瞬变电磁法探测工作面上层采空区积水的应用

何广宏

(山西汾西同达工程设计有限公司， 山西 介休 032000)

兼并重组矿井井田内小煤窑的过度开采、上层煤层采空区资料的短缺等原因导致许多越层、超警戒的隐性采空区位置、范围无法确定，给重组矿井的掘进和回采带来安全隐患，特别是对下层煤的开采产生影响，主要表现在采空区透水和采空区顶板发生大面积垮落。因此，必须对采空区的位置、范围、边界等进行探测，为矿井安全开采提供技术指导。以和善矿6-1采区6102、6103工作面为例，采用瞬变电磁法对回采工作面上层采空区进行探测，确定采空区积水的位置、范围、水量，验证疏水效果，确保矿井安全生产。

1 工程概况

和善煤矿由原山西沁源和达煤业有限公司、原沁源善朴煤炭有限公司、原沁源花坡煤炭有限公司及空白资源兼并重组，井田面积12.648 2 km2，批准开采1#—11#煤层，开采深度为+1 570～+1 060 m，生产规模180万t/a.

该矿6-1采区位于井田西部，主采6#煤，稳定可采，水文地质属于中等类型；采区南边界为6102、6103工作面，切眼长均为180 m，工作面长1 200 m. 根据煤层柱状图，现批准开采的6#煤上距2#、3#煤层20.3～25.4 m，2#、3#煤厚度为2.1～3.5 m，平均为2.8 m，大部分采用房柱式采煤法，被小煤窑泛滥开采、严重破坏，上层含水岩层裂隙发育，2#、3#煤层采空区积水极易通过断层、陷落柱及裂隙带下渗到6#煤6102、6103工作面，造成透水事故。经地面实地调查，探测范围内小窑井筒9座，原开采的2#、3#煤采空巷道错综复杂，井下地质、采掘活动资料缺乏，隐性采空区位置、界限无法确定，采空积水面积约为20万m2，积水量约为10万m3. 为弄清工作面的具体异常情况，利用矿井瞬变电磁仪对6102、6103工作面进行探测。

2 瞬变电磁实施方案

为探测6102、6013回采工作面顶板上层煤采空区积水，实地踏勘了工作面对应的地面地形特征，采用瞬变电磁仪在地面进行实验，划定测试范围，划分疏水前和疏水后两个数据采集阶段。疏水前划定60、160、240、260、340、400六条测线，设置测点，进行数据采集处理、资料整理解释、反演计算等；第一次探测并绘制瞬变电磁视电阻率拟断面图、切片图及异常解释成果图，确定采空区积水范围、位置，估算出采空区积水面积和总量；疏水后第二次探测设置A100、A200、A300、A400等8条测线并绘制视电阻率拟立断面图，对比疏水前后视电阻率变化；总结瞬变电磁技术的成果，给出掘进、回采的建议。

3 资料解释

3.1 疏放水前视电阻率拟断面图资料分析

为有效查看地质体在横向和垂向上的电性分布特征，结合已知资料和视电阻率拟断面图，标绘出煤层位置，通过电阻率色谱的变化特征、规模、形态和电阻率等值线的梯度、间距变化，推断地质体或异常的形态、性质等，解释断裂构造、地层结构及富含水特征。

对测区内60线典型的瞬变电磁测线视电阻率断面图进行分析，见图1. 60线位于测区南侧，6102回风顺槽北侧约6 m，2#和3#煤共圈定异常区4个，强异常区4个；6#煤共圈定异常区2个，强异常区1个，弱异常区1个。

图1 60线瞬变电磁视电阻率拟断面图

3.2 疏放水前视电阻率顺层切片图资料分析

通过对煤层底板等高线数据进行提取和网格化，得到各测点对应煤层的高程数据，在瞬变电磁成果数据体中提取各目的层的顺层视电阻率数据并生成顺层切片图。顺层电阻率及其富水性分析图可以显示含水异常的整体轮廓，还可配合视电阻率拟断面图进行含水异常解释，低电阻率值可以解释为含水异常区。

等高线数据提取的主要方法：将等高线、见煤标高点导入至MapGIS中，对曲线进行高程赋值及节点加密；然后将等高线节点及对应的高程值导出，在Sufer中采用与测网网度相同或更小的间隔进行数据网格化，标出分布整个测区的均匀高程点。所有测点附近都有与之对应的高程数据点，再根据测点的实际坐标值提取周边的高程数据点，并通过插值算法计算各测点的高程数值，得到各切片中测点对应的高程数值。根据得到的高程数据在数据处理成果数据体中提取顺层视电阻率数据，进一步对提取的顺层视电阻率数据进行富水性处理，最后在Surfer中绘制顺层切片图。

2#、3#煤层视电阻率顺层切片图见图2，整体上地层的背景电性特征相对均匀，异常呈现明显的区域性，视电阻率的变化范围较大，局部存在低阻异常，呈条带或片状主要分布于测区西侧、中西部和中东部3个区域，均为采空积水的表现。

3.3 疏放水前视电阻率异常解释成果分析

2#、3#煤层埋藏较浅，大部分为小窑破坏区，由于开采年代久，岩层沉降、裂隙发育，采空区低洼地带易变成积水区。根据2#、3#煤层瞬变电磁视电阻率拟断面图、切片图，6102、6103工作面范围内共圈定采空积水区异常12个，编号分别为A1、A2、A3、A4、A5、A8、A9、A13、A16、A17 和A18，A19. 其中，强采空积水异常区 5 个，分别为 A1、A2、A5、A8和 A17；弱采空积水区7个，分别为A3、A4、A9、A13、A16、A18 和 A19.

2#、3#煤层采空区积水量计算公式：

Q采=(K·M·F)/cosα

式中：

图2 2#、3#煤层视电阻率顺层切片图

Q采—各积水区总积水量，m3；

K—采空区的充水系数；

M—采空区的平均采高或煤厚，m；

F—采空区积水的投影面积，m2；

α—煤层倾角，(°).

采空区的充水系数强积水区取0.35，弱积水区取0.2,2#煤平均煤厚0.5 m,3#煤平均煤厚 0.8 m,由此计算出2#、3#煤层采空区积水面积约为234 575 m2，采空区积水量为98 593 m3. 其中，强采空积水异常区积水面积约为192 838 m2，积水量约为87 742 m3；弱采空积水区积水面积约为41 737 m2，积水量为10 851 m3，采空区积水量估算表见表1.

表1 2#、3#煤采空区积水量估算表

3.4 疏放水前、后视电阻率拟断面对比分析

根据第一次探查划定的采空区积水和2#、3#煤采掘工程平面图，布置6#煤回采巷，实施有效的超前探放水措施。以A200线瞬变电磁视电阻率拟断面图(见图3)为例，测线位于测区北侧，左侧为A200测线疏放水前地面瞬变电磁探测视电阻率拟断面图，右侧为A200测线疏放水后地面瞬变电磁探测视电阻率拟断面图。从图3可以研判：验证断面的上部视电阻率相较疏放水前视电阻率值偏高，有2处强异常区；通过6#煤6102、6103工作面掘进巷道布置，超前疏放水后视电阻率值偏低，有4处弱异常区，积水区由强积水区变成弱积水区；通过掘进、回采实践表明：工作面疏放水水量为8万m3，回采时工作面最大涌水量5 m3/h，使严重采空积水得到有效控制。

4 结 语

矿井瞬变电磁法针对矿井工作面上层采空区积水实现全方位的预测预报，有效确定煤层顶板采空区的位置、范围、含水量，同时验证疏水效果。

图3 A200 线疏放水前后视电阻率拟断面对比图

1) 与传统矿井物探方法相比，地面瞬变电磁探测技术可以有效地解决工作面上层采空区积水严重、上组煤开采资料缺乏、无法进行下组煤安全掘进的矿井采区布置等问题，实现无需掘进探巷的超前大面积井田的预防探测。

2) 矿井地面瞬变电磁法实现了探测采空积水的位置、范围、边界的全方位超前探测，其反演形成剖面图圈定了积水异常区的层位、水量，其形成不同探测角度的顺层立体切片图圈定了水平位置、影响范围及水量延伸变化；减少人工掘进探巷的成巷成本，建设高效的、安全的矿井。

3) 通过疏水前后对比图和实际探放水位置、水量，可排除地面电磁干扰，准确地验证实际积水位置、水量；验证掘进、回采工作面上层采空区积水治理效果，减少无效探巷成本，降低掘进、回采作业的透水、冒顶等安全事故。