瞬變電磁法在新鐵煤礦隱蔽采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

蒲文龍PU Wen-long；丁潔瓊DING Jie-qiong

（黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，哈爾濱 150022）

0 引言

煤礦透水事故對(duì)井下安全高效生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大影響。根據(jù)國(guó)家礦山安全監(jiān)察局官方網(wǎng)站以及煤礦安全網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)資料，2019-2021 年，煤礦共發(fā)生水害重大事故3 起，死亡54 人；發(fā)生較大事故5 起，死亡22 人；發(fā)生一般事故7 起，死亡9 人；發(fā)生涉險(xiǎn)事故12起[1]。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，老空或老窯透水占煤礦突水事故中比重最大。采空區(qū)積水是危害煤礦開采的重要安全隱患，水害一旦發(fā)生，破壞力極強(qiáng)，因此，查明煤礦水文地質(zhì)條件及隱蔽采空區(qū)的位置及范圍，防止煤礦水害發(fā)生至關(guān)重要[2]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，地面物探已成為探測(cè)煤礦隱蔽采空區(qū)的重要技術(shù)手段，其中應(yīng)用比較多的有瞬變電磁法、三維地震法、高密度電法、測(cè)氡法以及綜合物探技術(shù)等。而瞬變電磁方法具有體積小、探測(cè)方向性強(qiáng)、分辨率高、對(duì)低阻區(qū)敏感、施工快速等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于煤礦隱蔽采空區(qū)和含水體的探測(cè)工作[3]。

高冬冬研究了瞬變電磁法在探測(cè)工作面底板富水性中的具體應(yīng)用表明，該方法能準(zhǔn)確測(cè)定采煤工作面煤層底板的富水性情況[4]。李海濤根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，瞬變電磁探測(cè)技術(shù)能夠?qū)⒎浪綔y(cè)時(shí)間縮短89.4%，可顯著提升井下防水探測(cè)的效率[5]。孫懷鳳等通過回顧各類鉆孔瞬變電磁法的研究歷史表明，回線源地-井瞬變電磁法已在生產(chǎn)中取得較多成功應(yīng)用，而電性源地-井和隧（巷）道鉆孔瞬變電磁法研究基礎(chǔ)薄弱[6]。R.J.Irvin 通過鉆孔瞬變電磁（DHEM）測(cè)量的幾個(gè)實(shí)例表明，小環(huán)路采用相對(duì)大電流比大環(huán)路更有利于DHEM 異常的結(jié)論[7]。A.E Plotnikov 基于所提出的感應(yīng)瞬變電磁法地下探測(cè)系統(tǒng)的電學(xué)模型，進(jìn)行了數(shù)值實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中，比較了理論和偽實(shí)驗(yàn)emf 曲線，根據(jù)它們的收斂程度，確定系統(tǒng)在深度上充分記錄來自激發(fā)空間的響應(yīng)的能力[8]。Gang li 等提出了一種基于三相-單相矩陣變換器（TSMC）的新型瞬變電磁法（TEM）儀器發(fā)射機(jī)，取代了傳統(tǒng)的由交直流變換器和H 橋逆變器組成的發(fā)射機(jī)[9]。李愛生等闡述了瞬變電磁法在某煤礦運(yùn)輸大巷掘進(jìn)超前探中的應(yīng)用，并驗(yàn)證了“物探先行、鉆探驗(yàn)證”應(yīng)用于煤礦防治水的有效性[10]。

綜上所述，由于單一物探方法的多解性，綜合物探是今后煤礦隱蔽采空區(qū)探查的重要方向，基于此，本文采用以地面瞬變電磁探測(cè)為主、鉆探驗(yàn)證為輔相結(jié)合的探測(cè)方法，以便精確探測(cè)隱蔽采空區(qū)的位置和范圍，為煤礦防治水工作提供技術(shù)支持。

1 瞬變電磁法工作原理

瞬變電磁法（TEM 法）是利用不接地回線或接地電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)，用線圈或接地電極觀測(cè)由該脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)的空間和時(shí)間分布，從而來解決有關(guān)地質(zhì)問題的時(shí)間域電磁法，即電磁感應(yīng)定律[11]。瞬變電磁儀器一般使用回線場(chǎng)源階躍脈沖（相當(dāng)于矩形脈沖后沿）激發(fā)的瞬變電磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。在導(dǎo)電率為σ、導(dǎo)磁率為μ0的均勻各向同性大地表面敷設(shè)面積為S 的矩形發(fā)射回線，在回線中供以的階躍脈沖電流[12]。在電流斷開前，發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)，如圖1 所示。

圖1 矩形回線的磁力線及等效渦流環(huán)

當(dāng)t=0 的時(shí)刻，將電流瞬間切斷，那么由該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也會(huì)立刻消失。地下渦旋電流任一時(shí)刻在地表產(chǎn)生的磁場(chǎng)均可等效為一個(gè)水平環(huán)形渦流場(chǎng)，且該等效電流環(huán)向下和外擴(kuò)散具有煙圈特征，故將這一過程稱為“煙圈效應(yīng)”[13，14]。從“煙圈效應(yīng)”的觀點(diǎn)看，早期瞬變電磁場(chǎng)是由近地表的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反映淺部電性分布；晚期瞬變地磁場(chǎng)主要是由深部的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反映深部的電性分布。因此，觀測(cè)和研究瞬變電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以探測(cè)大地電性的垂向變化，這便是瞬變電磁測(cè)深的原理[15]。

2 新鐵煤礦地面物探工程實(shí)踐

2.1 工程地質(zhì)概況

新鐵礦區(qū)位于中下元古界黑龍江群和麻山群的片巖、片麻巖為該井田的沉積地層的基底；中生界白堊系下統(tǒng)的雞西群滴道組不整合于上侏羅系萬龍組之上，巖性為集塊巖，凝灰質(zhì)砂巖，該層組厚度大于650m；白堊系下統(tǒng)城子河組地層平行不整合于滴道組之上，猴石組與其下覆城子河組下段地層在該井田體現(xiàn)為角度不整合。滴道組、城子河組為本區(qū)主要含煤地層，厚度1600～2200m，平均1719m；含煤數(shù)60 余層，煤層的總厚度37.47m，含煤系數(shù)占2.3%，其中可采和局部可采煤層21 層，可采和局部可采煤層總厚23.86m，可采系數(shù)為1.4%[16]。

新鐵礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，處于新華夏系，第二隆起帶雙鴨山至雞西中生代土幼陷帶的中部。新鐵礦區(qū)位于勃利煤田弧形構(gòu)造轉(zhuǎn)折端偏東南地區(qū)，區(qū)內(nèi)受到南北壓力作用，發(fā)生比較強(qiáng)烈的褶皺和斷裂變動(dòng)。以近似東西的復(fù)褶皺為主，并伴隨褶皺產(chǎn)生了近似平行軸向德逆斷層，由剪切力產(chǎn)生斜交斷層[16]。全區(qū)基本構(gòu)造形態(tài)為東西走向的向南傾斜的背斜構(gòu)造。井田內(nèi)無論是褶皺構(gòu)造還是斷層都非常發(fā)育，見圖2。

圖2 地質(zhì)構(gòu)造綱要示意圖

2.2 瞬變電磁探測(cè)方法及成果分析

2.2.1 煤系地層概況

井田含煤地層均為白堊系下統(tǒng)的滴道組和城子河組的地層。全區(qū)發(fā)育的煤層有共9 層，局部可開采的煤層為第35 層、40 層、98 層、99 層、114 層和119 層。礦區(qū)內(nèi)生產(chǎn)和報(bào)廢的小煤礦眾多，區(qū)內(nèi)各小煤礦大部分與大礦都以大斷層及向背斜構(gòu)造為界。

本文以鐵東煤礦主采煤層114 層和119 層采空區(qū)探測(cè)情況為例進(jìn)行分析。不同的巖層具有不相同的地球物理特征（如電阻率、激發(fā)極化率、地震傳播速度等），地球物理勘探方法是以目標(biāo)層與各圍巖層的物理性質(zhì)差異為勘測(cè)對(duì)象進(jìn)行解釋分析研究的，也是本次地球物理勘探工作的理論基礎(chǔ)和解釋依據(jù)[17]。電法對(duì)煤層采空區(qū)的解釋依據(jù)為物的電性差異，地下煤層采空后，固有物性變化規(guī)律將被打破，導(dǎo)致采空區(qū)與周圍巖層差異突出。不含水，則采空區(qū)表現(xiàn)為高電阻率特征；積水，則電性相對(duì)較低。正是這種電性的變化，使采空區(qū)表現(xiàn)出與周圍巖層有較大差異[18]?？碧絽^(qū)巖層視電阻率見表1。

表1 勘探區(qū)巖層視電阻率值統(tǒng)計(jì)表

2.2.2 煤層采空區(qū)分布形態(tài)

根據(jù)工程勘探需求，工區(qū)共布設(shè)80 條測(cè)線，網(wǎng)度為40m×40m，測(cè)點(diǎn)總計(jì)3115 個(gè)。探測(cè)儀器采用terraTEM24，利用反演軟件對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。由于114 號(hào)煤層發(fā)育極不穩(wěn)定，114、119 號(hào)煤層層間距較小，因此，將114、119 號(hào)煤層采空區(qū)和采空積水區(qū)分析合為一層進(jìn)行統(tǒng)一解釋。

由圖3 可知，視電阻率值在50～330Ω·m 之間變化，根據(jù)視電阻率變化情況，結(jié)合已知當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)材料，圈定了114 與119 號(hào)煤層的采空區(qū)范圍。根據(jù)視電阻率值的大小，確定瞬變電磁法解釋的閾值，圈定采空積水區(qū)；故將視電阻率值小于150Ω·m 的阻值范圍圈定為114、119 號(hào)煤層采空積水區(qū)域（如圖中藍(lán)色圈定部分）。

圖3 114、119 號(hào)煤層順層視電阻率等值線平面圖

由圖4 中可知，114、119 號(hào)煤層在勘探范圍內(nèi)大部分分布，采空區(qū)在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)零散分布；根據(jù)地層電性規(guī)律，劃分為一塊采空積水區(qū)，三塊低阻異常區(qū)，采空積水區(qū)分布在探測(cè)區(qū)域1 的東部煤層底板等高線相對(duì)較低的部位。根據(jù)已知資料，YC3 位于新鐵煤礦二采區(qū)右部，為關(guān)閉區(qū)域，存在三個(gè)小井工程。開采煤層為119 煤層，119 最下部片盤-85.0m 標(biāo)高與二采區(qū)聯(lián)通，老窯積水會(huì)通過原三采區(qū)左四片流出，通過二采區(qū)主運(yùn)巷匯入一水平井底水倉(cāng)，不存在積水；YC4 位于向陽四區(qū)十二采，積水通過與新鐵煤礦連通處排出。富東二十八井，開采119 號(hào)煤層，與四采區(qū)一井聯(lián)通，積水通過連通處從新鐵煤礦排出。低阻異常區(qū)是由于煤層頂板砂巖裂隙水富集區(qū)所致。

圖4 114、119 號(hào)煤層采空區(qū)及采空積水異常區(qū)平面圖

2.2.3 斷層富水性分析

斷層富水性也是導(dǎo)致煤礦突水事故的原因之一。根據(jù)斷層富水性電性變化規(guī)律可判斷其富水性。對(duì)于富水?dāng)鄬?，其視電阻率值遠(yuǎn)小于不富水?dāng)鄬雍椭車桓凰貙拥囊曤娮杪手礫19]；斷層的導(dǎo)水性取決于兩盤巖性及斷層力學(xué)性質(zhì)，同一斷層，由于兩盤巖性以及力學(xué)性質(zhì)的變化，不同部位的導(dǎo)水性不盡相同。發(fā)育于脆性巖層中的張性斷裂，中心部位多為疏松多孔的構(gòu)造角礫巖，兩側(cè)一定范圍內(nèi)則為張開度及裂隙率都增大的裂隙增強(qiáng)帶，常具有良好的導(dǎo)水能力，斷層兩側(cè)視電阻率值變化不明顯；發(fā)育于含水泥質(zhì)較多的塑性巖層中的張性斷裂，構(gòu)造巖夾有大量泥質(zhì)，兩側(cè)的裂隙增強(qiáng)也不如脆性巖層中明顯，往往導(dǎo)水不良甚至隔水，在斷層兩側(cè)視電阻率值會(huì)發(fā)生較明顯變化[20]。

結(jié)合新鐵煤礦地質(zhì)構(gòu)造綱要，以F17 斷層為例，在斷層附近視電阻率等值線基本沿著地層走向傾斜并向深部遞增變化，在斷層附近的視電阻率等值線變化不大，不存在明顯的低阻異常，因此可確定該斷層不富水，視電阻率斷面圖見圖5。

圖5 F17 斷層視電阻率斷面圖

根據(jù)地面瞬變電磁探測(cè)結(jié)果，結(jié)合礦區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，地層埋深在35 煤層至119 煤層范圍內(nèi)，局部富水異常有F20 斷層；富水異常不明顯有F17 斷層、F19斷層、F34 斷層、F40 斷層和F56 斷層。

2.2.4 地面鉆探驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述探測(cè)成果的有效性，在探測(cè)區(qū)域布設(shè)了3個(gè)鉆孔，用以確定所圈定采空積水異常區(qū)，見圖6。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及周邊調(diào)查，鉆探取芯及鉆孔揭露采空區(qū)情況，與地面物探圈定范圍基本保持一致，證明了地面瞬變電磁探測(cè)老窯采空區(qū)和煤巖層富水性有較好的適應(yīng)性。根據(jù)物探所圈定采空區(qū)范圍和鉆孔探測(cè)結(jié)果，綜合確定新鐵煤礦老窯采空區(qū)面積，具體情況見表2。

表2 采空區(qū)積水面積統(tǒng)計(jì)表

圖6 鉆探施工現(xiàn)場(chǎng)圖

3 結(jié)論

①煤礦隱蔽老窯采空區(qū)是導(dǎo)致透水事故的主要原因之一，瞬變電磁法具有體積小、探測(cè)方向性強(qiáng)、分辨率高、對(duì)低阻區(qū)敏感等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于煤礦隱蔽采空區(qū)和含水體的探測(cè)工作中。

②地面瞬變電磁法在鐵東煤礦探測(cè)結(jié)果表明，該方法可圈定隱蔽老窯采空區(qū)的范圍，估計(jì)采空區(qū)積水量和斷層富水性，取得較好的探測(cè)效果，可為煤礦隱蔽采空區(qū)突水防治提供科學(xué)依據(jù)。

③瞬變電磁探測(cè)結(jié)果的分析是以電性物理特征變化為參考依據(jù)的，因此存在電性變化與地質(zhì)成果的多解性是不可抗因素；采用地面鉆孔輔助驗(yàn)證物探結(jié)果的有效性是行之有效的一種方法，更有利于對(duì)異常區(qū)進(jìn)行綜合定性解釋。

致謝：本文在撰寫過程中，參考文獻(xiàn)給予了我很多靈感，在行文過程中對(duì)我有極大幫助。其中，包括李芳瑋作者對(duì)近年來煤礦水害事故進(jìn)行了分析，楊松等作者對(duì)瞬變電磁法原理的給出了解釋，張立新作者對(duì)新鐵煤礦地質(zhì)研究提供了很大的參考價(jià)值，等等。在此，我以崇高的敬意和由衷的感激之情感謝所有參考文獻(xiàn)的作者！