瞬變電磁法在煤礦防水中的應(yīng)用研究

董宇婕

（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同037003）

瞬變電磁法在煤礦防水中的應(yīng)用研究

董宇婕

（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同037003）

礦井水害一直是困擾煤礦以及廢棄礦井的重大安全問題之一，礦井突水尤其嚴重威脅著煤礦的生產(chǎn)安全。文章以鵲山礦十里河床及周邊采空區(qū)瞬變電磁法探測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，試圖判斷地下采空區(qū)是否有充水的可能性并提出建議，希望降低井下因?qū)Φ叵滤袛嗖蛔愣斐傻娜藛T傷亡和財物損失。

瞬變電磁法；礦井防水

在礦井開拓、采掘過程中，滲入、淋入、流入、涌入和潰入井巷或工作面的任何水源水，通稱礦井水。當?shù)V井涌水超過正常排水能力時，就會造成礦井水災(zāi)。目前，礦井水害仍然是重要的煤礦安全隱患之一，在煤礦重、特大事故中所占的比重較大[1]。例如，在2015年4月19日下午6時50分左右，山西省同煤集團地煤公司姜家灣煤礦發(fā)生透水事故，該礦當班247人下井，223人安全升井，24人被困井下。據(jù)初步判斷，事故原因是上層采空區(qū)積水所致。最終，24名被困人員中3人獲救，21人遇難。所以，如何有效地對井下采空區(qū)的充水情況進行預(yù)測就顯得尤為重要。本文試圖采用瞬變電磁法對鵲山精煤有限責任公司的煤礦井下采空區(qū)充水情況進行預(yù)測，以期能有效地推廣至其他領(lǐng)域。

1 礦井概況

鵲山精煤有限責任公司位于大同煤田西北部、大同市左云縣東北部鵲兒山鎮(zhèn)，介于左云縣與南郊區(qū)交界地段，處在大同煤田侏羅系含煤地層剝蝕邊界線附近。井田內(nèi)大部分為黃土覆蓋，基巖僅出露于溝谷兩測。井田內(nèi)植被稀少，地形切割強烈，沖溝發(fā)育，溝內(nèi)常年干涸無水，總體地勢呈東北高西南低趨勢，最高點位于北部，標高1 340 m，最低點位于十里河河床1 195 m，相對高差145 m。

井田整體構(gòu)造形態(tài)為一走向N70°E，傾向S20°E，傾角3～5°，井田南北長7.659 1 km，東西寬1.977 km，井田面積10.912 4 km2。井田揭露地層由老到新為：寒武系、石炭系、侏羅系、第四系。井田內(nèi)由一系列傾角不大的背斜、向斜組成。區(qū)內(nèi)斷層不多，斷距不大。項目探測研究區(qū)域位于鵲山精煤煤礦井田南部，十里河床保安煤柱范圍內(nèi)。在項目探測時，該井田尚未開始開采，但是井下掘進工作面鉆孔探測已發(fā)現(xiàn)工作面前方有采空區(qū)和斷層，很可能是由于周邊煤礦以及小煤窯對區(qū)內(nèi)煤層的偷挖開采造成的，故其開采程度不清楚，開采留下的采空區(qū)范圍尚不明確。

井田內(nèi)可采煤層主要賦存在侏羅系中統(tǒng)大同組中，下伏地層為侏羅系下統(tǒng)永定莊組砂質(zhì)泥巖，厚度約200 m。煤系地層頂部被第四系黃土覆蓋，黃土層厚度不大，約20 m。本區(qū)大同組含煤地層一般厚182.40 m。共含2、3、4、5、7、8、11-3、12、14、15號等13層煤，煤層總厚14.80 m，含煤系數(shù)為8.1%。其中可采煤層7層，即3、4、7、8、11-3、12、14號，可采煤層總厚12.82 m。

2 研究原理及方法

2.1煤層連通性

本次研究的主要對象是鵲山礦的11號及14號煤層，探測時均未開采。11號煤層距地面60 m，煤厚3 m；14號煤層距地面100 m，煤厚2 m。11號煤層與14號煤層相距40 m。

經(jīng)驗公式：

式中：Hf為導水裂隙帶最大高度；M為累計采厚；n為煤層層數(shù)。

由式(1)可計算出14號煤層的導水裂隙帶高度為33.27 m。

經(jīng)驗公式：

式中：h1為底板破壞深度；H為采深；a為煤層傾角；f為底板巖石堅固性系數(shù)；L為工作面斜長。

由式(2)可計算出11號煤層的底板破壞帶厚度為了11.67 m。

由于兩者相加的厚度超過40 m，故可認為11號煤層及14號煤層具有一定聯(lián)通性，若11號煤層采空區(qū)中有積水，則其很可能會影響14號煤層的開采活動。

2.2瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集與解釋

如上所述，通過計算11號煤層的底板破壞深度和14號煤層的導水裂隙帶高度，大致可以確定11號煤層采空區(qū)如果存在積水則可能會對14號煤層產(chǎn)生影響。本文希望通過地表的瞬變電磁法，測量判定該工作區(qū)域是否存在充水的可能性，并試圖做出進一步的探討。

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向下也發(fā)送一次電磁聲場，在一次脈沖聲間歇期間，使用不接地線圈或接地電極觀測二次渦場的方法[2-3]。相對圍巖而言，采空區(qū)通常的電性反映為高阻，即使采空區(qū)冒落塌陷后，其內(nèi)部充填的松散物的電阻率相對周圍介質(zhì)而言仍然為相對高阻，只有當采空區(qū)充水后與圍巖相比才為低阻。據(jù)此，我們可以試圖將充水區(qū)域從地質(zhì)背景中分離出來。

本次野外測量采用西安強源物探研究所生產(chǎn)的“EMRS-3型瞬變電磁勘探儀”，工作裝置重疊回線,供電線圈3 m×3 m；供電電流1 200 A；接收線圈6匝8次疊加；采樣程序分22道，80～19.4 ms，22測道。使用小型線圈，保證測點中心位置對應(yīng)的地質(zhì)體響應(yīng)最佳。1 000 A以上的供電電流，保證了V2信號的信噪比。

考慮地形的影響以及盡量垂直采空區(qū)、巷道的走向、斷裂走向等諸多因素，本次共布設(shè)約9條測線，側(cè)線走向為北東38°展布(見圖1)，線距50 m（因測量放線的時候?qū)?、4線之間的線距放為70 m，所以這兩條線之間的線距例外），點距皆為20 m。

野外數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理計算得到視電阻率值，利用軟件繪制各條測線的視電阻率剖面圖。視電阻率反映的地層深度和電阻率值并不是實際的值，只是能大概反映實際地質(zhì)體綜合地電參數(shù)，供室內(nèi)數(shù)據(jù)定性解釋分析[4-6]。

圖1 鵲山礦十里河床瞬變電磁法展點圖

TEM實測二次場響應(yīng)V2值信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理軟件，根據(jù)工區(qū)已知地質(zhì)條件和鉆孔資料建立正演模型，對測區(qū)局部（或全部）測點進行校正。對每個測點的有效測道進行編輯（選擇有效測道）可以計算出各測點的視電阻率值，經(jīng)過整理后可以繪出剖面等值線圖，見圖2。據(jù)實際的地質(zhì)資料的研究目的要求，可分別繪制不同高程的視電阻率平面圖[7]，見圖3。

圖2 鵲山礦十里河床第9測道視電阻剖面圖

圖3 鵲山礦十里河床1 100 m視電阻平面圖

根據(jù)不同測線的多測道剖面圖，視電阻率剖面圖以及不同高度的視電阻率平面圖，我們最終可以綜合擬合出一張測區(qū)主要異常平面圖[8]，見圖4。

圖4 鵲山礦十里河床主要異常平面圖

3 結(jié)論與探討

（1）通過各測線的視電阻率剖面圖以及不同高度的視電阻率平面圖，結(jié)合測區(qū)主要異常平面圖可以看出，其中1測線1-41、1-42、1-43、1-44、1-45，4測線4-22、4-23、4-40、4-41、4-42、4-53、4-54、4-55，5測線5-20、5-21，6測線6-33、6-34、6-40、6-41，7測線7-50、7-51、7-52、7-53、7-54，9測線9-36、9-37、9-38、9-39等測點均為相對低阻區(qū)，可能為井下充水區(qū)域。根據(jù)不同測道的視電阻率剖面圖我們可以大致判斷，其中9-36、9-37、9-38、9-39，6-33、6-34、6-40、6-41，5-20、5-21，4-22、4-23、4-40、4-41、4-42、4-53、4-54、4-55等測點應(yīng)屬于11號煤層的低阻區(qū)域，而1-41、1-42、1-43、1-44、1-45，4-22、4-23、4-53、4-54、4-55，6-40、6-41，7-50、7-51、7-52、7-53、7-54，9-36、9-37、9-38、9-39等測點則可能靠近14號煤層。

（2）煤田可能存在地下水的低阻區(qū)主要集中在兩側(cè)的1、9以及4、7、6等測線中，很可能是其他小煤窯從兩側(cè)無規(guī)劃開挖造成的采空區(qū)或裂隙等與附近的十里河或地下水源聯(lián)通的結(jié)果。

（3）瞬變電磁法在煤礦的地下水探測中也能達到很好的應(yīng)用，甚至可以對低阻區(qū)的空間位置進行一定的判斷。

[1]王秀蘭，劉忠席.礦山水文地質(zhì)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

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Application of Transient Electromagnetic Method in Coal Mine Waterproof

DONG Yu-jie
（School of Coal Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037003）

Mine water disaster is always one of the major security issues in coal mine and abandoned mine,mine water inrush is a particularly serious threat to safe production in coal mines.This paper is based on the TEM date of Shili riverbed and surrounding area in Queshan coal mine,trying to determine if there is a possibility of filling water in goaf and give some suggestion，hoping to reduce the property loss caused due to insufficient judgement of groundwater.

transient electromagnetic method；coal mine waterproof

P631；TD745

A

〔責任編輯 王東〕

1674-0874(2017)01-0060-03

2016-10-08

董宇婕（1987-），女，山西大同人，碩士，助教，研究方向：巖石學及地球化學。