基于電法勘探井田含水區(qū)的實(shí)踐與分析*

石 巖，張 倩，馬漢文

（潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治 046204）

我國在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，煤炭需要量不斷攀升。 由于煤炭資源賦存條件的不均衡、復(fù)雜水文地質(zhì)條件等的影響，使礦井煤炭安全開采受到水害威脅[1-6]。 因此，采用較好的物探方法，以確定煤層中富水區(qū)、采空區(qū)積水分布變得尤為重要。 本文主要采用地面瞬變電磁法針對(duì)西易煤礦井田北區(qū)含水情況進(jìn)行勘探研究。

1 工程背景

西易煤礦位于山西朔州市平魯區(qū)，礦井生產(chǎn)能力為0.9 Mt/a。 礦井四周分別為山西茂華東易煤業(yè)、中煤東坡煤業(yè)和中煤安家?guī)X露天煤礦。 本礦區(qū)井田面積不規(guī)則，東西寬1.4 km，南北長3.4 km，井田面積2.6 km2。 井田主要包括6 層煤，自上而下分別為4-1、4-2、5、8、9、11 號(hào)煤層，其中4-1、4-2、9、11 號(hào)煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，煤層厚度及層間距如表1 所示。 礦井正常涌水量20.8 m3/h，最大涌水量25.2 m3/h。

表1 井田北區(qū)可采煤層特征

本次為確定井田北區(qū)4#煤、9#煤及11#煤層含水分布而進(jìn)行探測，勘探測面積總計(jì)1.1 km2，勘探區(qū)坐標(biāo)范圍如圖1 所示。

圖1 勘探區(qū)位置

井田內(nèi)煤層埋藏較淺，煤層采空后形成的塌陷區(qū)和地表裂縫將對(duì)礦坑充水，暴雨時(shí)節(jié)可能引發(fā)水害事故。井田北區(qū)（F1）和中南區(qū)（F2）發(fā)育2 條逆斷層，F(xiàn)1斷層走向北東－東，傾向東南，傾角75°，落差39 m；F2斷層，走向北東，傾向東南，傾角45°，落差40 m。斷層易導(dǎo)通地下水，本礦開采時(shí)有可能發(fā)生突水事故。

據(jù)礦井資料，對(duì)煤層開采導(dǎo)水裂縫帶高度進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)：據(jù)鉆孔揭露，井田內(nèi)4-1#煤層埋藏深度最淺為13 號(hào)鉆孔，深度為97.91 m，而4-1#煤層導(dǎo)水裂縫帶最大延伸高度為91.9 m，未到達(dá)地表；4-2#煤層導(dǎo)水裂縫帶為56.6 m，能到達(dá)4-1#號(hào)煤層，但未到達(dá)地表；9#煤層導(dǎo)水裂縫帶高度最大值為175.5 m，其導(dǎo)水裂縫帶高度可導(dǎo)通上覆煤層中的4-1#、4-2#煤層，甚至可以直達(dá)地表，繼而影響地表建筑；11#煤層冒落帶高度包含9#煤層，使得9#煤層導(dǎo)水裂縫帶高度可以延伸達(dá)到4-1#、4-2#煤層。 綜上所述，若4#煤層開采后，其形成的采空區(qū)積水對(duì)9#煤和11#煤層開采均存在威脅。 同時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通各含水層，從而影響礦井涌水量。因此，對(duì)井田含水層的確定變得尤為重要。

2 物探勘測方法簡述

礦井物探勘探常采用地面瞬變電磁法，它是勘查井田構(gòu)造、 采空區(qū)等地質(zhì)構(gòu)造的有效電測方法。 該設(shè)備具有穿透高阻值覆巖的能力，亦對(duì)低阻的區(qū)域產(chǎn)生較為靈敏的反應(yīng)。 而且設(shè)備體積效應(yīng)較小，更易獲得、分析電阻率異常情況，繼而能夠準(zhǔn)確劃定含水、富水區(qū)。 根據(jù)設(shè)備斷電后不同時(shí)間間隔的二次場與時(shí)間的變化情況，可得到不同深度的電性特征。 對(duì)于定源回線裝置，瞬變電磁場表達(dá)式為：

式中：q為接收線圈有效面積；R為發(fā)送回線半徑，發(fā)送回線為矩形時(shí)，；a為地下導(dǎo)體的半徑；h為導(dǎo)體的中心埋深；τ為時(shí)間常數(shù)，k=2πR/τ。

本區(qū)瞬變電磁施工裝置為重疊回線裝置，平面采集網(wǎng)度為40 m×20 m，在勘測區(qū)域內(nèi)布置36 條瞬變電磁測線，共計(jì)1 555 個(gè)測點(diǎn)，其中設(shè)置1 493 個(gè)瞬變電磁測點(diǎn)，50 個(gè)檢查點(diǎn)，12 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。 使瞬變電磁測點(diǎn)中的檢查點(diǎn)占全區(qū)域內(nèi)觀測物理測點(diǎn)總數(shù)的3.21%，從而保證符合檢查點(diǎn)數(shù)不得少于總測點(diǎn)數(shù)目的3%的要求，其平均相對(duì)誤差為6.7%，總均方相對(duì)誤差為7.3%?？紤]到煤層的視電阻率值高于其他各個(gè)巖層，更加易于判斷煤層位置；且工作面采空區(qū)視電阻率值同樣也遠(yuǎn)高于煤層和巖層，表現(xiàn)為高阻異常；但當(dāng)工作面采空區(qū)積水后視電阻率值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于周邊巖石，表現(xiàn)為低電阻異常。

3 物探結(jié)果分析

如圖2 所示，在1160 測線擬視電阻率斷面圖上，瞬變電磁視電阻率變化范圍在0～340 Ω·m之間。 在樁號(hào)300～400 之間，4#煤層所在位置紅色框標(biāo)示區(qū)域顯示低電阻異常，視電阻率值在80 Ω·m 以下。據(jù)礦井地質(zhì)資料，煤層均未開采，因此推斷該低阻異?？赡転閿鄬雍?。

圖2 1160 測線擬視電阻率斷面

采用瞬變電磁法探測勘探區(qū)內(nèi)4#煤層富水分布情況如圖3（a）所示，圈定低電阻異常區(qū)1 處。結(jié)合已知礦井地質(zhì)資料，綜合分析推斷此處低阻異常區(qū)為斷層含水區(qū)，相應(yīng)的編號(hào)為：含水區(qū)A1，如表2 所示。

圖3 煤層勘探含水層情況

采用瞬變電磁法探測勘探區(qū)內(nèi)9#煤層富水分布情況如圖3（b）所示，圈定低電阻異常區(qū)2 處。 結(jié)合已知礦井地質(zhì)資料，綜合分析推斷其中2 處異常區(qū)為斷層含水區(qū)，相應(yīng)的編號(hào)分別為：含水區(qū)B1、含水區(qū)B2，如表2 所示。

表2 煤層勘探含水層情況

4 結(jié)論

經(jīng)過電法勘探探測，4#煤層斷層含水區(qū)1 處，并圈定了位置和范圍；9#煤層斷層含水區(qū)2 處，并圈定了位置和范圍。 因此，在此范圍內(nèi)掘進(jìn)時(shí)，要超前進(jìn)行探放水并增設(shè)排水設(shè)備，以保障礦井的正常生產(chǎn)。