地面及矿井井下瞬变电磁法探测矿井老窑水的应用研究

王扬州，邢　涛，孙文斌，郭生凯

(兖矿集团 东华建设有限公司，山东 邹城 273500)



地面及矿井井下瞬变电磁法探测矿井老窑水的应用研究

王扬州，邢涛，孙文斌，郭生凯

(兖矿集团 东华建设有限公司，山东 邹城 273500)

煤矿采空区资料缺失、老窑水积聚范围不明是下一步矿井重组、安全开采的重大安全隐患，而物探方法在老窑水探测中的作用日益显现。通过研究瞬变电磁法在地面半空间和矿井井下全空间的应用技术，将两种方法结合应用，能够充分发挥瞬变电磁法的优势，对矿井老窑水做出有效探测。以某矿为研究对象，综合运用地面和井下瞬变电磁法探查4#煤层采空区老窑水，有效地查明了煤层老窑水的位置及范围，并指导了钻探探放水工作，共探放老窑水5.9×104m3，排除了老窑水的安全隐患，取得了较好的探测效果。

地面瞬变电磁法；矿井井下瞬变电磁法；老窑水探测；勘探效果验证

1　引　言

老窑指在矿井开拓前已存在的煤层采空区或停采已久的老井或巷道。矿井老窑水便是地下水聚积在这些采空区中形成的，其开采情况、积水量、积水范围皆不易查明，而老窑水水量集中、来势迅猛，给煤矿生产和工人的人身安全带来了极大的危害[1]。我国煤矿常见的矿井水害事故多为老窑水所致[2]。

近年来，随着国家对产能低下、技术落后的小煤矿的兼并重组力度的加大，大量未有效处置的采空区被遗留了下来。采空区数量多、范围大、地质资料缺失，给资源整合和安全生产带来了巨大的威胁，因此，查明原采空区积水情况及积水范围是整合矿井下一步工作的重点。

目前，未知采空区老窑水所采用的探测手段与方法主要有地质调查、钻探方法和物探方法3种。其中，我国的老窑的形成原因较为复杂，地质调查一般难以有效查明老窑水情况；钻探方法在没有较明确目标靶区的情况下，效率低、成本高，不能有效查明老窑水情况[3]。近年来物探方法在采空区老窑水探测中的应用越来越广泛，特别是瞬变电磁技术，因其对低阻体反应敏感，二次场观测分辨率高，具有工作效率高、施工方式灵活、施工条件要求低的特点，越来越受到人们的重视[4-7]。

但是物探手段是间接手段，其天然具有的体积效应、解释结论存在多解性等问题始终困扰着探测工作的开展，因此采用单一物探方法很难达到理想的探测效果。通过采用将地面瞬变电磁方法和井下瞬变电磁探测技术相结合的方式，充分发挥其各自在老窑水探测中的优势，能够对老窑水进行有效的探测，指导矿井的钻探探放水工作，排除老窑水的安全隐患。实践表明，综合应用地面和井下瞬变电磁技术，能够对老窑水进行有效的探测，取得较好的探测效果。

2　瞬变电磁原理技术及物理基础

2.1瞬变电磁法基本原理

瞬变电磁法(Time Domain Electromagnetic Methods ，简称TEM)是利用不接地回线或电极向地下发送一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，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，从而解决有关地质问题的时间域电磁法(图1)。它是根据地质结构或地质体本身的物性差异，研究由强大的脉冲电流作为场源，激励探测目的物感生的二次场随时间的变化，来间接判断构造地质、水文地质现象的一种方法。由于这些变化的二次场是脉冲源所感生的涡流场在地下扩散过程中地电介质的电磁散射场，因此包含了丰富的地电信息，通过对这些信息的提取和解释，从而达到探测地下电性介质的目的[8，9]。

2.2老窑水探测的物理基础

将瞬变电磁法应用于煤矿老窑水探测，其地球物理基础主要是基于煤系各主要地层的电性差异，即电阻率存在不同，而含水层及采空区积水的电阻率较其他地层相对较低。

煤系地层大多形成于还原环境，煤层大多含黄铁矿(FeS2)，而煤层开采后处于氧化环境，黄铁矿与矿井水和空气接触后，经过一系列的氧化、水解等反应，生成硫酸和氢氧化铁，使水呈现酸性，即产生了酸性老窑水。老窑水的酸性和矿化度一般会随时间的延续而加强，使得老窑水的电阻率下降。表1为煤系地层各类岩石和各类水的电阻率值。

图1　瞬变电磁法原理示意图Fig.1　Principle of TEM

表1　常见岩石及水的电阻率

由表1可知，矿井水的电阻率值相对较低，与其他地层岩石电阻率存在较大差异，而一般来说，老窑水的电阻率值较矿井水电阻率值更低，这就为使用瞬变电磁法探测老窑水提供了较好的物性前提。同时，瞬变电磁法还具有低阻敏感的特点，更有利于老窑水的探测。

2.3瞬变电磁法分类

目前，将瞬变电磁法应用于煤矿水文探测时，按空间主要分为两类：地面瞬变电磁法和矿井井下瞬变电磁法。

1)地面瞬变电磁法

地面瞬变电磁法作为传统的勘探手段，属于大地半空间效应的范畴，单就目前应用较为广泛的不接地回线装置来说，根据探测任务及探测深度的不同，常选择重叠回线装置、中心回线装置、大定源回线装置等[10]。该方法一般可用于在地面较大区域内探查采空区老窑水的位置和范围，其优点是探测深度大，垂向分辨率高，可大面积施工。但其对较小的富水体分辨能力欠佳，横向分辨率不高，且施工工期较长，需提前计划。

2)矿井井下瞬变电磁法

井下瞬变电磁法是一种近年来发展较为迅猛的技术方法，它采用的是多匝小回线装置形式，适用于在矿井巷道空间，探查巷道周围一定范围内的含水体或含水构造。根据探测任务的不同，一般可分为巷道超前探测、工作面顶底板探测、巷道侧帮探测等[11]。其优点是可深入井下巷道中探测，距离目标体较近，分辨率高；不受施工条件限制，施工效率高；具有体积效应小、方向性较好、低阻敏感等特点。但该方法同时又具有探测距离有限、易受井下人文干扰、盲区相对较大、全空间多解性增加等不足。

根据上述两种方法的特点，为了充分发挥各自的优势和回避缺点，针对采空区老窑水的探测，可首先利用地面瞬变电磁法在地表进行较大面积区域的探测，圈定较大范围的老窑水分布；然后在井下巷道掘进过程中运用矿井瞬变电磁法进一步确定老窑水的范围及位置，并排查地面方法可能遗漏的较小富水体，指导钻探工作对老窑水进行验证疏放，解除采空区老窑水的安全隐患。

3　应用案例

某矿井为整合矿井，井田范围内自上而下存在4#、6#两层可采煤层，两煤层间隔平均约30 m。相关资料显示，4#煤层已基本采空，但因开采时间较长和开采不规范，采空区及采空区积水的范围不明，在回采6#煤层过程中会受到4#煤层采空区积水的威胁，存在重大的安全隐患。为此选用地面瞬变电磁法和矿井井下瞬变电磁法来探测采空区积水的位置及范围，给钻探探放水工作提供目标靶区，取得了较好的应用效果。

3.1地面瞬变电磁探查

在勘探的前期，采用地面瞬变电磁法调查测区内4#煤层采空区积水的分布情况。选用加拿大PROTEM 57系列瞬变电磁仪，装置形式为大定源回线装置，发射频率为6.25 Hz，低频接收探头，采样时间为60 s，测网密度按40 m×40 m网格布设。探测范围及测网布置情况如图2(a)所示。

图2(b)为4#煤层视电阻率等值线平面成果图。通过图2(b)的探测成果得出，在测区右上角存在一个范围较大的相对低阻异常区域，最终圈定了一个老窑水富集区域，如图3 所示。

3.2井下工作面瞬变电磁探查

同年在该区域内形成6#煤层某一工作面，工作面近切眼部分进入上述富水异常区域，为指导井下探放水工作和保障工作面的安全回采，在该工作面内使用矿井井下瞬变电磁法进行了工作面顶板水文物探工作，探查4#煤层采空区积水的范围及位置。

勘查的仪器设备选用澳大利亚TerraTEM瞬变电磁仪，采用多匝小回线装置形式对工作面顶板富水性及4#煤采空区积水情况进行探查，测线布置在工作面两顺槽及切眼内， 物理点点距10 m，每个物理点分别对工作面顶板30°、60°、90°三个探测方向进行探测，以实现对工作面顶板上方的全覆盖(图4)。

图2　地面瞬变电磁测网布设及探测成果Fig.2　Layout of the ground TEM survey grid and detection results

图3　地面瞬变电磁法采空区积水范围成果Fig.3　Detection results of the water collecting area of the mined out area obtained by the ground TEM

图4　矿井井下瞬变电磁法工作面顶板探测方向示意图Fig.4　Detection direction of working face roof by the mine TEM

图5(a)为工作面顶板视电阻率等值线断面图。图5(a)的探测结果显示，切眼处视电阻率值明显下降，为此推断工作面切眼附近范围内顶板上方存在4#煤采空区积水，异常范围如图5(b)所示。对比图3和图5(b)可知，井下探测成果与地面瞬变电磁探查成果相吻合，且顶板富水范围在工作面范围内有所缩小。

图5　矿井井下瞬变电磁工作面顶板探测成果Fig.5　Detection results of the water collecting area of the working face roof obtained by the mine TEM

图6　钻探探放水情况Fig.6　Drilling position and the amount of goaf water

3.3井下探放水工作及验证情况

根据物探工作探查成果，在工作面顺槽中开始对顶板4#煤层采空区进行探放水工作，近切眼位置处钻孔开始出水，切眼位置处出水量较大，具体钻孔位置及出水情况如图6所示。经统计，本次探放水工作共计出水量约5.9×104m3，水质化验为采空区老窑水。

通过探放水工作可得出，井下瞬变电磁所圈定的采空区积水范围与实际出水规模与位置更加相符，地面瞬变电磁圈定范围在工作面内部延伸距离较大，但其圈定的异常中心范围与实际情况一致，也较好地探测出了采空区积水范围。上述两种物探成果均与探放水验证情况相吻合，证实了物探成果的准确性和可靠性。同时，矿井井下瞬变电磁因其与含导水构造间的距离较小，分辨率高，能够更准确地探明含水构造的范围。

4　结　语

本文通过瞬变电磁法在地面和井下两个方面的综合运用，得出：地面瞬变电磁可在较大范围内进行探查工作，明确老窑水的范围和位置，为矿井生产提供相关的水文资料；矿井瞬变电磁可在井下距离目标体更近的位置探查采空区积水的范围和位置，指导井下探放水工作，避免漏探。通过地面和井下瞬变电磁勘探的相互配合、相互验证，能够有效地查明采空区老窑水的分布范围，可较好地指导探放水工作，达到有的放矢的目的，解除采空区老窑水的安全隐患。

[1]姜志海，岳建华，刘志新.矿井瞬变电磁法在老窑水超前探测中的应用[J].工程地球物理学报,2007,4(4):291-294.

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[3]王立会，潘冬明，张兴岩.三种探测煤层采空区的方法[J].物探与化探,2008,32(3):291-294.

[4]梁爽，李志民.瞬变电磁法在阳泉二矿探测积水采空区效果分析[J].煤田地质与勘探,2003，31(4)：49-51.

[5]张军，赵莹，李萍.矿井瞬变电磁法在超前探测中的应用研究[J].工程地球物理学报，2012，9(1)：49-53.

[6]韩德品，郭林生，赵利利,等.瞬变电磁法快速探查煤矿突水构造关键技术及应用效果[J].煤田地质与勘探,2014,42(6):97-100.

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[8]牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙：中南大学出版社,2007.

[9]蒋帮远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京:地质出版社，1998.

[10]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.

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The Comprehensive Application of Ground and Mine Transient Electromagnetic Method to Detecting Mine Goaf Water

Wang Yangzhou，Xing Tao，Sun Wenbin，Guo Shengkai

(DonghuaConstructionCo.,Ltd.,YankuangGroup,ZouchengShandong273500,China)

The missing data of coal mine goaf and the unknown scope of goaf water are the hidden danger for the future mining reconstructing and safety exploration. The geophysical method in goaf water detection obviously plays an important role. Through the study of half-space TEM on the ground and full-space TEM underground, combining the comprehensive application of the two methods, the advantages of the TEM can be fully used and the detection of goaf water can be effectively made. Take a coal mine as example, applying ground TEM and underground mine TEM to detecting the goaf water area and position, the drilling work was guided. 5.9×104m3goaf water was discharged, the hidden trouble was removed and a good result has been obtained.

ground transient electromagnetic methods; mine transient electromagnetic methods; goaf water exploration; detection effect verification

1672—7940(2016)04—0453—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.04.009

王扬州(1985-)，男，工程师，主要从事地球物理勘探的生产和研究工作。E-mail:wyzou021@163.com

P631.3

A

2016-04-08