地面與井下瞬變電磁法聯合探測煤礦富水區域

鐘聲

(山東泰山地質勘查公司，山東 泰安　271000)

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技術方法

地面與井下瞬變電磁法聯合探測煤礦富水區域

鐘聲

(山東泰山地質勘查公司，山東 泰安271000)

煤層附近的富水區嚴重威脅著煤礦的生產安全，在1171工作面巷道采掘過程中，前方出水量明顯增大，為避免水害發生，整個工作面開展瞬變電磁測量工作。對比地面與井下瞬變電磁結果，兩者對于富水區域結果是相同，聯合探測降低了物探資料多解性問題，大大提高了勘探精度，為煤礦防治水構造提高了可靠的水文地質資料。

瞬變電磁法；富水性；煤礦水害；防治水；井下

引文格式：鐘聲.地面與井下瞬變電磁法聯合探測煤礦富水區域[J].山東國土資源，2016,32(7)：71-74.ZHONG Sheng. Exploration of Water-rich Region in Ground and Underground Coal Mine by Using Transient Electromagnetic Method[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(7)：71-74.

1　概況

魚卡煤田位于柴達木盆地北緣，介于南側的綠梁山與北側的達肯大坂山隆起之間，為一呈NW向展布的狹長盆地，屬柴達木準地臺柴北緣殘山斷褶帶的一部分。魚卡煤田尕秀區段為陸相山前拗陷盆地型，以煤層厚度巨大，可采儲量集中為特點。

礦1171工作面所采煤層為石門溝組中下段和大煤溝組7層煤。其中煤5位于石門溝組下部，可采厚度0.83～1.70m，平均1.30m，局部可采，夾矸0～2層，夾矸為炭質泥巖或泥巖，煤層頂板為粗砂巖，底板為粉砂巖；煤6位于大煤溝組上部，可采厚度1.31～9.10m，平均6.27m，局部可采，結構復雜，夾矸1～6層，夾矸大部為炭質泥巖，偶為泥巖，頂板為含礫粗砂巖，底板為細砂巖；煤7位于大煤溝組底部，可采厚度4.80～105.83m，平均19.34m，全區可采，夾矸多層，煤層分層不易對比，具有多向分岔的特點，該煤層屬穩定煤層，但厚度變化較大，煤層頂板為細砂巖、粗砂巖，底板為含礫砂巖。

7煤層為該次工作的主要研究對象。巷道采掘至該次物探工作迎頭位置時，前方出水量明顯增大，為避免水災水害事故發生，保證工作面安全回采，應對礦區進行賦水性探測研究，圈定富水區域，指導下一步探放水工程，降低水害發生的可能性。

2　水文地質情況

青海省大柴旦魚卡煤田1171工作面水的主要來源是該煤層頂、底板含水層的承壓裂隙水。煤7頂板含水層在井田內廣泛分布，煤7頂板巖性以粗粒砂巖、含礫巖砂巖為主。裂隙節理發育，成分以石英為主，粗砂巖分選中等，遇水疏松。該層平均厚度50m，厚度由西向東變薄，鉆孔抽水統計結果，單位涌水量為0.017L/sm，滲透系數(k)為0.024m/d，水位標高3157.42m，高山含水層6.37m，該含水層屬承壓裂隙含水層，水質為CI+SO4-Na型水。

基巖裂隙巖類煤5頂板含水層和煤7頂板含水層之間有泥巖等隔水層相隔，隔水性較好，基本上不會發生水力聯系。

3　地面與井下聯合勘探

3.1勘探方法

瞬變電磁法具有勘探深度大、抗干擾能力強、分辨力高、施工效率高等優點,被廣泛應用于礦產勘查及水文、工程勘察等領域[1-13]。井下瞬變電磁勘探時富水區段顯示電性低阻，可以預測突水風險。工作面回采前，分別對工作面上、下巷進行了瞬變電磁垂探和內側俯探。

3.2試驗

為了取得較好的勘探效果，在正式探測前進行了多次實驗來確定儀器設備的參數設置。現場測試試驗地點選在該露天礦某一已揭露鉆孔實驗，經測試確定了較合理的施工參數。具體內容如下:

(1)發射邊框大小：7煤層在大約150～200m，考慮到地形和施工效率因素，選用了240m×240m，發射邊框比較適合該區，各邊框衰減曲線光滑連續。

(2)發射頻率：25Hz的衰減曲線形態較好，外部的強烈干擾而尾部道干擾較小。

(3)發射電流：電流為11A時，衰減曲線尾部相對較為平滑，能夠有效地壓制背景干擾噪聲，提高探測分辨率。

(4)其他參數：增益為1，其他參數隨頻率變化由儀器內部設置自動調節變化。

3.3地面瞬變電磁

對地面數據進行處理、分析，形成了各測線的綜合視電阻率斷面圖，利用軟件BETEM進行反演，得到視電阻率-深度數據，并抽取7煤層上10m、7煤層附近、7煤層下25m視電阻率順層切片平面組合圖，如圖1所示。

圖1　7煤層上10m、7煤層、7煤層下20m視電阻率順層切片平面組合圖

圖2　L2260線瞬變電磁法視電阻率斷面圖

根據視電阻率等值線的梯度變化、范圍、各測線的低阻異常的分布、在平面上的連通情況，并結合已知資料(在L1000～L1960線預計存在兩塊積水區域以及塌陷范圍)，該范圍內的褶皺比較發育，圈定了7煤層附近的富水區，該區域視電阻率整體均小于15Ω·m，長約1100m，寬50～250m，面積約為98327m2。在L1500～L1700段，視電阻率等值線梯度變化較大，推斷該位置裂隙發育，含水性較強。

在7煤層上10m斷面圖，圈出兩塊視電阻率小于10Ω·m的區域，分別標記為T1，T2，面積約為15000m2，其中T2為強富水區；在7煤層附近位置斷面圖，圈出存在3塊視電阻率小于10Ω·m的區域，分別標記為W1，W2，W3，總面積98300m2，其中W3富水區的視電阻率值最低，應該引起高度重視；在7煤層下25m斷面圖，圈出2塊視電阻率小于10Ω·m的區域，分別標記為Y1，Y2，面積約為60000m2，兩處皆為強富水區。

W1與T1富水區平面位置相對應，T1較W1面積更大，富水更強，在煤層底板相應位置富水面積變小，結合地質資料可知該范圍內褶皺發育，張裂隙發育充水。W2，W3兩處富水區在煤層頂板時合并為T2一個大的富水區，在面積與富水強度上都有所增加，在煤層底板處分成Y1，Y2兩個小的富水區，富水強度有所減小，結合地質資料可知，此范圍內的褶皺發育，裂隙發育充水。目前巷道出水來源主要是頂板砂巖，采空區積水通過導水裂隙也進行一定的水源補充，隨著巷道向前掘進，頂板砂巖裂隙出水量會增加。

圖2為圖1右側斷層，對測線L2260線進行分析，等值線形態變化紊亂，高低阻相間分布；在測線中部存在一條U字形梯度變化帶，電阻率值相對較低，數值在25～50Ω·m之間，視電阻率等值線梯度變化大。結合已知資料，該位置為已知逆斷層F4的反映，該逆斷層下部含水，導水性相對較好。

3.4井下瞬變電磁

在井下開展了2個不同平面的超前探測，2個探測平面相互垂直，其中一個平面是沿巷道掘進方向，該平面和巷道底板平行；另一平面是沿巷道軸線豎向平面，即探測平面和巷道底板垂直。

圖3、圖4為在1171綜放工作面迎頭兩個不同方位探測所繪制的的視電阻率斷面圖。從水平斷面圖可以看出：0～30m范圍為受環境干擾的工作盲區，在40～80m范圍內的巷道左存在相對低阻條帶，為頂板砂巖，裂隙發育，富水性強；在巷道右側的電阻率等值線梯度變化帶，電阻率值較大，富水性較差，為煤層及底板。

圖3　迎頭超前探(水平方向)

圖4　迎頭超前探(垂直方向)

從垂向上探測斷面圖來看，在0～30m范圍內的高阻異常為受環境干擾的工作盲區；擬掘巷道上部以及前方40～80m位置，即黑色虛線圈畫區域，推斷為頂板砂巖含水區和頂板含水區。在前方100～120m范圍內受現場干擾因素的影響，數據可靠性較差。因此，在掘進過程中，應密切注視掘進時的異常情況，做好探放水工作，保障礦井安全生產。

探測有效范圍內，在掘進巷道正前方40～80m，上方10～80m，頂板砂巖裂隙發育，含水性強，存在一定的靜儲量，富水性強。

4　井上與井下瞬變電磁對比

圖5為井下瞬變電磁L1線側幫視電阻率的成果圖。在距離側幫40～60m位置，存在橫向上的2個相對低電阻率條帶分別命名為富水體1和富水體2，推斷該位置相對富水。圖6為在L1頂板探測的成果圖。在距離側幫30～100m位置，存在低電阻率閉合圈異常或低阻條帶異常，推斷該低電阻率位置相對富水。在圖6中用3條虛線進行畫出，結合地質資料可知，前兩條斜虛線所在位置為褶皺發育位置，構造裂隙發育充水所致；水平虛線位置為兩個向斜構造的平穩過渡地段，地層穩定，連續性較好，是頂板含水層。

圖5　L1側幫視電阻率

圖6　L1頂板視電阻率

圖7、圖8分別為富水體1，2在地面瞬變電磁法探測結果。結合地質資料可知，富水體1所處的位置為背斜構造的兩翼，是良好的儲水構造，富水體2所處位置褶皺發育，距離南側圈畫的頂板富水區邊界很近，推斷為右幫砂巖含水，與地面物探成果相吻合。

圖7　L1040線視電阻率斷面圖

圖8　L1220線視電阻率斷面圖

5　結論

利用地面與井下瞬變電磁資料相結合的技術，可在地面瞬變電磁斷面圖中清晰分辨逆斷層F4，且逆斷層下部含水，導水性相對較好。探測有效范圍內，在掘進巷道正前方40～80m，上方10～80m，頂板砂巖裂隙發育，含水性強，存在一定的靜儲量，富水性強，隨著掘進在達到T2中心部位(視電阻率阻值最低部位)頂板出水量有變大趨勢。探測結果與已知資料吻合，對7煤層附近及頂底板富水性探測結果較好，為提高煤礦防治水構造提供了可靠的水文地質資料。

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Exploration of Water-rich Region in Ground and Underground Coal Mine by Using Transient Electromagnetic Method

ZHONG Sheng

(Shandong Taishan Geologic Survey Company Shandong Tai’an 271000)

Watery zones adjacent to coal seams are seriously imperiling coalmine’s safety in production. In 1171 roadway of mining process, in front of a content was significantly increased, in order to avoid the water disaster, the whole working face to carry out transient electromagnetic measurement work. The results of the ground and underground transient electromagnetic field are the same, and the results are the same for the rich water area. The combined detection reduces the problem of multi solution of geophysical prospecting data. It can greatly improve the exploration precision. It can improve the reliability of the coal mine prevention and control.

TEM; rich aqueous;water hazards in coal mine; prevention and cont rol of water; underground

2015-08-05；

2015-09-21；編輯：曹麗麗

鐘聲(1969—)，男，高級工程師，山東棲霞人，主要從事研究領域為電磁法勘探；E-mail：zhongsheng827@163.com

TD741；P631.325

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