瞬变电磁法在煤矿防水中的应用研究

董宇婕

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003）

瞬变电磁法在煤矿防水中的应用研究

董宇婕

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003）

矿井水害一直是困扰煤矿以及废弃矿井的重大安全问题之一，矿井突水尤其严重威胁着煤矿的生产安全。文章以鹊山矿十里河床及周边采空区瞬变电磁法探测数据为基础，试图判断地下采空区是否有充水的可能性并提出建议，希望降低井下因对地下水判断不足而造成的人员伤亡和财物损失。

瞬变电磁法；矿井防水

在矿井开拓、采掘过程中，渗入、淋入、流入、涌入和溃入井巷或工作面的任何水源水，通称矿井水。当矿井涌水超过正常排水能力时，就会造成矿井水灾。目前，矿井水害仍然是重要的煤矿安全隐患之一，在煤矿重、特大事故中所占的比重较大[1]。例如，在2015年4月19日下午6时50分左右，山西省同煤集团地煤公司姜家湾煤矿发生透水事故，该矿当班247人下井，223人安全升井，24人被困井下。据初步判断，事故原因是上层采空区积水所致。最终，24名被困人员中3人获救，21人遇难。所以，如何有效地对井下采空区的充水情况进行预测就显得尤为重要。本文试图采用瞬变电磁法对鹊山精煤有限责任公司的煤矿井下采空区充水情况进行预测，以期能有效地推广至其他领域。

1 矿井概况

鹊山精煤有限责任公司位于大同煤田西北部、大同市左云县东北部鹊儿山镇，介于左云县与南郊区交界地段，处在大同煤田侏罗系含煤地层剥蚀边界线附近。井田内大部分为黄土覆盖，基岩仅出露于沟谷两测。井田内植被稀少，地形切割强烈，冲沟发育，沟内常年干涸无水，总体地势呈东北高西南低趋势，最高点位于北部，标高1 340 m，最低点位于十里河河床1 195 m，相对高差145 m。

井田整体构造形态为一走向N70°E，倾向S20°E，倾角3～5°，井田南北长7.659 1 km，东西宽1.977 km，井田面积10.912 4 km2。井田揭露地层由老到新为：寒武系、石炭系、侏罗系、第四系。井田内由一系列倾角不大的背斜、向斜组成。区内断层不多，断距不大。项目探测研究区域位于鹊山精煤煤矿井田南部，十里河床保安煤柱范围内。在项目探测时，该井田尚未开始开采，但是井下掘进工作面钻孔探测已发现工作面前方有采空区和断层，很可能是由于周边煤矿以及小煤窑对区内煤层的偷挖开采造成的，故其开采程度不清楚，开采留下的采空区范围尚不明确。

井田内可采煤层主要赋存在侏罗系中统大同组中，下伏地层为侏罗系下统永定庄组砂质泥岩，厚度约200 m。煤系地层顶部被第四系黄土覆盖，黄土层厚度不大，约20 m。本区大同组含煤地层一般厚182.40 m。共含2、3、4、5、7、8、11-3、12、14、15号等13层煤，煤层总厚14.80 m，含煤系数为8.1%。其中可采煤层7层，即3、4、7、8、11-3、12、14号，可采煤层总厚12.82 m。

2 研究原理及方法

2.1煤层连通性

本次研究的主要对象是鹊山矿的11号及14号煤层，探测时均未开采。11号煤层距地面60 m，煤厚3 m；14号煤层距地面100 m，煤厚2 m。11号煤层与14号煤层相距40 m。

经验公式：

式中：Hf为导水裂隙带最大高度；M为累计采厚；n为煤层层数。

由式(1)可计算出14号煤层的导水裂隙带高度为33.27 m。

经验公式：

式中：h1为底板破坏深度；H为采深；a为煤层倾角；f为底板岩石坚固性系数；L为工作面斜长。

由式(2)可计算出11号煤层的底板破坏带厚度为了11.67 m。

由于两者相加的厚度超过40 m，故可认为11号煤层及14号煤层具有一定联通性，若11号煤层采空区中有积水，则其很可能会影响14号煤层的开采活动。

2.2瞬变电磁法数据采集与解释

如上所述，通过计算11号煤层的底板破坏深度和14号煤层的导水裂隙带高度，大致可以确定11号煤层采空区如果存在积水则可能会对14号煤层产生影响。本文希望通过地表的瞬变电磁法，测量判定该工作区域是否存在充水的可能性，并试图做出进一步的探讨。

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向下也发送一次电磁声场，在一次脉冲声间歇期间，使用不接地线圈或接地电极观测二次涡场的方法[2-3]。相对围岩而言，采空区通常的电性反映为高阻，即使采空区冒落塌陷后，其内部充填的松散物的电阻率相对周围介质而言仍然为相对高阻，只有当采空区充水后与围岩相比才为低阻。据此，我们可以试图将充水区域从地质背景中分离出来。

本次野外测量采用西安强源物探研究所生产的“EMRS-3型瞬变电磁勘探仪”，工作装置重叠回线,供电线圈3 m×3 m；供电电流1 200 A；接收线圈6匝8次叠加；采样程序分22道，80～19.4 ms，22测道。使用小型线圈，保证测点中心位置对应的地质体响应最佳。1 000 A以上的供电电流，保证了V2信号的信噪比。

考虑地形的影响以及尽量垂直采空区、巷道的走向、断裂走向等诸多因素，本次共布设约9条测线，侧线走向为北东38°展布(见图1)，线距50 m（因测量放线的时候将3、4线之间的线距放为70 m，所以这两条线之间的线距例外），点距皆为20 m。

野外数据经预处理计算得到视电阻率值，利用软件绘制各条测线的视电阻率剖面图。视电阻率反映的地层深度和电阻率值并不是实际的值，只是能大概反映实际地质体综合地电参数，供室内数据定性解释分析[4-6]。

图1 鹊山矿十里河床瞬变电磁法展点图

TEM实测二次场响应V2值信号经过数据处理软件，根据工区已知地质条件和钻孔资料建立正演模型，对测区局部（或全部）测点进行校正。对每个测点的有效测道进行编辑（选择有效测道）可以计算出各测点的视电阻率值，经过整理后可以绘出剖面等值线图，见图2。据实际的地质资料的研究目的要求，可分别绘制不同高程的视电阻率平面图[7]，见图3。

图2 鹊山矿十里河床第9测道视电阻剖面图

图3 鹊山矿十里河床1 100 m视电阻平面图

根据不同测线的多测道剖面图，视电阻率剖面图以及不同高度的视电阻率平面图，我们最终可以综合拟合出一张测区主要异常平面图[8]，见图4。

图4 鹊山矿十里河床主要异常平面图

3 结论与探讨

（1）通过各测线的视电阻率剖面图以及不同高度的视电阻率平面图，结合测区主要异常平面图可以看出，其中1测线1-41、1-42、1-43、1-44、1-45，4测线4-22、4-23、4-40、4-41、4-42、4-53、4-54、4-55，5测线5-20、5-21，6测线6-33、6-34、6-40、6-41，7测线7-50、7-51、7-52、7-53、7-54，9测线9-36、9-37、9-38、9-39等测点均为相对低阻区，可能为井下充水区域。根据不同测道的视电阻率剖面图我们可以大致判断，其中9-36、9-37、9-38、9-39，6-33、6-34、6-40、6-41，5-20、5-21，4-22、4-23、4-40、4-41、4-42、4-53、4-54、4-55等测点应属于11号煤层的低阻区域，而1-41、1-42、1-43、1-44、1-45，4-22、4-23、4-53、4-54、4-55，6-40、6-41，7-50、7-51、7-52、7-53、7-54，9-36、9-37、9-38、9-39等测点则可能靠近14号煤层。

（2）煤田可能存在地下水的低阻区主要集中在两侧的1、9以及4、7、6等测线中，很可能是其他小煤窑从两侧无规划开挖造成的采空区或裂隙等与附近的十里河或地下水源联通的结果。

（3）瞬变电磁法在煤矿的地下水探测中也能达到很好的应用，甚至可以对低阻区的空间位置进行一定的判断。

[1]王秀兰，刘忠席.矿山水文地质[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[2]牛宏，陈连城.瞬变电磁法探测近距离多层采空区技术研究[J].矿业安全与环保，2012，39（2）：39-40.

[3]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，2010，26（1）：52-54.

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[8]毛候民.瞬变电磁探水技术在勘探煤矿水中的应用实践[J].煤炭与化工，2015，38（2）：17-18,31.

Application of Transient Electromagnetic Method in Coal Mine Waterproof

DONG Yu-jie
（School of Coal Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037003）

Mine water disaster is always one of the major security issues in coal mine and abandoned mine,mine water inrush is a particularly serious threat to safe production in coal mines.This paper is based on the TEM date of Shili riverbed and surrounding area in Queshan coal mine,trying to determine if there is a possibility of filling water in goaf and give some suggestion，hoping to reduce the property loss caused due to insufficient judgement of groundwater.

transient electromagnetic method；coal mine waterproof

P631；TD745

A

〔责任编辑 王东〕

1674-0874(2017)01-0060-03

2016-10-08

董宇婕（1987-），女，山西大同人，硕士，助教，研究方向：岩石学及地球化学。