瞬变电磁技术在正中煤业防治水中的应用

杨双文

(山西汾西瑞泰正中煤业, 山西 灵石 031300)

水害是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一，严重危胁煤矿安全生产和矿工的生命安全。近年来，煤矿透水事故频繁发生，造成了重大的人员伤亡和财产损失，如：2010年3月28日，华晋焦煤集团王家岭矿发生透水事故涌水量达14万m3，造成38人遇难和重大的经济损失；2012年5月14日6时许，山西左权县某矿井发生透水事故，涌水量达5万m3，造成矿井停产半个月。以上两起事故都是因采空区积水不明，资料不准确造成的。可见，准确探测煤矿井下采空区积水及含水层富水性并有效治理水害已成为煤矿安全生产的重要工作[1]。

山西汾西瑞泰正中煤业矿井自2012年以来采用瞬变电磁技术进行了大量的综合物探工作，取得了较好的效果。生产实践及应用表明，物探技术在探查老窑采空区和掘进工作面迎头前方地质构造、探测含水层富水性及隐伏导水构造等方面是一种简捷、有效的手段。

1 瞬变电磁技术原理

矿井物探是利用自然界各种岩石和矿层在密度、磁化率、电阻率、弹性、放射性等物理性质上的差异[2]，采用专门仪器探测其天然或人工的地球物理场(如重力场、磁场、电场、弹性波场、放射性场等)的变化，依据物理参数与图解分析，结合工作区地层、构造以及岩石物理力学性质等资料，判断引起这些异常的原因，对地质体的形态、产状、空间位置等作出定性或定量的解释，以达到解决地质问题的目的[3]。

瞬变电磁法(Time Domain Electromagnetic Method)简称TDEM或TEM，是通过不接地回线源通或接地电偶源以脉冲电流激励大地后，观测地下感生的二次电流场的一种探测方法[4]。接受线圈的探测在水平方向观测分11个点依次从巷道左帮变化角度到右帮。每一个探测点至少分3次探测，分别是巷道的顶底板和巷道掘进方向，探测示意图见图1。

图1 瞬变电磁法探测示意图

由于赋煤岩系成层分布，各岩层电阻率不同，当前采用的装置形式在井下巷道空间中进行超前探测时，线圈与岩层的耦合方式发生改变，由原来的平行层理变成垂直层理，进而一次场的激发方式由原来的垂直层理变成平行层理，一次场激发方式的改变带来瞬变场分布与扩散方式的改变[5]。因此，须根据平行层理激发方式的瞬变电磁场传播的基本理论来应用瞬变电磁超前探测技术[6]。仪器在探测过程中的磁异常变化示意图见图2。

图2 仪器在探测过程中的磁异常变化示意图

瞬变电磁超前探测主要在井下巷道中进行，能够观测到全空间各个方位的地电信息[7]。探测工作的核心是摸清异常体位置，异常体可能位于掘进工作面左前方、正前方、右前方、上前方以及下前方等不同位置，只有认清异常体与发射、接收装置不同几何关系下的瞬变电磁场响应特征，才能准确实现异常体的空间定位。

2 现场应用

山西汾西瑞泰正中煤业井田构造形态基本上为单斜构造，致使煤层呈严重不连续的急倾斜条带状分布状态，构造极为复杂，对该地带煤层破坏极为严重，井田南北宽3.3 km，东西长约3.67 km，总面积为8.36 km2。井下水源分为以下4种：1) 2上、2下号煤层矿井充水含水层主要为煤层顶板及以上砂岩裂隙含水层和西部煤层露头大气降水，其补给条件差，以大气降水为主。2) 2上、2下号煤层在井田内存在采空区积水，其采空区位置和积水范围已初步圈定，积水量也进行了预测估算。3) 下组煤层的主要充水含水层为太原组石灰岩裂隙含水层，其补给以大气降水补给为主，其次是上覆含水层侧向补给，弱富水性。4) 9#至10#下煤带压开采面积较大，水源主要为太原组石灰岩裂隙含水层与奥灰岩含水层。

2.1 掘进工作面超前探水实践

图3 12上01切眼掘进工作面示意图

瞬变电磁探测结果图见4，从图4可以看出，12上01切眼掘进工作面迎头顶板、前方及底板100 m范围内的积水情况。探测结果表明：12上01切眼掘进工作面(口前22 m处)位置斜向上15°、水平和斜向下15°三个方向100 m范围没有明显的低阻异常。

a) 斜向上15°方向电阻率结果

b) 水平方向电阻率结果

c) 斜向下15°方向电阻率结果

经常规钻探验证，探测区域无涌水，前方及两边无采空区。

2.2 回风下山探测实践

采用瞬变电磁超前探测法探测回风下山(穿层)迎头顶板、前方及底板100 m范围内的积水环境。基本地质情况为：回风下山工作面现在太原组中段地层中掘进，煤(岩)层走向为65°，倾向为155°，倾角为18°，工作面岩性为泥岩、砂质泥岩互层，层理较发育。顶部有K3、K4石灰岩含水层，底部有K2石灰岩含水层，探测地点(回风下山)距离上覆2#煤采空区53 m，回风下山掘进面示意图见图5。

图5 回风下山掘进面剖面示意图

探测结果表明：1#低阻异常位于水平方向，与同轴线夹角偏右50°范围内，距离掘进工作面30～70 m，2#低阻异常位于斜向下15°方向，与同轴线夹角偏右50°范围内，距离掘进工作面30～70 m。3#低阻异常位于斜向下30°方向，与同轴线夹角偏右50°范围内，距离掘进工作面30～70 m。

本次探测的异常区域明显见图6，大致位于巷道掘进正前方，回风下山巷道所属地层K2灰岩和K3灰岩之间的平均8 m的细粒砂岩，层理较为发育。

a) 水平方向电阻率结果

b) 斜向下15°方向电阻率结果

c) 斜向下30°方向电阻率结果

巷道掘进方向偏右30°方向孔钻进至30 m处，钻孔的出水量加大(大于正常钻进时钻孔的出水量)。巷道前方地层的节理裂隙较发育，存在构造导水，水量较小(K2、K3含水层均属弱含水层)，无水头压力。

根据探测结果，生产过程中通过增加水泵，更换口径较大的排水管路，保证随时排水。巷道掘至H8点前106 m处出现底板涌水，最大涌水量约11 m3/h(大水量>20 m3/h)，现涌水量约2 m3/h。水质化验结果为太灰(K2、K3)水，此处层理、裂隙较发育，判断为太灰岩含水层水通过裂隙导入掘进工作面。

3 结 论

1) 采用瞬变电磁超前探测法探测12上01切眼掘进工作面及回风下山顶板、前方及底板100 m范围内的积水情况。结果表明，瞬变电磁法在地面探测低阻地质体(岩溶、裂隙、含水构造及富水性)的效果明显。

2) 瞬变电磁法已在我国许多煤矿得到应用，该矿实践应用结果表明，它是一种经济、高效的物探新技术，在煤矿生产中发挥了积极的作用，取得了较好的物探效果。它不是单一的井下物探手段，需与钻探工作相结合来完成井下探放水工作，并结合地质、水文、钻探等资料综合分析，提高物探资料解释的准确性，更好地服务于生产。

[1]张胜业，潘玉玲．应用地球物理学原理[M]．武汉：中国地质大学出版社，2004:79-82．

[2]盛圣圣，牛之琏．一维层状大地的瞬变电磁测深正演计算[J]．煤田地质与勘探，1991，19(6)：53-57.

[3]毛志国．利用综合物探方法解决矿井地质问题[J] ．河北煤炭，1991(01):49-51．

[4]陈明生，闫 述，石显新,等．二维地质体的瞬变电磁场响应特征[J]．地震地质，2001(06):23-24．

[5]刘向红，陈竞先，李江平．矿井瞬变电磁基本原理和探测方法概述[DB/OL]．[2012-10-13]. http://www.kjwt.cn/Kxs/Html/2009-7-17/41.html.

[6]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，2005，34(4)：414-417.

[7]于景邨，刘志新，刘树才．深部采场突水构造矿井瞬变电磁法探查理论及应用[J].煤炭学报，2007(8)：818-821.