向高度節點數據網格得出，可以宏觀判斷異常區分布范圍及相對強弱。在該層段共圈定5 處視電阻率低阻異常區（S1～S5）。

S1 號異常區橫向位于0～250 m 區段，縱向位于-20～320 m 區段。該異常區分布范圍整體相對較小，異常幅值相對較弱，異常區主要分布在工作面兩順槽附近，30205 輔運順槽一側較運輸順槽一側異常區異常幅值強。S2 號異常區橫向位于350～1 050 m 區段，縱向位于-20～320 m 區段。該異常區分布范圍整體相對較大，異常幅值相對較強。異常區橫向分布中心主要集中在30205 運輸順槽一側，且在運輸順槽一側異常區未閉合，有向30207 工作面延伸趨勢。

S3 號異常區橫向位于1 300～1 800 m 區段，縱向位于-20～320 m 區段。該異常區分布范圍整體相對較大，異常幅值相對較強。

S4 號異常區橫向位于1 800～2 500 m 區段，縱向位于-20～320 m 區段。該異常區分布范圍整體相對較大，異常幅值相對較強。

S5 號異常區橫向位于2 700～2 850 m 區段，縱向位于200～320 m 區段。該異常區分布范圍整體相對較小，異常幅值相對較弱。

圖9 30205 工作面礦井瞬變電磁測深探測2-2 煤附近異常分布平面圖Fig.9 Anomaly distribution plane near No.2-2 coal seam detected by mine transient electromagnetic depth detection in No.30205 face

3.3 音頻電透視探測異常特征平面分析

同樣根據30205 工作面水文地質資料，本次音頻電透視探測提取了頂板上35 m 層段低阻異常分布來分析2-2 煤采空區富水性分布情況，如圖10所示。在該層段共圈定5 處異常區（Y1～Y5）。

圖10 30205 工作面礦井音頻電透視探測2-2 煤附近異常分布平面圖Fig.10 Anomaly distribution plane near No.2-2 coal seam detected by mine audio electrical perspective in No.30205 face

Y1 號異常區主要分布在工作面切眼至巷口方向0～200 m 區段，異常區分布范圍較小，異常幅值相對較弱。

Y2 號異常區主要分布在200～900 m 區段，異常區分布范圍較大，異常幅值相對較強，且靠近工作面運輸順槽一側異常幅值較強，視電阻率異常等值線未閉合，有向外延伸趨勢。

Y3 號異常區主要分布在1 450～1 800 m 區段，異常分布范圍較小，異常幅值較弱，主要分布在工作面運輸順槽一側。

Y4 號異常區主要分布在1 850～2 150 m 區段，異常分布范圍較小，異常幅值相對中等，異常區主要分布在工作面輔運順槽一側。

Y5 號異常區主要分布在2 550～2 900 m 區段，異常區分布范圍相對中等，異常幅值相對較強。

3.4 探放水工作

依據物探探測成果，對異常區域進行探放水工作，采取整體均勻布孔，局部異常區加密的原則，共施工鉆孔共計50 個，見表1。已施工鉆孔累計出水量統計如圖11 所示。

從已施工鉆孔累計出水量統計圖和鉆孔涌水量統計分析知，S1 和Y1 號異常區范圍內共布置6 個鉆孔，累計疏放水量312 m3/h；S2 和Y2 號異常區范圍內共布置18 個鉆孔，累計疏放水量21 110.9 m3/h；S3 號、Y3 號和S4 號、Y4 號異常區范圍內共布置11 個鉆孔，累計疏放水量11 892.88 m3/h；S5 號和Y5 號異常區范圍內共布置4 個鉆孔，累計疏放水量442.4 m3/h；非異常區范圍內共布置11 個鉆孔，累計疏放水量8 916.82 m3/h。

從已施工鉆孔累計出水量統計柱狀圖分析知，大部分鉆孔出水都在物探圈定異常區范圍內，非異常區出水主要為物探向外幫探測范圍受限影響所致。從鉆探驗證效果分析，頂板物探成果與鉆探驗證較吻合。

圖11 30205 工作面頂板疏放水鉆孔累計出水量統計Fig.11 Statistics of cumulative water outflow of roof discharge drilling hole in No.30205 face

表1 30205 工作面鉆孔涌水量統計Table 1 Statistics of drilling hole water inflow in No.30205 face

從已施工鉆孔累計出水量統計圖和鉆孔涌水量統計分析知，S1 和Y1 號異常區范圍內共布置6 個鉆孔，累計疏放水量312 m3/h；S2 和Y2 號異常區范圍內共布置18 個鉆孔，累計疏放水量21 110.9 m3/h；S3 號、Y3 號和S4 號、Y4 號異常區范圍內共布置11 個鉆孔，累計疏放水量11 892.88 m3/h；S5 號和Y5 號異常區范圍內共布置4 個鉆孔，累計疏放水量442.4 m3/h；非異常區范圍內共布置11 個鉆孔，累計疏放水量8 916.82 m3/h。

從已施工鉆孔累計出水量統計柱狀圖分析知，大部分鉆孔出水都在物探圈定異常區范圍內，非異常區出水主要為物探向外幫探測范圍受限影響所致。從鉆探驗證效果分析，頂板物探成果與鉆探驗證較吻合。

4 結 語

本文結合音頻電透視與礦井瞬變電磁測深兩種物探方法，對南梁煤礦30205 工作面上覆2-2 煤采空區進行進行探測，克服單一物探方法的局限性，查明了影響工作面安全回采的采空區富水，并根據圈定的異常區進行井下探放水工作，驗證了物探成果的準確性，為類似工作面防治水工作的設計、實施提供參考。