瞬变电磁法在导水裂缝带高度探测中的应用

薛雄飞

(陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

随着我国煤矿长壁大采高综合机械化开采技术的不断发展，高强度开采引起的地表沉陷、地下水流失、生态环境破坏等一系列问题相继出现，其中导水裂缝带发育高度是导致这些问题的主要症结所在[1-3]。目前针对导水裂缝带高度的确定方法主要以经验公式计算、钻孔冲洗液观测、数值模拟、相似材料物理试验等传统方法为主[4-6]，并没有统一的标准，不同的确定方法均存在一定的局限性[7-9]。因此，导水裂缝带发育高度的确定，对评价矿井回采工作面突水危险性、科学制定水害防治措施具有重要意义[10-11]。

以杭来湾煤矿30103回采工作面为研究对象，在以往通过钻孔实测导水裂缝带高度的基础上[12-13]，利用导水裂缝带充水后电阻率降低的这一特征，引入了瞬变电磁探测方法，通过分析探测结果和钻孔实测结果之间的差异，确定大采高综采开采条件下瞬变电磁探测法在杭来湾煤矿导水裂缝带高度中的适用性。

1 工作面概况及探测条件

1.1 工作面概况

30103回采工作面是杭来湾煤矿301盘区第3个工作面，工作面走向长度为4 352 m，倾向长度为299.1 m，3号煤层平均厚度8.7 m，倾角5.5°，平均埋深约250 m，地质储量约8.0 Mt。工作面采用长壁分层大采高综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板，前期开采3号煤层上分层，采厚为4.8 m。30103工作面地质条件简单，工作面没有大的构造，地层沉积平缓稳定，厚度变化均匀，地层岩性主要以砂岩为主。

1.2 探测条件

一般情况下，导水裂缝发育且充水的地层具有低电阻率的特征，裂缝发育的程度越高，富水性就越强，低阻特征越明显。电阻率与地层的岩性、裂缝发育程度和富水性具有显著的对应关系。30103工作面于2015年回采完毕，顶板完全垮落后，导水裂缝带高度发育趋于稳定，回采形成的导水裂缝被水充填后，电阻率将明显降低，瞬变电磁探测显示为低阻异常区，这一特性满足瞬变电磁仪的探测条件。因此，瞬变电磁探测法适用杭来湾煤矿30103工作面导水裂缝带高度的探测。

2 瞬变电磁探测设计

2.1 仪器选择

本次探测选用安徽惠州地质安全研究院生产的YCS360A型矿用本安型瞬变电磁仪，该设备接收和发射线圈尺寸为1.8 m×1.8 m，发射频率分别为125 Hz、25 Hz、12.5 Hz、6.25 Hz、5 Hz和2.5 Hz，信号接收频率范围为1～400 kHz，采样抽道运算道数为360道，最大探测深度为120 m，设备的技术参数满足探测要求。YCS360A型矿用本安型瞬变电磁仪内置的自定义探测程序，主要用于探测煤层底板的富水性，该程序适用于本次探测。

2.2 探测设计

根据杭来湾煤矿30103回采工作面的地层特征，在导水裂缝带影响范围内，直罗组和延安组砂岩承压含水层厚度稳定且分布广泛，瞬变电磁探测法的可靠性更高。因此，探测设计借助钻孔柱状图进行数据比对和地层参照，结合导水裂缝带在工作面不同位置的发育规律，同时考虑瞬变探测仪最大探测深度和范围，综合分析后将探测地点选择在30103工作面采空区中部钻孔B4附近，距切眼230～330 m范围内，共设计11个探测点，每个测点间距为10 m，测点布置情况如图1所示。

图1 30103工作面采空区瞬变电磁探测点布置Fig.1 Layout of transient electromagnetic detection points in goaf of 30103 working face

3 数据分析及验证

3.1 数据采集

利用瞬变电磁仪内置的自定义探测方法，根据探测点布置图进行数据采集工作。首先，清理工作现场地表的杂草和杂物，保证设备尽量远离金属干扰和高压线路；根据探测点位置坐标，利用手持GPS或RTK进行现场放样，对11个探测点位置进行标记，并编号做好记录；检查仪器设备的工作状况，检查收发线圈是否正确连接。选择设备内置的自定义探测方法，将线圈置于探测点的中心，操作设备进行数据采集，待数据采集进度条完成，依次完成剩余探测点的数据采集。

3.2 数据处理和成果解释

3.2.1 数据处理

将采集的数据通过USB数据线与计算机连接，将本次采集的数据导出，打开MTEM数据处理软件，按照图2所示流程进行数据处理。将采集的原始数据经过工程导入、测线组合、道参修改、干扰校正、扩散校正和圆滑处理等操作后，生成了30103回采工作面采空区裂隙探测视电阻率色谱断面图，如图3所示。

图2 探测数据处理流程Fig.2 Detection data processing flow

图3 30103工作面采空区裂隙探测视电阻率色谱断面Fig.3 Apparent resistivity chromatographic section of fracture detection in goaf of 30103 working face

3.2.2 数据处理和成果解释

本次探测以探测线附近的B4钻孔作为地层参照，结合B4钻孔柱状图排除了导水裂隙导通区域内泥岩、砂质泥岩和粉砂质泥岩对本次探测结果的干扰影响后，根据视电阻率色谱断面中可以看出，垂深110～120 m之间出现大范围的低阻区，同时随着深度增加电阻率明显降低，由此判断开采引起的导水裂隙在该范围以下发育程度逐渐增大。由于该探测区域内B4钻孔柱状图煤层埋深约230 m，视电阻率色谱断面图显示，导水裂缝带在距离地表大约110～120 m的位置发育程度较高，结合B4钻孔柱状图可知探测区域内3号煤层埋藏深度约为232 m左右。因此，在采厚为4.8 m的情况下，探测区域导水裂缝带发育高度约为118 m，裂采比为24.6。

3.3 成果验证

3.3.1 导水裂缝带高度实测

杭来湾煤矿通过地面钻孔冲洗液漏失观测法和井下仰斜孔漏失量观测法，2种方法分别对30101回采工作面和30108回采工作面导水裂缝高度进行过实测，实测的工作面导水裂缝带发育高度统计情况见表1。

表1 杭来湾煤矿导水裂缝带高度实测成果Table 1 Measured results of height of water flowing fracture zone in Hanglaiwan coal mine

3.3.2 结果分析

对比瞬变电磁探测法和钻孔实测法2种探测结果可以发现，瞬变电磁探测结果几乎与实测结果相差不大，与钻孔实测的方法相比，瞬变电磁探测结果具有费用低、效率高、操作简单快捷、探测位置灵活、探测深度大，探测结果可靠等诸多优点。以往不具备钻孔实测条件时，一般都采用经验公式进行计算，但是经验公式的计算结果与实际情况存在很大差距，不适用于大采高综合机械化开采的情况，瞬变电磁仪探测法的引入，给导水裂缝带高度的探测提出了一种新的技术手段。随着矿井开采范围和开采技术条件的不断变化，可根据需要随时在指定区域进行回采工作面采空区导水裂缝带发育程度的探测，利用探测结果评价矿井回采工作面突水危险性、制定顶板水害防治措施。

4 结论

(1)工作面回采过后，顶板自然垮落，导水裂缝带向上覆基岩含水层发育，使得导水裂缝充水，这一特征满足瞬变电磁仪的工作条件。

(2)杭来湾煤矿30103回采工作面探测结果显示，采厚为4.8 m时，导水裂缝带高度为118 m，裂采比为24.6，这一结果与钻孔实测数据基本吻合，证明该探测方法可靠性较高。

(3)大采高综合机械化开采条件下，经验公式在导水裂缝带高度的计算过程中存在很大的局限性，不推荐矿井继续使用。与传统的导水裂缝带高度探测手段相比，瞬变电磁法具有费用低、效率高、操作简单、探测结果可靠等诸多优点，推广应用的优势和潜力很大。

(4)利用瞬变电磁法对回采工作面采空区导水裂缝带发育程度的探测，为矿井回采工作面突水危险性的评价和顶板水害防治措施的制定，提供了重要依据。