瞬變電磁法在防治礦井水害中的應(yīng)用

陳繼福，孫占成

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037003；2.大同煤礦集團挖金灣煤業(yè)公司，山西大同 037003）

瞬變電磁法在防治礦井水害中的應(yīng)用

陳繼福1，孫占成2

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037003；2.大同煤礦集團挖金灣煤業(yè)公司，山西大同 037003）

為查明某煤礦81019工作面頂、底板巖層的富水性，采用了瞬變電磁法對其進行勘查，通過此種物探方法的定量解釋，預(yù)測了該工作面的富水情況，為防治礦井水害提供了科學(xué)依據(jù)。

瞬變電磁；礦井；富水性；應(yīng)用

某礦井14＃煤層81019工作面位于井田西部、410盤區(qū)中部。北與81021工作面（尚未開采）相鄰，東與××礦相鄰，南鄰81017工作面（現(xiàn)正在開采），西有盤區(qū)煤柱與大巷相連。14＃煤層頂板巖層為細砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖互層；底板為炭質(zhì)泥巖。其上方是12＃煤層的采空區(qū)，兩煤層的層間距為15～16m。工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單，巷道掘進過程中揭露2條正斷層，落差均小于1m。

與該工作面對應(yīng)的地表大都被黃土覆蓋，在工作面的東部發(fā)育有一條溝谷，最大切割深度為20m，蓋層厚度200m左右。

此次勘查的主要目的是：查明81019工作面頂、底板巖層的富水性，為防治礦井水害提供科學(xué)依據(jù)。

1 工作方法與技術(shù)

本次探測使用的儀器為國產(chǎn)YCS40-1型礦用瞬變電磁儀。由于受井下測量環(huán)境的限制，只能采用邊長小于3m的多匝小線框，其測量點距控制在15m左右。

本次瞬變電磁（TEM）探測施工［1］主要是針對51019運輸巷、21019回風(fēng)巷及切眼范圍內(nèi)頂、底板巖層的富水性進行探測。根據(jù)多匝小回線發(fā)射電磁場的方向性，可認為線框平面的法線方向即為瞬變電磁探測方向。因此，將發(fā)射、接收線框平面分別對準煤層頂板、底板或平行煤層進行探測，便可反映煤層頂、底板巖層或平行煤層內(nèi)部的地質(zhì)異常，見圖1。根據(jù)這個原理結(jié)合探測目的，對底板探測時將重疊回線裝置平行于巷道底板，使線框平面的法線與底板垂直；對頂板進行探測時沿煤層將線框與底板傾斜一定的角度。

圖1 探測方向示意

圖2 TEM觀測系統(tǒng)中測點的布置

表1 工作量表

2 數(shù)據(jù)解析及結(jié)果

2.1 數(shù)據(jù)組成結(jié)構(gòu)

儀器采集的原始數(shù)據(jù)為電壓對電流的對數(shù)值。將數(shù)據(jù)室內(nèi)回放，原始數(shù)據(jù)打開后呈現(xiàn)如圖3所示的兩部分曲線，縱坐標表示某個測點的實測V/I值，從上到下依次為1～40道，0，E-1，……，E-6分別表示值為0，0.1，……，1000000，以對數(shù)方式顯示，單位為“微伏/安培”；橫坐標表示測點記錄，即實際采集了多少個采樣點；“x＝＊＊”表示第幾個測點記錄，“y＝＊＊”表示該測點的實測V/I值。下半部分的曲線為選中曲線測道顯示，其中“X＝＊＊”為上半部分X表示的測點的測道顯示。

根據(jù)剖面曲線可以分析測區(qū)電性的大致分布趨勢，峰值越大表示該區(qū)域內(nèi)巖層的導(dǎo)電性越好，視電阻率就越小，相對顯示低阻異常。

經(jīng)過相關(guān)計算可以得出每個測點的視電阻率值，結(jié)合地質(zhì)及水文地質(zhì)情況判斷測區(qū)巖層的電性分布特點［2］。

圖3 剖面曲線顯示

2.2 結(jié)果分析及解釋［3～6］

2.2.1 51019巷道頂板視電阻率等值線分布

圖4 51019頂板電阻率等值線分布

從51019巷道頂板100m范圍內(nèi)視電阻率的大致分布情況來看（見圖4），等值線的分布總體上近于平緩，說明頂板巖層的電性大致呈層狀分布，但在60m～80m范圍內(nèi)出現(xiàn)陡然變化，推測可能為構(gòu)造所致。

2.2.2 51019巷道探測結(jié)果剖面分析

圖5 TEM頂板視電阻率擬斷面圖

圖5是本次探測的51019巷道頂板的視電阻率擬斷面圖與對應(yīng)的色標。圖中不同的顏色表示不同的視電阻值，并呈從冷色調(diào)到暖色調(diào)升高的規(guī)律分布。因此填充了不同顏色的該斷面圖可以更直觀地判斷探測區(qū)域頂板巖層電阻率的分布情況。

一般情況下，在相同條件下巖石的電阻率不會發(fā)生變化。但如果巖石出現(xiàn)裂隙或者充水，巖石的電阻率就會發(fā)生大的變化。從圖5中可以看出，在220～460m范圍內(nèi)，縱向深度在50～85m的區(qū)段內(nèi)，斷面圖中顯示為藍色區(qū)域，代表了視電阻率的低阻異常，結(jié)合地質(zhì)條件分析，為采空區(qū)相對富水區(qū)段。

圖6 21019頂板視電阻率擬斷面圖

2.2.3 21019巷道頂板視電阻率斷面分析

圖7 21019頂板視電阻率等值線分布

根據(jù)21019巷道頂板的視電阻率等值線分布情況，見圖7。將該等值線填充和圖5一致的色標后，顯示結(jié)果如圖8。從探測結(jié)果上分析，可依據(jù)阻值為1及以下的原則，將斷面劃分為兩個異常區(qū)。

圖8 21019頂板視電阻率擬斷面圖

2.2.4 雙巷聯(lián)合異常分析

根據(jù)對51019巷道與21019巷道聯(lián)合分析突出異常的結(jié)果，見圖9。推斷整個工作面頂板巖層一定深度范圍的電性分布情況。在數(shù)據(jù)處理時，選擇21019巷道由內(nèi)切眼朝外切眼延伸的方向為空間直角坐標系的X軸的正方向；內(nèi)切眼朝51019巷道延伸的方向為Y軸的正方向，以此建立空間相對坐標。探測區(qū)段21019巷道的坐標為（0，390），51019巷道探測區(qū)段坐標為（170，465）。

圖9 雙巷聯(lián)合反演結(jié)果

在此坐標系下，將兩條巷道與坐標對應(yīng)的相同深度的電阻率屬性值提取出來進行作圖，其結(jié)果可以反映工作面頂板垂直方向上不同深度的電性分布情況。按照此方法，提取了頂板上方30m，40m，50m上分布的電阻率，切片結(jié)果見圖10。

圖10 工作面頂板不同深度的垂直切片

3 結(jié)論及建議

3.1 探測結(jié)論與分析

本次探測可得出如下結(jié)論：

1）在探測區(qū)段的X坐標軸上，（0，0）～（100，0）（即21019巷道由內(nèi)切眼向外切眼延伸100m）區(qū)段，視電阻率出現(xiàn)低阻異常；同時，（0，170）～（100，170）（即51019巷道由切眼向外切眼延伸100m）探測區(qū)段的視電阻率也出現(xiàn)相同的變化趨勢。結(jié)合所收集的地質(zhì)資料，推測該區(qū)段為構(gòu)造影響區(qū)段，并且該構(gòu)造可能延伸至整個工作面；

2）在探測區(qū)段的X坐標軸上，（100，0）～（220，0）及（100，170）～（220，170）區(qū)段視電阻率呈現(xiàn)升高的趨勢，較前區(qū)段高，推測該區(qū)段相對富水性不強；

3）在探測區(qū)段的X坐標軸上，（200，0）～（390，0）區(qū)段及（200，170）～（465，170）區(qū)段視電阻率明顯偏低，結(jié)合地質(zhì)資料推測該區(qū)段富水性較強，為相對富水區(qū)域。

3.2 建議

依據(jù)上述探測推論，建議針對性地采取措施，見表2。

表2 針對區(qū)段建議

4 結(jié)語

物探技術(shù)的應(yīng)用為防治礦井水害提供了便捷、有效的技術(shù)手段，但是，瞬變電磁法和其它物探技術(shù)一樣，有其適應(yīng)性。在實際探測中，要善于探索總結(jié)。與此同時，對于探測資料的解析也至關(guān)重要，這就要求有關(guān)技術(shù)人員具有較高的專業(yè)技術(shù)水平和豐富的實踐經(jīng)驗，力求判析結(jié)果準確、可靠，以取得更好的安全效益和經(jīng)濟效益。

［1］于景頓.礦井瞬變電磁法勘探［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

［2］劉樹才，岳建華，劉志新.煤礦水文物探技術(shù)與應(yīng)用［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［3］孔德山，程久龍，朱若軍，等.利用礦井瞬變電磁法探測工作面頂板巖層含水性的研究［J］.礦業(yè)安全與環(huán)境，2010，37（3）：31-33.

［4］溫建亮.瞬變電磁法勘探在煤層采空積水區(qū)的應(yīng)用［J］.中國煤炭地質(zhì)，2010，22（5）：67-69.

［5］宋曉洪.瞬變電磁物探在Ⅱ617工作面水害防治中的應(yīng)用［J］.采礦技術(shù)，2009，9（1）：80-81.

［6］李松峰，陳余道，李永軍.瞬變電磁法在礦井底板富水性探測中的應(yīng)用［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報，2010，7（1）：19-21.

〔編輯 石白云〕

The Application of Transient Electromagnetic Method in Preventingmine Shaft Flooding

CHEN Ji-fu1，SUN Zhan-cheng2
（1.School of Coal Engineering，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037003；2.Wajinwan Coalmining Company，Datong Coalmines Group，Datong Shanxi，037003）

To find out how much water content exists in the ceiling and floor rocks of the No.81019 working face，the transient electromagnetic method was applied，which offers a quantitative measurement to predict the water content and provides a scientific basis for preventing water disasters.

transient electromagnetic；mine shaft；water content；application

TD713＋.3

A

1674-0874（2011）03-0072-05

2011-02-23

陳繼福（1965-），男，山西朔州人，碩士，副教授，研究方向：礦山地質(zhì)。