瞬變電磁法在煤礦水害防治中的應用

楊志國，于勤智

（安徽煤田地質(zhì)局物探測量隊，安徽宿州234000）

瞬變電磁法在煤礦水害防治中的應用

楊志國*，于勤智

（安徽煤田地質(zhì)局物探測量隊，安徽宿州234000）

介紹了瞬變電磁勘探原理以及設備v8電法工作站，通過多次試驗得出原始資料，進行整理、歸類，建立相應的原始數(shù)據(jù)庫，對電磁響應數(shù)值模擬分析，得出低阻異常，圈定了煤礦采空區(qū)，為煤礦安全生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

瞬變電磁；v8電法工作站；電性特征

1 概述

煤炭作為我國重要能源，在國民經(jīng)濟的發(fā)展中依然占據(jù)半壁江山。目前全國煤礦兩萬處，數(shù)量超過世界上其他主要采煤國煤礦總數(shù)。但是，我國煤礦穩(wěn)定性較差，地質(zhì)構造相當復雜，自然災害因數(shù)較多，加上盲目開采，安全生產(chǎn)重視不夠，礦難時有發(fā)生，特別是透水事故，2000年1月11號徐州大黃山煤礦透水，20人死亡，2人失蹤。2010年3月28號，山西王家?guī)X煤礦發(fā)生透水，38名礦工遇難，給人民生命財產(chǎn)造成重大損失。因此，預防水害是煤礦安全生產(chǎn)重中之重，為了探明礦區(qū)水文地質(zhì)情況，安徽煤田地質(zhì)局物探測量隊受山西省同煤集團委托對五里灣煤礦進行瞬變電磁勘探。

2 水文地質(zhì)情況

本井田為一軸向北西的背斜構造，由于層間裂隙水大部分屬承壓水，層間地下水分別沿背斜兩翼向地處匯集，加之斷層規(guī)模小導水性極弱，井田構造為各含水層富水性弱的重要影響因素之一。礦井主要可采煤層直接含水層為山西組、太原組砂巖裂隙含水層。間接充水層主要為奧灰?guī)r溶裂隙含水層，井田奧灰水位標高1160～1180m左右?？刹擅簩?號煤的最低標高位于井田東北處，經(jīng)計算，該處奧灰的突水系數(shù)為0.052MPa/m,小于受構造破壞地段的突水系數(shù)經(jīng)驗值0.06MPa/m,奧灰水對井田煤層開采無影響，本礦現(xiàn)開采4號煤層，井下涌水量30～40m3/d,涌水量較小，經(jīng)綜合分析，本礦井水文地質(zhì)類型屬簡單型。

3 礦井充水因素分析

（1）頂板和井筒裂隙滲漏。

（2）奧灰突水。根據(jù)推測的奧灰水位標高，本礦主采煤層均處于奧灰水位之下，一般情況奧灰水對礦井生產(chǎn)不會造成影響，但若有大的隱伏構造如斷層或陷落柱存在的導水性，有可能將奧灰水導入巷道，造成水患。

（3）相鄰礦井采空區(qū)和廢棄巷道積水。本礦井東部邊界相鄰礦井較多，多為地方小煤礦，應該詳細了解相鄰礦井的開采情況，特別是采空區(qū)及廢棄巷道的分布情況及其積水程度。

表1 測區(qū)地層電阻率一覽表

4 瞬變電磁法方法技術

瞬變電磁法（簡稱TEM）是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。簡單地說，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應定律，衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度??；而晚期成分則相當于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的電特征。由于該方法是純二次場測量，故與直流順便電磁勘探相比，具有對低阻地質(zhì)體反應敏感，縱橫分辨率高，勘探深度大，不受地表高阻覆蓋層影響，工作效率高的優(yōu)點。

5 設備

本次工作使用在世界上屬技術領先的電磁法勘探設備之一——加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的v8電法工作站。系統(tǒng)由v8主機，輔助接收機、發(fā)射控制器、大功率發(fā)電機、30kW發(fā)射機和T4發(fā)射機、磁棒、接收線圈等組成該系統(tǒng)的硬件部分，并配有GPS和網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)，可以進行多種方法測量。系統(tǒng)最大的特點就是采用網(wǎng)絡系統(tǒng)，主機可以對輔助接收機和發(fā)射控制器進行操作，利用GPS衛(wèi)星時間達到時鐘同步，減少了由于時間不準對數(shù)據(jù)的影響，增加了多種濾波功能，選擇不同的濾波功能，利用電流傳感器自動記錄供電電流，使觀測結果更加準確、適時。

6 電性解釋與綜合地質(zhì)分析相結合

由于受目前技術手段和技術水平的限制，所獲得的各種原始信息及經(jīng)過處理的探測成果數(shù)據(jù)資料等，均存在一定的局限性或片面性。但從地質(zhì)規(guī)律而言，這些資料信息均存在一定的內(nèi)在聯(lián)系，在電磁法資料解釋的基礎上，對煤礦勘探和生產(chǎn)中所獲取的鉆探、巷探及采掘揭露的各種地質(zhì)資料信息，采用多種方法（如數(shù)理統(tǒng)計、地質(zhì)統(tǒng)計、數(shù)學模擬等）進行綜合集成分析，去粗取精，去偽存真，從中提取有用的地質(zhì)信息，通過建立特定的數(shù)學地質(zhì)模型，總結和研究勘探區(qū)范圍內(nèi)的構造發(fā)育和煤層厚度變化等地質(zhì)規(guī)律，進一步細化資料解釋，得出符合地質(zhì)規(guī)律的電磁勘探結果，以提高成果的精度和可靠性。

本區(qū)覆蓋層、煤系地層及下伏巖層沉積序列清晰、穩(wěn)定?？v向上地層視電阻率具有一定的規(guī)律，而橫向上電性差異較小。當有富水的斷層裂隙和采空區(qū)存在時，視電阻率呈現(xiàn)良導電體的特征，破壞了地層電性在橫向上的均勻性和縱向上的正常遞變規(guī)律，為使用電磁法探測富水地質(zhì)體，并研究它們的縱橫向力聯(lián)系提供了條件。

表2 反射邊長：500試驗2-4號點25Hz、8.333 Hz和2.5 Hz反演深度電阻率對比

7 采空區(qū)的電性特征及其含水性

在電性圖中，橫向上沉積地層的相對穩(wěn)定性帶來電性在正常情況下的均一變化，當存在富水性構造，采空區(qū)或其他良導電地質(zhì)體時（如斷層、破碎帶、含水層富水等）都將打破橫向電性均一性。當其在三維空間上具有一定規(guī)模時可改變縱向和橫向電性的變化規(guī)律，表現(xiàn)為局部的區(qū)域性的電性異常。在正常煤系地層中電性關系應基本均一，但在推斷的采空區(qū)附近出現(xiàn)的低阻異常帶致使煤層在采空區(qū)兩邊電性不連續(xù)，基于電性的判斷，推斷出以上的采空區(qū)。根據(jù)我隊提供的采空區(qū)位置，礦方技術人員與前期的三維地震勘探成果進行了比較，采空區(qū)電性反應明顯、清晰，同三維地震勘探成果吻合。

8 結語

瞬變電磁法（TEM）是煤礦水害防治中一種非常有效的方法，被廣泛采用。它具有許多優(yōu)點：施工方便，受地形影響小，對低電阻率地質(zhì)目標體反應敏感等。由于瞬變電磁勘探依然屬于電法體積勘探，一些規(guī)模較小富水區(qū)不足以產(chǎn)生較大的渦旋電流，在巷道開挖過程中，在開展地面綜合物探方法的同時，進一步開展采掘巷道的超前地質(zhì)預報工作，將是非常重要和必要的。

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1004-5716(2015)08-0139-02

2014-08-07

2014-08-13

楊志國（1968-），男（漢族），安徽宿州人，工程師，現(xiàn)從事地球物理勘探工作。