瞬变电磁法在凤凰山矿采空区防治水中的应用

张志强

(太原理工大学矿业学院、晋城煤业集团凤凰山煤矿)

·试验研究·

瞬变电磁法在凤凰山矿采空区防治水中的应用

张志强

(太原理工大学矿业学院、晋城煤业集团凤凰山煤矿)

矿井水害一直是我国煤矿安全生产的重要问题，采空区水害防治是矿井水害防治的重中之中。在对采空区突水机理进行分析的基础上，利用瞬变电磁法对老采空区积水进行探测能有效地预防矿井水害，对煤矿的安全开采具有重要的意义。

瞬变电磁法；采空区；突水；防治水

我国煤炭资源丰富，是世界产煤最多的国家之一，原煤总产量的95%来自地下开采。然而我国煤田地质条件十分复杂，突水事故、瓦斯灾害是世界上最严重的国家，受水威胁的煤炭储量占探明储量的27%。

老空水具有分散、孤立和隐蔽的特点，其位置不易确定。老空水的空间位置不易确定，老空水水体空间分布的形态非常复杂，老空水的边界、积水的形状多变，深度和层位不一，大小各异，既有连成一片，较易探明的较大积水区，也有孤立存在、很难用钻探查明的较小积水区，要查清老空水的空间分布非常困难。且老空水探放后，如何确定老空是否存在积水至今没有非常直观明了的手段。

在我国煤矿水害防治技术方法、手段中，最主要的是地球物理勘探技术。地球物理勘探技术经过多年的发展，其在地质、水文地质探查中的地位和作用越来越明显、重要。加上其方便、快捷的优势，近几年在煤矿防治水领域得到了极大推广和应用。

1 矿井瞬变电磁技术法基本原理

1) 瞬变电磁法基本理论。瞬变电磁法或称时间域电磁法(简称TEM)，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。其基本工作方法：在地面或空中设置通以一定电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流，断电后，感应电流由于损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小; 而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。在电导率为σ、磁导率均为μ0的大地表面附设面积为S的矩形发射线圈。

2) 矿井瞬变电磁施工技术。矿井瞬变电磁探测方法依据所探测的目标及探测场地的不同有两种方式：偶极方式和中心方式。

若在井下巷道中对煤层顶底板进行探测时，由于巷道相对瞬变电磁探测要求的最小距离(5 m)要大的多，一般采用移动式的偶极探测方式。通过在巷道内移动瞬变电磁系统和改变发射及接收线圈的方向，可以对煤层顶底板不同方向进行探测，得到一个扇形空间的探测信息。

2 矿井瞬变电磁探测成果

2.1探测方案

线圈法线垂直指向顶板、向工作面内顶板上60°方向、45°方向以及30°方向对顶板进行富水性探测，见图1。

进风巷、切眼及轨道巷瞬变电磁探测总体布置方案路线见图2。

本次瞬变电磁法探测选用发射电流为1 A，频率25 Hz，发射线圈2 m×2 m×64匝，接收线直径0.6 m。隅极观测系统，接收线与发射线圈的间距10 m，探测段为154305进风巷1 170 m和切眼工作面170 m以及轨道巷1 000 m共3段，测线总长为2 340 m。发射线框和接收线框分别为匝数不等且完全分离的2个独立线框，以便与煤层顶板含水异常体产生最佳耦合响应。为探测含水构造的发育情况，实际测量时将测量装置布置在巷道靠近煤帮，测点分别布置在巷道侧帮，沿巷道逐点进行探测，测线布置长度为2 340 m，完成探测936个物理点，采集数据936组。最后对整个探测结果进行资料处理、分析和解释。

图1 探测方式及方向布置示意图

图2 154305工作面巷道瞬变电磁探测方案布置示意图

2.2探测方案

探测平面成果及分析。通过对探测数据的分析整理，分别生成154305工作面顶板25 m及顶板40 m 2个层的视电阻率分布图，进行分析顶板的富水性分布情况。见图3，图4。

1) 从图3可以看出，在25 m水平上较40 m水平上相对富水性要强。

2) 在25 m水平的进风巷探测成果上，主要的相对低阻异常区有：

a) 0～120 m段，在工作面内大约20 m存在一低阻异常区，可能顶板富有一定的水，但从其分布情况看，其富水水量较小。

b) 在220 m附近段，存在一较小的低阻异常区，其水量不大。

c) 在390～450 m段，存在2个较小的低阻异常区，根据探测时环境干扰情况分析，有可能与巷道水坑及绞车房的存在有关。

d) 在520～580 m段，此段低阻异常响应不是很明显，富水性相对较差，但可能存在一定的未排干的积水，或为泥质含量较高段。

e) 650～700 m段，此段存在一个明显的低阻异常带，在所探测的范围内均存在低阻异常明显区，此异常区有联通工作面内部及工作面北部区域富水区的可能性。

图3 154305工作面顶板上25 m相对富水性分布示意图

图4 154305工作面顶板上40 m相对富水性分布示意图

f) 760～910 m段，存在几处狭长的低阻异常区，此异常区形态特征可能与过水通过有关，而周围的相对高阻区可能为已排出水体的原富水区域。

g) 970 m～切眼段，在靠近进风巷一侧存有部分低阻异常区，可能含有部分未排干的水体，水量不大。但有是否导通工作面北部区域富水区，本次探测成果没有结论。

3) 在25 m水平切眼探测成果上，主要的相对低阻异常区有：

a) 30 m内，在靠近切眼附近存在较低的视电阻率异常区，顶板相对富水，此异常区受到巷道积水一定程度的干扰。

b) 在60～80 m段、130～160 m段，靠近切眼附近存在相对低阻异常区，岩体相对富水，其富水程度不大。

4) 在25 m水平轨道巷探测成果上，主要的相对低阻异常区有：

a) 在0～30 m段，存在低阻异常区，顶板相对富水，但在探测异常范围内异常区不大。可能富有较小区域的水，随着顶板长时间的淋水，此富水区水可能会被排出。在探测施工时巷道干扰物相对较多，对探测结果有一定的影响。

b) 在40～280 m段，视电阻率值相对较高，积水已基本排出，在局部存在不太明显的低阻异常区，主要为潮湿的泥质堆积或少量积水。

c) 300～600 m段，在工作面内部存在相对较大范围的低阻异常区域，局部可能相对富水。其中，在290～330 m、390～420 m、480～520 m段为相对富水区域。可能存在部分积水，或积水未排出区域。其它部位则可能为潮湿泥质堆积或少量未排干水。

5) 从图4可以看出：

a) 在进风巷顶板探测段的1 080～900 m段，探测结果显示出为高阻异常区。对应于轨道巷段40～300 m段，同样为高阻区域。而在25 m水平上，此段同样为相对高阻区。可见，此段顶板积水区积水已基本排出。

b) 在进风巷40 m探测成果切片上，基本上不存在低阻异常区域。在10 m、220 m及750 m处存在很小的低阻异常区，可能为巷道干扰所致，致使富水，其水量也不大，对生产不会造成影响。

c) 在切眼40 m水平探测成果切片上，可以看出，在20～50 m段、110～140 m段，工作面内部约30～70 m深位置，存在2条带状的相对低阻区域，可能与切眼位置较低有关。

d) 在轨道巷40 m切片图中，可看到大部分低阻异常不明显。在靠近切眼附近、170～200 m段、550～600 m段等处，存在相对的低阻异常区，可能为局部未排干的少量积水或为潮湿岩体。

e) 在轨道巷40 m切片的770～840 m段，基本上有陷落柱的一个大体形状，此陷落柱状边为相对高阻区，柱内为相对低阻区，整体上此陷落柱汪富水，柱体边部岩体相对松散不富水，柱内岩体相对密实。

3 结 论

综合上述实例和其它采空区水文探测项目证明，利用瞬变电磁法对采空区进行水文探测有良好的效果，对煤矿防治水乃至煤矿安全生产具有重要的意义。

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[4] 刘树才，刘志新，姜志海.瞬变电磁法在煤矿采区水文勘探中的应用[J].中国矿业大学学报，2005(7):40-41.

ApplicationonDTMinFenghuangCoalMineGobtoPreventtheBlastWater

ZhangZhi-qiang

Picked to be our coal mine water disasters production safety was an important issue, an empty area to control water disasters is a mine of the prevention and control water disasters. in the area to gather the mechanism of this analysis, on the basis of the blast grew DTM empty area to test the water on the effective prevention of mine for coal mine water disasters, the security of the mining has significance.

DTM；Gob；Sudden inflow of water；Preventing water

张志强 男 1980年出生 2009年太原理工大学在读工程硕士 助理工程师 太原 030024

TD16

A

1672-0652(2010)10-0011-03

2010-08-22