石槽村煤矿富水区的勘探

李松峰，魏军军

(1.山西煤炭职业技术学院，山西 太原 030031;2.山东裕隆矿业集团有限公司，山东 曲阜 273100)

0 引言

水害是影响矿井安全生产的五大灾害之一。近年来，我国煤矿水害已经造成了大量的生命和财产的损失，有效地勘探回采工作面内异常富水区域位置，对于煤矿的安全生产，具有重要的意义［1］。

钻探方法准确但速度慢、成本高，难以圈定富水区范围，且打钻时存在危险;传统的直流电法等物探技术虽效率高、成本低，但因体积效应大等原因造成准确率和探测距离难以满足生产需求［2］;矿井瞬变电磁法是近几年来发展起来的在煤矿井下巷道内探查其周围空间不同位置、不同形态含水构造的矿井物探方法之一，瞬变电磁法存在着很多其他物探方法所不能比拟的优点，凭借其近距离观测、体积效应小、方向性强、分辨率高、对低阻区敏感、施工快速的优点，可以有效地探测巷道周围100 m范围内的富水区域，已成为煤矿水害探测的较好选择。通过选择合适的装置形式，可有效探测井下采掘工作面的富水性。

本次探测试验于2013年4月1日完成了石槽村煤矿1102206工作面的井下数据采集与资料收集工作。探测长度为辅助运输顺槽自切眼往后800m，探测顶板五个方向。经过数据处理、分析、解释，得出瞬变电磁法探测的探测试验成果。

1 矿井瞬变电磁技术法基本原理

1.1 瞬变电磁法基本理论

瞬变电磁法或称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，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。其基本工作方法是:由一个通电线圈，产生一次电磁场，由于这个电磁场的存在，使得地下的导电岩矿体产生感应电流。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［3］。

1.2 矿井瞬变电磁法特点、施工技术

瞬变电磁法是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次性电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，来解决有关地质问题的电磁法［4］。

从电性上分析不同地层的电性分布规律为:煤层电阻率值相对较高，砂岩次之，粘土岩类最低。由于煤系地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，其导电性特征在纵向上有固定的变化规律，而在横向上相对比较均一。当存在构造破碎带时，如果构造不含水，则其导电性较差，局部电阻率值增高;如果构造含水，由于其导电性好，相当于存在局部低电阻率值地质体［5］。

当断层、裂隙和陷落柱等地质构造发育时，无论其含水与否，都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律。这种变化规律的存在，为以岩石导电性差异为物理基础的矿井瞬变电磁法探测提供了良好的地质条件。

根据地质任务的不同，选择测量参数是不同的。线框越小，其横向、纵向分辨率越高;回线边长越小，勘探深度越小，但回线边长因巷道空间所致不能过大;回线匝数越多，探测深度越大;其它参数根据需要选择。线框平面法线方向即为瞬变探测方向［6］。因此，将发射接收线框平面分别对准巷道顶板、底板或平行于巷道方向进行探测，就可以反映巷道顶板、底板或平行巷道上方、下方或前方岩体内部的地质异常［7］。

资料解释主要是对采集到的数据进行处理。根据晚期场或全期场公式计算视电阻率曲线，然后进行时深转换，得到各测线视电阻率断面图。最后根据探测区的地球物理特征、仪器响应的时间特征和空间分布特征并结合矿井综合地质资料进行解释，划分出地层富水区域分布范围［8］。

1.3 矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法的区别

1)井下测量采用边长小于3 m的多匝小线框，此次采用的线框是2 m边长。数据采集工作量小，测量轻便，工作效率高。比较适宜在井下艰苦环境中使用。

2)采用小线圈测量，点距加密(一般为10 m)，这降低了体积效应的影响，提高了勘探分辨率，特别是横向分辨率。

3)井下测量点距较密，测量装置离目标体更近，可以提高异常体的感应信号强度，从而使得探测的结果更加的精确、可信。

4)利用矿井瞬变电磁法小线框发射电磁波的方向性，可分别用于探测巷道底板、顶板一定范围的含水情况及裂隙、断层的发育情况。还可以对巷道掘进迎头进行超前探测等［1］。

2 实例分析

2.1 井田基本情况

石槽村煤矿是宁东能源化工基地开发建设的主要供煤矿井，是宁东能源化工基地规划的大型矿井之一。石槽村井田位于宁夏回族自治区宁东煤田河东规划区的鸳鸯湖矿区中部，西北距银川市约70 km，西距灵武市约43 km，行政区划属灵武市宁东镇管辖。

通过对矿井水文地质条件的分析，本区2－2煤开采主要充水水源来自煤层老顶直罗组下段砂岩孔隙裂隙承压含水层水。此外，煤层直接顶板——延安组上部砂岩孔隙裂隙含水层水也是矿井直接充水水源之一。

2.2 现场布置

本次探测巷道为1102206工作面辅助运输巷道，在巷道顶板方向进行瞬变电磁探测，对巷道顶板岩体富水性进行探测。

1)探测环境要求:在进行探测试验时，矿方安排井下测量放点(每10m一点)，巷道探测时需要矿方对井下较大的积水体进行抽排，并移走较大的金属器件，原则上要求工作面停电，尽量消除瞬变电磁探测干扰因素。

2)探测方向:沿1102206工作面辅助运输顺槽，向巷道顶板偏离左帮40°、顶板偏离左帮20°方向、顶板方向、顶板偏离右帮20°方向、顶板偏向右帮40°方向探测，共实施五个探测方向，探测方向如图1所示。

图1 1102206工作面辅助运输顺槽瞬变电磁顶板富水性探测方向示意图

3)测点布置:本次探测自切眼往巷道口探测，共探测1102206工作面辅助运输顺槽共800 m长度范围，每10m布置一个物理测点。

4)探测顺序:探测移动方向如下图2所示。根据对工作面的探测成果数据进行分析，并整理成顺层数据体，通过数据的处理，形成巷道顶板不同层位的富水性顺层切片图。

图2 工作面巷道瞬变电磁探测方案布置图

2.3 剖面探测成果及解释

通过矿井瞬变电磁对1102206工作面辅助运输顺槽探测，成果图如图3～图7所示。其中蓝色为相对低阻，红色为相对高阻，从蓝色到红色视电阻率变化从低到高。探测起点为切眼，向巷道开口方向探测80个探测点，每个探测点采集5个方向的数据。

图3 辅助运输巷顶板偏右帮40°方向瞬变电磁探测成果图

图4 辅助运输巷顶板偏右帮20°方向瞬变电磁探测成果图

图5 辅助运输巷顶板方向瞬变电磁探测成果图

图6 辅助运输巷顶板偏左帮20°方向瞬变电磁探测成果图

图7 辅助运输巷顶板偏左帮40°方向瞬变电磁探测成果图

2.4 成果分析

从辅助运输顺槽探测的瞬变电磁成果图，可以看出，在工作面顶板各个方向上的剖面图中，探测深度20 m以下均显示为蓝色低阻区域，推测在此位置，可能受直接顶板潮湿或淋滴水影响，故在此段显示为低阻。

在顶板方向20m至60m范围内，存在低阻异常区域，且异常分布不规则，大致推测在顶板20m－60 m范围内存在低阻层位，可能为含水层位置。

根据不同方向的剖面探测结果，可以看出，顶板偏右帮方向在100～260 m段、360～400 m段、460～550 m段存在低阻异常区域;顶板方向(即正上方方向)在340～380 m段、460～540 m段、600～680 m段存在低阻异常区域;顶板偏左帮方向在120～220 m 段、360～420 m 段、460～540 m段、640～720 m段存在低阻异常区域。

3 实例分析

3.1 结论

1)本次石槽村煤矿1102206工作面辅助运输顺槽顶板方向物探工作完成了巷道自切眼向外共800m的瞬变电磁探测，采集数据信噪比高、质量可靠。

2)根据探测结果，共有三个区域电阻率较低。其中，0－100m范围内，前4个方向都是高阻区域，在偏左帮40°方向出现，异常低阻区，怀疑可能在运输巷左帮可能存在低阻富水区域;在360m和500m位置，5张图中都出现了不同程度的低阻区域，可以定为低阻异常区域;700 m以后范围，顶板、左帮都出现了不同程度的低阻区域，右帮则有局部高阻出现，该区位于DF23断层附近，受断层影响，在其两盘存在低阻异常，推测此处可能较富水。

3)为验证物探结果并指导生产，在采取相应措施下打钻探验，结果与探测成果基本相符，从而避免了水害的发生，确保了矿井的生产安区。

3.2 建议

1)对本次物探试验地质异常区段，建议需采取相应措施。对物探异常区段进行钻探验证，建议在物探位置起点至220 m处、300 m处、370 m处、540 m处、640 m处、740 m处进行钻探验证。

2)由于物探探测解释成果的多解性及井下的环境干扰，本次探查试验和解译成果可能存在一定的误差，在工作面回采过程时，加强观察，发现有异常现象时请及时与防治水专业人员联系或与我们进行沟通，对井下异常现象进行分析和总结。

3)建议在今后开展物探探测时，尽量采用2种方法以上的物探手段，以利相互验证和补充。

［1］ 倪良高，罗子付.矿井瞬变电磁法在煤矿防治水工作中的应用［J］.能源技术与管理.2007，(1):54－55.

［2］ 张赛珍，王庆乙，罗延中.中国电法勘探发展概况［J］.地球物理学报，1994，37:408 －424.

［3］ 丁希阳，马冲，王均双.瞬变电磁法在断层防治水中的应用［J］.山东煤炭科技.2008，(2):131－133.

［4］ 陈载林，黄临平，陈玉梁.我国瞬变电磁法应用综述［J］.铀矿地质，2010.6，26(1):51 －54.

［5］ 王剑峻.单侯矿井滞后突水原因分析［J］.中国矿山工程 .2007，36(2):28－31.

［6］ 陕亮，许荣科，鲁胜章，等.瞬变电磁法原理、现状及在矿产勘查中的应用浅析［J］.地质与资源，2009，(1):70－73.

［7］ 宋汐瑾.生产井瞬变电磁探测理论与研究方法［D］.西安电子科技大学，2012.

［8］ 张敬宝.浅谈瞬变电磁法在煤矿探测底板含水性中的应用［J］. 科技信息2007，(28):275.