瞬變電磁法在同地益晟煤業(yè)礦井的應(yīng)用

王東升

（大同煤礦集團(tuán)同地益晟煤業(yè)有限公司，山西大同 037103）

瞬變電磁法在同地益晟煤業(yè)礦井的應(yīng)用

王東升

（大同煤礦集團(tuán)同地益晟煤業(yè)有限公司，山西大同 037103）

利用瞬變電磁法查明了大同煤礦集團(tuán)同地益晟煤業(yè)402回風(fēng)巷前方及上覆含（導(dǎo)）水構(gòu)造，圈定了含（導(dǎo)）水巖溶帶和富水區(qū)域，介紹了該方法在煤礦采區(qū)勘探中有關(guān)探測(cè)理論、資料處理及軟件運(yùn)用原理。

煤礦開采；采空區(qū)積水；瞬變電磁法

煤礦水害是僅次于瓦斯的五大災(zāi)害之一。礦井水的防治是為了防治水害事故的發(fā)生，保證礦井建設(shè)和生產(chǎn)安全，減少礦井涌水量及降低生產(chǎn)成本，使國(guó)家煤炭資源得到充分合理的回收。為了達(dá)到上述防治水的目的，運(yùn)用礦井瞬變電磁法對(duì)巷道前方及上覆采空區(qū)積水情況提前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，防止礦井突水災(zāi)害事故的發(fā)生[1-2]。大同煤礦集團(tuán)同地益晟煤業(yè)主要運(yùn)用湖南飛翼YCS-160瞬變電磁儀對(duì)井下探測(cè)分析[3]。

雖然瞬變電磁儀有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況操作瞬變電磁儀也存在的明顯的不足與缺陷[4]。根據(jù)益晟煤業(yè)的使用情況，總結(jié)出以下問題。

1）運(yùn)用在井下瞬變電磁儀的防爆性能不完善；

2）瞬變電磁儀受井下鐵器（錨桿、錨索、錨網(wǎng)、工字鋼、鉆機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、錨索機(jī)、排水管路）等的影響十分嚴(yán)重；

3）瞬變電磁儀在分析過程中沒有一個(gè)嚴(yán)格的控制真假異常區(qū)的判定，缺乏可靠性；

4）瞬變電磁儀的電池使用情況很不理想，電池很容易損壞，充不進(jìn)電，造成儀器屏幕花屏；

5）瞬變電磁儀的存電連接線接觸不良，容易造成無法存電的情況；

6）瞬變電磁儀的接收線圈與儀器的連接線容易破損，造成在探測(cè)過程中無法發(fā)射電磁波接收信息；

7）瞬變電磁儀的架設(shè)線圈成方形或長(zhǎng)方形，長(zhǎng)寬在1.6～2m之間，由于低煤層巷道的限制，儀器無法在工作面展開，造成現(xiàn)場(chǎng)操作的困難；

8）在分析過程中對(duì)于數(shù)據(jù)的調(diào)整存在很大的偏離，不同的人習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)不同，造成分析后的成圖有差異，缺乏科學(xué)的調(diào)整。

1 地質(zhì)概述

同地益晟煤業(yè)井田面積為6.056 7 km2，批采侏羅紀(jì)3-13號(hào)煤層，生產(chǎn)規(guī)模60萬t/a，礦井開拓方式為斜井開采。開采13號(hào)煤層，現(xiàn)有301和402生產(chǎn)盤區(qū)及402軌道巷、402皮帶巷和402回風(fēng)巷3條盤區(qū)大巷。

本區(qū)位于大同煤田西北部，屬黃土半掩蓋區(qū)。按照《中國(guó)北方主要煤礦區(qū)水文地質(zhì)圖集》的劃分，本井田位于神頭巖溶水系統(tǒng)以北，不在任何泉域范圍之內(nèi)，大同平原以西，介于口泉山脈、西石山脈、牛心山脈之間，呈北東-南西向不對(duì)稱的向斜構(gòu)造，東南翼陡西北翼緩，向北東傾伏，西北翼地層傾角5°～15°，東南翼傾角20°～60°，局部陡立倒轉(zhuǎn)。東部、東南部構(gòu)造復(fù)雜，斷層多。區(qū)域內(nèi)出露地層為寒武-奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系及第四系地層。地下水的補(bǔ)給以降水入滲為主，由于侏羅系、石炭-二疊系的煤層開采，煤系地層地下水之間存在互補(bǔ)關(guān)系，礦坑排水是碎屑沿裂隙水的主要排泄方式，巖溶水主要由寒武-奧陶系灰?guī)r露頭區(qū)向東、東南方向徑流，由十里河、口泉何、鵝毛口河等峪口向大同盆地隱形排泄[5-6]。

2 現(xiàn)場(chǎng)施工方法與探測(cè)設(shè)計(jì)

本次礦井瞬變電磁法勘探以402回風(fēng)巷現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)由于瞬變電磁儀的電池容易損壞、存電連接線接觸不良、接受線圈與儀器的連接線容易破損，我部門安排專人保管，專人負(fù)責(zé)井下運(yùn)送，避免損壞。由于電池很容易損壞，充不進(jìn)電，造成儀器屏幕花屏，每次下井之前都需對(duì)儀器進(jìn)行充電和開機(jī)檢測(cè)，確保能順利開展工作。瞬變電磁儀的架設(shè)線圈成方形或長(zhǎng)方形，長(zhǎng)寬在1.6～2m之間，受低煤層巷道的限制，儀器無法在工作面展開，造成現(xiàn)場(chǎng)操作的困難，本次402回風(fēng)巷煤厚1.5m，探測(cè)時(shí)要求隊(duì)組起底巷高達(dá)到2m，瞬變電磁儀發(fā)射線圈需調(diào)整成平行四邊形，滿足物探數(shù)據(jù)采集的要求。以往迎頭探測(cè)布置13個(gè)探測(cè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)3個(gè)方向，共采集13×3=39個(gè)數(shù)據(jù)，為了探測(cè)工作面前方以及頂?shù)装宀煽諈^(qū)積水情況的準(zhǔn)確性，本次迎頭探測(cè)布置17個(gè)探測(cè)點(diǎn)，按順時(shí)針方向（1-17號(hào)探測(cè)點(diǎn)）探測(cè)，共采集51個(gè)數(shù)據(jù)，比以往增加了采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，探測(cè)精度也得到了提高。在以往的探測(cè)過程中，一般將鐵器后移至離工作面5m左右，本次為避免干擾將鐵器移至離工作面10m以外的地方，盡量減少或避開了施工現(xiàn)場(chǎng)的鐵器、設(shè)備、聲音干擾。

2.1 迎頭超前探

探測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)見圖1。

2.2 巷道順層探測(cè)

1）探測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)：根據(jù)需要探測(cè)的位置和長(zhǎng)度來設(shè)計(jì)，一般每隔10m布置一個(gè)探測(cè)點(diǎn)，為了提高探測(cè)精度，此次探測(cè)每隔5m布置一個(gè)探測(cè)點(diǎn)，順層向前方探測(cè)17個(gè)點(diǎn)[7-8]。

2）探測(cè)方向設(shè)計(jì)：根據(jù)需要本次探測(cè)120m范圍內(nèi)前方是否有小窯破壞區(qū)存在積水以及積水范圍大小進(jìn)行設(shè)計(jì)。順層探測(cè)方向示意圖，見圖2。

3）現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)及數(shù)據(jù)采集：在402工作面順層探測(cè)過程中，線圈盡量貼近巷道順層，通風(fēng)部積極配合加強(qiáng)通風(fēng)管理，風(fēng)筒必須接到位，配備專職瓦斯員盯到現(xiàn)場(chǎng)，保證瓦斯不超限，避免瞬變電磁儀防爆質(zhì)量差發(fā)生瓦斯事故。在以往的探測(cè)過程中，一般將工作面周圍的鐵器后移工作面5m左右，本次勘探將附近鐵器、設(shè)備等移至工作面10m以外的地方，避免鐵器、設(shè)備等干擾影響探測(cè)精度[9]。

2.3 巷道頂板探測(cè)

1）探測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)：同上，根據(jù)需要探測(cè)的位置和長(zhǎng)度來設(shè)計(jì)，一般每隔10m布置一個(gè)探測(cè)點(diǎn)，為了提高探測(cè)精度，此次每隔5m布置一個(gè)探測(cè)點(diǎn)，向上覆頂板探測(cè)17個(gè)點(diǎn)。

2）探測(cè)方向設(shè)計(jì)：線圈與頂板夾角45°探測(cè)，探測(cè)上覆頂板120m范圍內(nèi)是否有小窯破壞區(qū)存在積水以及積水范圍大小進(jìn)行設(shè)計(jì)。頂板探測(cè)方向示意圖，見圖3。

3）現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)及數(shù)據(jù)采集：在頂板探測(cè)過程中，線圈盡量貼近頂板，使線圈離頂板距離保持在1m以內(nèi)。在402工作面處有錨索機(jī)和散落在地上的錨桿（索），要求工人把這些影響因素移至工作面10m以外的地方，盡量減少或避開施工現(xiàn)場(chǎng)的鐵器、設(shè)備、聲音干擾，在工作面探測(cè)時(shí)，頂板有前探梁、錨桿（索）、鐵絲網(wǎng)等干擾時(shí)作詳細(xì)記錄，在數(shù)據(jù)分析時(shí)加入這些影響因素，探測(cè)精度比以往有了更大的提高。

2.4 巷道底板探測(cè)

1）探測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)：同上，根據(jù)需要探測(cè)的位置和長(zhǎng)度來設(shè)計(jì)，一般每隔10m布置一個(gè)探測(cè)點(diǎn)，為了提高探測(cè)精度，此次每隔5m布置一個(gè)探測(cè)點(diǎn)，向下共布設(shè)17個(gè)探測(cè)點(diǎn)。

2）探測(cè)方向設(shè)計(jì)：線圈與底板夾角45°探測(cè)，底板120m范圍內(nèi)是否因地質(zhì)構(gòu)造造成煤層變化，下覆是否有小窯破壞區(qū)存在積水以及積水范圍大小進(jìn)行設(shè)計(jì)。底板探測(cè)方向示意圖，見圖4。

3）現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)及數(shù)據(jù)采集：在底板探測(cè)過程中，線圈盡量貼近底板，在402工作面底板的鉆機(jī)、錨索機(jī)移至工作面10m以外的地方，盡量減少或避開施工現(xiàn)場(chǎng)的鐵器、設(shè)備、聲音干擾。

3 現(xiàn)場(chǎng)采集后數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 處理過程

瞬變電磁數(shù)據(jù)處理流程，見圖5。

3.2 視電阻率擬斷面圖分析結(jié)果

在分析過程中對(duì)于數(shù)據(jù)的調(diào)整存在很大的偏離，不同的人習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)不同，造成分析后的成圖有差異，缺乏科學(xué)的調(diào)整，在資料分析時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)記錄以及以往物探后鉆探驗(yàn)證的實(shí)際情況，應(yīng)安排了一名專職的物探隊(duì)技術(shù)員對(duì)資料進(jìn)行分析，其他的技術(shù)員只做現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過反復(fù)多次的數(shù)據(jù)分析、現(xiàn)場(chǎng)鉆探驗(yàn)證，成立了專職的物探隊(duì)伍。專職的物探數(shù)據(jù)分析技術(shù)員提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)分析的精度也比以往的有了進(jìn)一步的提高，可靠性得到了保證，保證成圖精確度。

圖6是402回風(fēng)巷順層方向瞬變電磁法探測(cè)視電阻率等值線擬扇形圖。圖中橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，測(cè)點(diǎn)間距5m，縱坐標(biāo)為沿探測(cè)方向距離。不同顏色線區(qū)域分界線上的數(shù)值代表地下巖層導(dǎo)電性強(qiáng)弱，數(shù)值愈大，導(dǎo)電性愈弱；數(shù)值愈小，導(dǎo)電性愈強(qiáng)，對(duì)應(yīng)巖層富水性也就越強(qiáng)。

依據(jù)本次礦井瞬變電磁法三個(gè)方向探測(cè)結(jié)果，402回風(fēng)巷工作面向面外探測(cè)結(jié)論如下：

順層方向探測(cè)結(jié)果（圖6-a），面左側(cè)橫坐標(biāo)-40～-70m、縱坐標(biāo)115～120m范圍內(nèi)等值線數(shù)值小于10 Ω·m；面右側(cè)橫坐標(biāo)在30～120m、縱坐標(biāo)在60～120m范圍內(nèi)，等值線數(shù)值小于10 Ω·m，為明顯低阻異常，說明對(duì)應(yīng)探測(cè)位置巖層賦水裂隙發(fā)育。其中左側(cè)、右側(cè)、前方100m范圍以內(nèi)阻值相對(duì)較高，說明該區(qū)域可能為特殊地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，富水性相對(duì)較弱。

頂板方向探測(cè)結(jié)果（圖6-b），面左側(cè)橫坐標(biāo)-20～-70m和-115～-120m、縱坐標(biāo)114～120m和20～40m范圍內(nèi)等值線數(shù)值小于5 Ω·m；面右側(cè)橫坐標(biāo)在60～65m、縱坐標(biāo)在90～110m范圍內(nèi)，等值線數(shù)值小于5 Ω·m。其中左側(cè)、右側(cè)、前方80m范圍以內(nèi)阻值相對(duì)較高，說明該區(qū)域可能為特殊地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，富水性相對(duì)較弱。

底板方向探測(cè)結(jié)果(圖6-c），面右側(cè)橫坐標(biāo)在80～100m和115～120m、縱坐標(biāo)在80～90m和30～ 0m范圍內(nèi)，等值線數(shù)值小于5 Ω·m，為明顯低阻異常，說明對(duì)應(yīng)探測(cè)位置巖層賦水裂隙發(fā)育。其中左側(cè)、右側(cè)、前方90m范圍以內(nèi)阻值相對(duì)較高，說明該區(qū)域可能為特殊地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，富水性相對(duì)較弱。

對(duì)比圖6-a、6-b、6-c可以看出圖6中等值線分布變化明顯，說明對(duì)應(yīng)探測(cè)面外80m以內(nèi)位置阻值較高，且存在特殊地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，圖中80m范圍內(nèi)等值線無明顯波動(dòng)，等值線橫向和縱向變化較小，且頂板方向視電阻率呈較高反應(yīng)，說明對(duì)應(yīng)探測(cè)面外頂板巖層裂隙賦水性相對(duì)較弱。

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證及建議

根據(jù)物探扇形圖及資料分析，402回風(fēng)巷工作面前方120m處有低阻區(qū)，根據(jù)異常區(qū)情況進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，本次鉆探運(yùn)用ZLJ-350型鉆機(jī)，最遠(yuǎn)鉆探長(zhǎng)度為100m。設(shè)計(jì)距離該異常區(qū)40m處進(jìn)行鉆探，針對(duì)異常區(qū)的位置設(shè)計(jì)專門的探水方案沿煤層呈扇形布設(shè)6個(gè)探水孔，正孔按掘進(jìn)方位角18°布設(shè)，左孔按方位角301°和352°布設(shè)；右孔按方位角63°、78°和86°布設(shè)；頂板按方位角333°和74°布設(shè)2個(gè)探水孔，傾角按30°進(jìn)行鉆探，經(jīng)鉆探驗(yàn)證該巷前方已探通為小窯破壞區(qū)右孔有少量積水流出，頂孔探至11號(hào)煤層已探通并有少量積水流出。對(duì)真假異常區(qū)的判斷需結(jié)合地質(zhì)資料分析論證，證實(shí)該巷前方異常區(qū)為原有舊巷低洼處的積水。根據(jù)權(quán)威物探反復(fù)論證，瞬變電磁法有效探測(cè)距離在60～80m，該物探異常區(qū)范圍120m處有水已超出實(shí)際理論值，應(yīng)按無效物探異常區(qū)判定，但本次資料分析，技術(shù)員結(jié)合幾次物探驗(yàn)證結(jié)果以及不同以往的對(duì)數(shù)據(jù)采集的方法，憑經(jīng)驗(yàn)認(rèn)定該工作面前方120m異常區(qū)存在積水，經(jīng)鉆頭驗(yàn)證該工作面前方為小窯舊巷道，放出300m3左右的積水，但也不排除瞬變電磁法在分析結(jié)果中有不確定性存在，需要專業(yè)的隊(duì)伍，專業(yè)的技術(shù)員對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析，這樣才能提高探測(cè)的精度，保證礦井安全掘進(jìn)。因此要嚴(yán)格執(zhí)行“物探先行，化探跟進(jìn)，鉆探驗(yàn)證”的綜合探測(cè)驗(yàn)證制度，實(shí)行探掘分離制度，把“探水”作為掘進(jìn)作業(yè)的前提條件，加強(qiáng)探放水進(jìn)尺考核，確保“有掘必探”的有效實(shí)施。同時(shí)建議探水隊(duì)針對(duì)物探異常區(qū)加強(qiáng)鉆探驗(yàn)證，并做好鉆孔探水記錄臺(tái)賬[10]。

[1]劉曉飛,薛宗建.瞬變電磁法在資源整合礦井的應(yīng)用[R].鄭州：鄭煤集團(tuán)鄭新煤業(yè)，2011.

[2]尹剛,欒海霞,李磊.礦井瞬變電磁法在巷道底板防水中的應(yīng)用[R].宿州：煤炭地質(zhì)局水文勘探隊(duì)和物探測(cè)量隊(duì)，2012.

[3]呂國(guó)印.瞬變電磁法的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[R].廊坊：中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘探研究所，2007.

[4]張軍,趙瑩,李萍.礦井瞬變電磁法在超前探測(cè)中的應(yīng)用研究[R].西安：中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院,西安大地測(cè)繪工程有限責(zé)任公司，2012.

[5]張統(tǒng)軍.礦井地質(zhì)報(bào)告[R].大同：同地益晟煤業(yè)有限公司，2015.

[6]吳有信.瞬變電磁法及其在煤礦水文物探中的應(yīng)用[R].宿州：安徽煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，2006.

[7]李德盛.瞬變電磁法的數(shù)據(jù)采集、分析及成圖[R].長(zhǎng)沙：飛翼股份有限公司，2013.

[8]張松平,李永盛,胡雄武.坑道掘進(jìn)瞬變電磁超前探水技術(shù)應(yīng)用分析[J].巖土力學(xué)，2012（9）：2749-2753.

[9]楊振華,張飛.礦井瞬變電磁法在探測(cè)頂板富水性中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2012（5）：94-97.

[10]趙顯毅,吳春陽.礦井瞬變電磁法應(yīng)用于立井探水[R].陽泉：山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司，2012.

Application of Transient Electromagnetic Method in Tongdi Yisheng Mine

WANG Dongsheng
(Tongdi Yishen Coal Co.,Datong Coal Mine Group,Datong 031703,China)

Transient electromagneticmethod was used to identify the water bearing(conducted) structure in front of and above the No.402 return airway of Tongdi Yisheng Mine of Datong Coal Mine Group,to delineate the water bearing(conducted)karst belts and water-rich areas,and to introduce the corresponding theoretical exploration and principles of data processing and software application in theminingexploration.

coalmining;goafwater;transient electromagneticmethod

P631

A

1672-5050（2015）05-0080-05

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.027

（編輯：樊敏）

2015-06-25

王東升（1973-），男，大同靈丘人，大學(xué)本科，工程師，從事礦井地測(cè)防治水工作。