矿井瞬变电磁法在采空区积水探测中的应用

来增武

（义马豫西地质工程有限公司，河南 义马 472300）

在煤矿生产和建设中，采空区积水为矿井水灾事故的主要原因。采空区积水特点是：水压大，一旦掘透，来势凶猛，具有很大破坏性，对钢丝绳等金属设备有腐蚀作用[1]。因此针对采空区的勘探研究具有重要的意义。本文通过瞬变电磁方法对掘进巷道前方存在的采空区积水情况进行探查，查清采空区的积水位置和范围，通过实践证明瞬变电磁法在探测采空区积水位置和范围上能够达到良好的探测效果[2]。

1 瞬变电磁法

瞬变电磁法英文全称是Transient Electromagnetic Method，即TEM，主要运用在地质问题的时间域的解决过程中，在使用过程中可以借助于电极或者不接地回线将脉冲式一次电磁场向地下的方向发送[3-4]。目前瞬变电磁法的运用具有显著的使用优势，能够达到比较高的工作效率，装置上也比较轻便，在多种地形条件下均可使用。

2 探测依据

K电阻率的分布情况与实际地形的分布情况之间具有一定的联系，在比较完整的地层中，由于地形结构中没有地质构造带以及采空区时，K电阻率呈现比较平滑的表现特征。而在地下水蓄积的地区，K电阻率的分布具有明显的相对低阻特征，这主要是由于电离作用与水的流动性的影响，在采空塌陷区与采空区中，采空区积水时电阻率与围岩相比较低，在K电阻率的反映上呈现出低阻反应的特征，因此可以结合瞬变电磁低阻异常区来确定采空区积水的分布位置和范围。

3 工程实例

（1）工作面位置。某矿25010工作面位于25区北翼，工作面上临21070工作面采空区，下临25030工作面采空区，南部为25大巷。工作面标高+224m～+282m，地面位于马头山东部，地形为山脊坡地，地面等高线变化大，陡坎较多。地面标高为+750～+800，工作面掘进对地面无影响。

（2）水文地质概况。砂岩裂隙含水层属孔隙裂隙承压水，是二1煤层顶板直接充水含水层，此含水层含水性弱，透水性差，且极不均一。太原组灰岩岩溶裂隙含水层是二1煤层底板直接充水含水层，岩溶裂隙不发育，含富水性较弱而不均一，以静储量为主。奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层上距为二1煤层底板间接充水含水层，补给径流条件好，导水性，富水性强弱不均。25010工作面上巷穿过21070采空区，由于21070采空区积水未进行探放作业，且21070工作面下巷密闭口处一直有8m3/h的水量，初始预计仅局部低洼巷道内有积水，因此25010工作面上巷掘进期间对上部21070工作面局部积水的探放是防治水工作的重点之一。

（3）施工方法。本次超前探测采用加拿大GEONICS公司生产的TEM-47（增强型）瞬变电磁仪，采用偶极方式布线，基本频率25HZ，关断时间100us，发射线圈为1mx1m的112匝方形线框。

（4）施工位置。共计进行瞬变电磁超前探测2次。第一次施工位置位于开口位置。第二次施工位置位于罗3点向里10m。

（5）结果分析。由于21070工作面位于掘进巷道上部，为了查明采空区积水的位置，实际探测时，布置15°仰探线、30°仰探线2条测线，每条测线由左30°～右40°，间隔10°一测，对采集的测点数据进行电阻率与深度转换，得到地下各深度地层的K电阻率信息，绘制K电阻率对数值拟断面图，依据地下电阻率对数的分布特征对异常进行分析（见图1、图2）。

图1 第1次瞬变电磁探测视电阻率对数值拟断面图

从图1纵向上看，断面图垂向上由近至远基本为“高-低”的K型地电断面特征。从横向上看，K电阻率对数值由左向右逐渐变小的趋势，因此得出探测前方50m以远，正前-右30°范围为1低阻异常区，且采空区积水向右侧积聚。

图2 第2次瞬变电磁探测视电阻率对数值拟断面图

从图2纵向上看，断面图垂向上由近至远基本为“低-高-低”的K型地电断面特征。从横向上看，K电阻率对数相对低阻值右侧比左侧更靠近掘进正头，因此得出探测前方50m以远，正前-右30°范围为1低阻异常区，且采空区积水右侧比左侧更靠近正头。

（6）验证情况。根据2次瞬变电磁探测结果，矿方设计6个探放水钻孔，各孔施工情况如下。

表1 瞬变电探测结果

1# R7 24 36 35 33 0.2孔口有臭鸡蛋气味，为H2S气体。2# R4 23 35.5 35 31 0.4 3# 0 22 35 35 32 0.4 4# R24 19 43 43 43 20 5# R25 18 47 46 45 15 6# R24 17.5 46 46 40 22

根据上表可知4#、5#、6#三个钻孔实现了疏放水，疏放水量上万立方米，且积水位置偏右侧，与2次瞬变电磁成果基本吻合，应用效果良好。

4 结论

实践表明，瞬变电磁法对采空区积水反映明显，依据K电阻率对数值差异可分辨掘进巷道前方采空区。依据电性标志层特征变化圈定的采空区范围与钻孔验证结果一致，得到了与划分的异常区基本一致的分析结果。在勘探与分析过程中通过对采空区勘察的分析能够看到瞬变电磁法基本上属于正确的检测方法，在以后类似探测中可以作为重要的参考依据，能够有效检测出采空区积水深度与范围。