瞬變電磁法在礦井水文地質探測中的應用研究

周凱文

（晉能控股煤業(yè)集團云崗礦地質測量部， 山西 大同 037017）

礦井開采中的水文地質災害是引起煤礦安全事故的主要災害之一，不僅影響煤礦的安全生產，還會給工作人員和社會經濟帶來損害，再加上礦井水文地質情形復雜，因水害造成的安全事故發(fā)生頻率相對比較高[1]。而礦井煤巷掘進作為煤層開采的關鍵環(huán)節(jié)，就必須事先對開采掘進工作面進行地質探查。一般在煤巷掘進前方出現的含水現象包括陷落柱含水、斷層破碎帶含水、采空區(qū)含水和巖溶富水等。因此，在礦井水文地質中，查明水源、水量以及涌水通道顯得尤為重要，這就需要借助于礦井探查手段，而瞬變電磁法因具有施工便捷、方向性強、對含水區(qū)域敏感以及探測距離遠等特點而被廣泛應用[2]。礦井瞬變電磁法的基本原理是利用法拉第電磁感應現象，屬于物理探測方法，是將地面瞬變電磁法引入礦井測量，利用煤巷有限的空間進行數據采集，電磁場是全空間響應。接收線圈收到的信號來自于周圍全空間圍巖體的綜合反映[3]。本文主要采用瞬變電磁法對礦井巷道掘進工作面進行超前探測。

1 瞬變電磁法在礦井水文地質探測中的應用研究

通常，礦井煤層充水源頭主要來自于地表水、采空區(qū)積水、深部奧灰水以及頂板以上砂巖與灰?guī)r巖溶裂隙水，充水通道主要包括構造斷層破碎帶、裂隙以及煤層開采造成的頂板導水裂隙。現如今，老空突水已經成為礦井的最大水害威脅，其次就是底板深灰水和頂板裂隙水，因此，一般采用瞬變電磁法進行鉆孔布置超前探水作業(yè)[4]。

1.1 礦井裂隙水探測實例分析

礦井局部地段存在節(jié)理、頂板破碎以及斷層構造發(fā)育，如果出現上覆巖含水現象，則裂隙含水并發(fā)育，此時，視電阻率等值線圖上呈現出等值線波動幅度增大，且存在不連續(xù)、小范圍低阻異常區(qū)，區(qū)域視電阻率變化也比較大。

以某礦井下裂隙水探測為對象，探測區(qū)位于該礦軌道巷掘進工作面，并從掘進頭朝上50°開始至朝下50°，以每10°的變化區(qū)間設置測線，共計11 個測線點，應用瞬變電磁法探測掘進頭前方以及頂底板含水體情況，得到如圖1 所示的視電阻率等值線圖。

圖1 因斷層出現的視電阻率等值線圖

從圖1 可以看出，在探測前方100 m 以內，處于掘進頭前方偏底板位置90 m 周圍存在小范圍低阻異常區(qū)域，出現探測異常可能是因含水體的原因，并進行驗證，再打孔90 m 后出水，表明低阻異常確實是因裂隙水引起的。

1.2 老空區(qū)積水實例分析

采空區(qū)在充水的情形下，視電阻率等值線在較大范圍內出現低電阻，且視電阻率具體大小和含水情況相關，同時，低阻異常連續(xù)性也較好；如若含水較大時，不容易穿過電磁波，呈現為等值線圖上深部全部是低阻異常。

以某礦采空區(qū)為對象，探測區(qū)位于該礦回風巷掘進工作面，并從掘進頭朝上50°開始至朝下50°，以每10°的變化區(qū)間設置測線，共計11 個測線點，應用瞬變電磁法探測掘進頭左右?guī)鸵约扒胺胶w情況，得到下頁圖2 所示的視電阻率等值線圖。

從圖2 中可看出，位于探測前方90 m 以內，處于掘進頭正前方48～90 m 范圍內、右?guī)?0 m 之后，存在著較大的異常區(qū)范圍，此時，電阻率值較小，因此，可以推斷是富含水區(qū)域。并對此處探測位置進行打鉆孔驗證，在打正前方50 m 以及右側30°前方65 m 位置處均出水，表明驗證準確。

圖2 采空區(qū)出現積水時的視電阻率等值線圖

1.3 不充水陷落柱實例分析

一般情況下，陷落柱或大斷層在不充水的前提下，破碎比較嚴重，對比于周圍的巖石，導電性能也大大降低，呈現出高阻異常，因此，在視電阻率等值線圖上表現為紫紅色區(qū)域，且電阻率較大。

以某礦不充水陷落柱探測為對象，探測區(qū)位于該礦軌道巷掘進工作面，并從掘進頭朝上50°開始至朝下50°，以每10°的變化區(qū)間設置測線，共計11個測線點，應用瞬變電磁法探測左右?guī)鸵约扒胺较萋渲w情況，得到圖3 所示的視電阻率等值線圖。

圖3 不充水陷落柱的視電阻率等值線圖

從圖3 可以看出，在探測前方95 m范圍內，不存在低阻異常區(qū)，并通過打鉆孔驗證，探測位置確實無異常。

1.4 充水陷落柱實例分析

因巖石破碎比較嚴重，在充水的前提下，陷落柱或大斷層的導電性能相比于周圍巖石將有大幅提升，呈現出低阻異常，因此，在視電阻率等值線圖上表現為綠色或藍色區(qū)域，且電阻率比較小。

以某礦充水陷落柱探測為對象，探測位于該礦回風巷掘進工作面，并從掘進頭朝上50°開始至朝下50°，以每10°的變化區(qū)間設置測線，共計11 個測線點，應用瞬變電磁法探測前方以及左右?guī)秃w情況，得到圖4 所示的視電阻率等值線圖。

圖4 充水陷落柱的視電阻率等值線圖

從圖4 可以看出，在探測前方90 m 以內，出現一處異常區(qū)，處于掘進頭正前方40～90 m 之間、左幫45 m 至右?guī)?0 m 之間，存在著較大的異常區(qū)范圍，且電阻率值較小，因此，可以推斷是富含水區(qū)域。并對此處探測位置進行打鉆孔驗證，在打正前方46 m 以及右側20°前方51 m 處位置均出水，探測驗證是直徑20 m 的導水陷落柱，表明驗證準確。

2 結論

采用瞬變電磁法進行了礦井巷道掘進工作面的超前探測工作，并很好地應用在礦井裂隙水、老空區(qū)積水、不充水陷落柱以及充水陷落柱等水文地質中，實踐證明，應用瞬變電磁法基本能夠準確地將礦井掘進前方真實存在的含水體探測出來，且探測準確率高。