基于瞬变电磁法的矿井含水体探测及水害防治研究

康 健

( 黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江省哈尔滨市，150022)

矿井水害一直是威胁工人生命和企业安全生产的重要因素。由于地下含水层、相邻矿井老采空区以及陷落柱、导水断层等的存在，使巷道或工作面附近的含水体难以准确探测。而钻孔探水方法的探水距离有限、工作效率低、工作强度大等缺陷，使矿井水害治理的难度倍增。近些年来，我国着手研究适用于矿井的瞬变电磁法(TEM)，目的在于探测分布于巷道或工作面附近的目标，更主要的目的是试图解决矿井水害的超前探测问题，已取得了很多有价值的成果。牛之琏等先后对TEM勘探原理、数值计算、正反演等方面做了大量研究，并在油气勘探、水文地质研究、煤田勘探、采空区含水性等领域得到了广泛应用；占文锋等运用矿井TEM分别对采空区、工作面回风巷顶板进行水体探测，并根据探测结果提出了防治水的合理建议；杨海燕等在对全空间核函数分析的基础上，提出了全空间全区视电阻率的核函数算法；许洋铖等根据斜阶跃关断二次场感应电压表达式，提出采用“双烟圈”理论对瞬变电磁全期视电阻率进行计算和解释，为全程瞬变电磁探测及解释提供理论支持；其他学者对地—井瞬变电磁响应特征、瞬变电磁正演和反演以及数据的解释等方面进行了更加深入的研究，以求得到更加准确的探测结果。

目前，瞬变电磁法勘探在煤矿采空区探水、岩层特征探测等方面应用较广，但往往在探测过程中只进行地面半空间探测或矿井全空间探测，由于视电阻率等值线图中的视电阻率是相对的，在半空间与全空间探测中的结果相差很大，不仅不能准确反映威胁矿井含水体的尺寸，而且也不能对煤矿含水体的形成、补给水源、水害形成机制等进行全面有效地分析。

本文基于瞬变电磁法，将地面半空间探测与井下全空间探测相结合，准确确定含水体的空间位置、尺寸以及含水体围岩裂隙或导水断层的分布，分析了矿井水害的形成机制，抓住主要因素，制定出切实可行的矿井水害防治方案。

1 瞬变电磁法原理

瞬变电磁法是指电磁波的一次脉冲向地层发射并传播电磁波，发射源瞬间断电，在一次脉冲电磁场间歇期间，应用接收线圈接收二次感应形成的涡流场，通过信号的解释、处理等，分析带有地层物理性质的信号，分析出前方未知区域的地质构造、岩层性质等，用这种探测技术来解决有关地质问题，进而达到预测预报的目的。

基本工作方法是：在地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈，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，感应电流由于热损耗而随时间衰减。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。

2 工程背景

鸡西市三鑫源煤矿位于鸡西市恒山区西南，所处位置均为山地，周围存在多处采空区，矿井涌水量较大。勘探区为山地地形，井口高程+406.8 m，现最深开采水平为+239.3 m，淋水较严重的下山巷段垂深为130 m。探测巷段与含水体330 m高程切片相对位置如图1所示，背景为地面半空间瞬变电磁探测+330 m视电阻率等值线水平切片图，红色闭合区域为含水体大致范围，黑色区域为矿井全空间瞬变电磁探测区域，该区域位于+260 m水平附近。

图1 探测巷段与含水体330 m高程切片相对位置图

3 含水体空间位置的确定

根据瞬变电磁法勘探的地质任务，地面探测采用大定源回线装置，线框大小为460 m×660 m，测线为南北向布置，基本线距40 m，由西向东分别表示为500 E～620 E，测点点距20 m，每条测线上测点由南向北表示为1160 N～1260 N；井下探测采用偶极装置，点距为1 m，发射线框大小为1 m×1 m，共100匝，发射线框与接收线框相距10 m，且发射线圈与接收线圈共面。通过对原始采集信息进行数据整理—转换与检查—数据处理—数据解释，最终绘制二维视电阻率剖面图，将二维视电阻率剖面图经过处理得到如图2所示的视电阻率垂直剖面图(图中红色粗线为含水体中心位置)，将井下视电阻率等值线图经过处理得到如图3、图4所示的巷道顶板、两帮视电阻率等值线图。

通过分析图2～图4，初步确定造成该巷段顶板淋水严重、两帮涌水量大的含水体范围为：地面测线500 E～620 E范围内为含水体东西展布，点号1160 N～1260 N为含水体南北展布；含水体位于巷道上方60 m，距巷道左帮15 m、巷道右帮30～80 m为含水体部分；从含水体分布平面图可知含水体沿巷道轴向分布范围达82 m，垂直两帮方向展布达90 m，从+360 m延伸至+260 m。

图2 地面半空间瞬变电磁探测视电阻率等值线垂直剖面图

图3 巷道1井下探测区域顶板视电阻率等值线图

图4 巷道1井下探测区域左、右帮视电阻率等值线图

4 水害产生的原因

通过对水体空间位置的分析，得出含水体内含水量不大，但矿井涌水量较大。

测线540 E切片的视电阻率等值线图如图5所示。通过对图5进行仔细分析发现：含水体通过两条小断层与地表直接连通，含水体与巷道通过一条小断层连通。考虑到地表为山地且植被茂盛，当地雨量充沛，分析认为含水体是断层1和断层2地质作用过程中形成的破碎带，而且这两条断层构成了与地表涵养水源的导水通道；断层3与含水体也连通，但在开挖前该导水断层并未延伸至巷道位置，由于巷道的开挖导致巷道围岩破坏产生裂隙，并与断层3连通。

图5 540E测线切片视电阻率等值线图

结合以上分析，含水体内含水量不大，但由于与地表涵养水源相连通，导致了巷道1右帮涌水量大，巷道顶板淋水，左帮涌水量相对较小，而巷道2在该水平巷段内未见顶板淋水和两帮涌水。

通过对该煤矿矿井水文地质条件和施工工程地质条件的勘探与分析，得出造成该煤矿巷道1两帮大量涌水、顶板淋水的主要地质构造因素为断层1、断层2和断层3形成的导水通道；巷道1和巷道2的开挖形成的裂隙带使导水通道与巷道贯通，断层3直接连接了含水体与巷道，是含水体与巷道连通的主要导水通道，主要导水通道在距巷道1右帮约45°方向20 m左右，该区域宽6 m，该区域静水压力约为1.7 MPa。

5 水害防治

根据现场勘查、钻孔查探等方法，最终确定在井下瞬变电磁探测位置分别沿巷道1向上延伸30 m、向下延伸10 m为注浆截流段。为防止巷道2内将来也出现水害，确定在巷道2内也采取注浆措施，确定在井下瞬变电磁探测位置分别沿巷道2向上延伸25 m、向下延伸10 m为注浆截流段。巷道断面内3个注浆钻孔分别与水平面成15°、30°和45°夹角。注浆截流方案施工方案如图6所示。

图6 注浆截流方案施工示意图

注浆截流方案施工后，巷道1内两帮不再涌水，顶板淋水现象消失，巷道2内在钻孔过程中有少许水量涌出，但在注浆完成后涌水现象消失。综上所述，注浆截流取得了满意的效果，同时验证了对瞬变电磁法探测结果解释的正确性。

6 结论

(1)依据瞬变电磁法原理，经过现场勘查，瞬变电磁法地面半空间、井下全空间探测确定威胁矿井水害的含水体位于井下探测区域的巷道上方40 m，距巷道左帮15 m、巷道右帮30～80 m；从含水体分布平面图可知含水体沿巷道轴向分布范围达82 m，垂直两帮方向分布范围达90 m。

(2)巷道1目前的涌水量过大，是由于其开挖形成的裂隙带使导水通道与巷道贯通，断层3与巷道2之间形成的裂隙带是含水体与巷道连通的主要导水通道，主要导水通道距巷道1右帮约45°方向20 m左右，该区域宽6 m，该区域静水压力约为1.7 MPa。

(3)综合考虑环境、施工等方面因素，对导水通道提出了注浆截流法水害防治方案，取得了满意的效果，为今后瞬变电磁法勘探的应用和矿井水害治理提供了参考。

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