瞬變電磁法在燒變巖含水層疏放水效果檢測中的應用

彭雪梅

（阿克蘇塔河礦業有限責任公司，新疆阿克蘇843000）

瞬變電磁法在燒變巖含水層疏放水效果檢測中的應用

彭雪梅*

（阿克蘇塔河礦業有限責任公司，新疆阿克蘇843000）

新疆庫車榆樹泉煤礦主采煤層上部為富水性不均一的下5煤燒變巖含水層。依據地面瞬變電磁法顯示的低阻異常圈定主要富水區，布置地面疏干孔和井下探放水孔。疏放水一期結束后，再次進行地面瞬變電磁法工程。探測結果顯示大部分低阻異常明顯減弱或消失。在剩余的主要異常區布置二期井下探放水孔，再次疏放大量燒變巖水。說明地面瞬變電磁法不僅能有效圈定燒變巖含水層富水區，還能對疏放水效果進行檢測，并發現遺漏的局部含水體。

瞬變電磁法；燒變巖含水層；疏放水；效果檢測

新疆地處歐亞大陸腹，具典型的大陸性干旱氣候［1］。境內分布有4大含煤區（12個煤田，7個煤產地），高山隆升使巖體煤層裸露，含煤地層受到剝蝕，煤層出露受到干熱氧化作用，形成火燒區［2］。煤層燃燒后發生質的改變，形成空洞、頂板垮落或出現離層。煤層間巖石多已變成燒變巖，巖體網狀裂隙發育、含導水性大大增強，形成地下水賦存和運移的良好空間。燒變巖含水層是地下隱蔽致災因素之一，因巷道掘進不慎揭露燒變巖區，引起井下出水事故的案例很多［3］。因此，對燒變巖含水層富水區的探測及抽放水效果的檢測，是保障礦井安全生產的基礎之一。

1　礦井地質條件

1.1地層

榆樹泉井田內出露的地層由老至新有上三疊統黃山街組、下侏羅統塔里奇克組、阿合組和第四系。含煤地層為侏羅系下統塔里奇克組，共含煤14層。上部的下5煤層最厚，全區可采，該煤層除向斜軸部有少量殘留外，已火燒殆凈；其下部主要煤層為下10煤層，全區可采，為礦井當前主采煤層。

1.2水文地質

侏羅系地層在礦區內廣泛出露，因煤層自燃之原因，地表大部分被紅色燒變巖所覆蓋。煤層發育于下侏羅統塔里奇克組地層之中，根據鉆探揭露，侏羅系地層主要由泥巖、炭質泥巖、粉砂巖、細砂巖、中砂巖、粗砂巖、礫巖及煤層組成，多以互層狀韻律狀形式產出，各種巖石的單層厚度可由數厘米變化到數米，乃至數十米。

主要隔水層位于下10煤以下地層中，其上部均為含水層，其中主要含水層為下5煤燒變巖含水層。由于地表大部分區域燒變巖裸露，地層垂向裂隙發育，地表水直接補給燒變巖含水層和砂巖含水層。下5煤燒變巖含水層為強含水層。

2　瞬變電磁法工作

2.1方法原理

瞬變電磁法又稱時間域電磁法（簡稱TEM），屬于電磁感應類探測方法，它遵循電磁感應原理，其機理是導電介質在階躍變化的電磁場激發下產生的渦流場效應，即利用一個不接地的回線向地下發射靜磁場作為激發場源，根據法拉第電磁感應定律，靜磁場結束以后，大地或探測目標體為維持靜磁場，內部會產生感生的渦流。這種渦流有空間特性和時間特性，其大小與諸多因素有關，如目標體的空間特征和電性特征、激發場的特征等，而且因為熱損耗會逐漸減弱直至消失。人們雖然不能直接測量這種渦流的大小，但是可以利用專門的儀器觀測這種渦流產生電磁場（稱為“二次場”）的強弱、空間分布特性和時間特性。靜磁場所激發的二次場信號表示為：

式中：μ0——磁導率；

M——發送線圈磁矩；

q——接收線圈等效面積；

ρ——地層電阻率；

t——時間。

2.2工作布置與參數選擇

使用地面瞬變電磁法中心回線裝置進行數據采集，按40m×20m網度布置測點，即40m線距20m點距。目標體埋深最大約200m，工作參數采用240m× 240m外框，25Hz頻率。儀器采用國際先進的加拿大鳳凰公司V8系統。

第一次數據采集為2010年4月，經過地面梳干井和井下探放水鉆孔作業后，于2015年9月進行第二次數據采集。

3　斷面與平面分析

3.1斷面分析

圖1為2015年9月探測的4線電阻率斷面圖，圖中橫軸為水平距離，縱軸為高程，頂部三角形及數字表示測點位置、高程及編號，黑色虛線分別表示下5、下10煤層，橢圓圈表示圈定的相對低阻異常。圖中用黑色填充表示相對低的電阻率，白色表示相對高的電阻率，灰色為過渡色。

4線位于測區南部，東西向分布，長1320m，地表基本水平。目標層為下5煤，近水平分布，約100m埋深。由圖可見，斷面電阻率由淺至深呈現低—高—低特征，與實際地層電阻率特征吻合。淺部低阻為第四系、阿合組的響應，中部高阻為塔里奇克組含煤地層的響應，深部低阻為三疊系黃山街組的響應。橫向上，電阻率分布基本近似水平層狀，與實際地層起伏趨勢吻合。

仔細對比斷面電阻率分布在橫向上的變化可知，在中間塔里奇克組層位，0～29點之間為高阻層中的相對高阻，30～48點之間為高阻中的相對低阻，49～61點為高阻層中的相對高阻，而62～66點又呈現高阻中的相對低阻。因此，可以認為30～48點和62～66點之間為相對低阻異常。該層位與下5煤及其頂底板密切相關，分析認為下5煤頂底板在30～48點和62～66點之間存在地質異常體。

圖1　4線電阻率斷面圖（2015年9月）

3.2平面對比分析

圖2、圖3分別為2010年4月和2015年9月探測獲得的下5煤燒變巖含水層電阻率平面等值線圖，圖中用白色表示極高阻，淺灰色表示弱高阻，深灰色表示相對低阻。在2次數據采集期間，礦方在地面布置下5煤燒變巖水疏放孔，在井下下10煤頂板布置下5煤燒變巖探放水孔。地面孔在本次工程施工前已無水可抽，井下放水孔仍在放水，但水量已減小。

由圖2可見，測區基本被灰色充填，主要的高阻區分布在觀18至觀19之間，主要的低阻區分布在測區南部泄水巷上方和測區東部沖溝下。地面布置的觀18、觀19在成井后揭露地下水，并抽放一定時間。井下布置的F6、F7、F9、F11、F12放水孔初始放水量分別為77m3/h、60m3/h、62m3/h、130m3/h、130m3/h。觀18、觀19位于灰色填充邊緣，井下孔位于南部低阻帶中，尤其是F11、F12位于深灰色填充區，說明這些鉆孔處均有下5煤燒變巖水分布，與實際揭露吻合。

圖3為2015年9月探測獲得的下5煤電阻率平面圖。由圖可見，測區大部分為白色（捷斯德里克向斜軸部附近），少部分為灰色充填（主要分布在測區中間南部和測區東部）。這說明當前地下水并不在向斜軸部附近分布，而主要位于測區南部和東部。前已述及，測區南部泄水巷中布置有探放水孔，并仍在放水，說明南部異常是剩余的下5煤燒變巖水。東部異常對應地面沖溝，說明沖溝內潛水對下5煤燒變巖含水層存在補給。

圖2　2010年4月結果

圖3　2015年9月結果

對比2次探測結果可發現，經過地面和井下疏放水工程，測區下5煤燒變巖水明顯減少，在捷斯德里克向斜軸部已基本沒有燒變巖水（觀18、觀19已無水可抽），剩余的下5煤燒變巖水主要分布在測區南部和東部，經過井下探放水孔的持續放水，其水量將進一步減小。

4　鉆探驗證

第一次地面瞬變電磁法探測時，對研究區內下5煤燒變巖含水層基本沒有進行疏放，地下含水層基本為初始狀態。探測結束后相繼在地面布置觀18、觀19疏干孔，井下頂板布置F6、F7、F9、F11、F12探放水孔，布置的鉆孔均有出水。第二次地面瞬變電磁探測結果顯示，電阻率平面圖中低阻區明顯縮小，在觀18、觀19等已無水鉆孔處出現相對高阻，沒有地下水的低阻反映，說明探測結果與實際情況吻合。礦方根據第二次結果在F12鉆孔西側布置井下探放水鉆孔，鉆孔位置處于剩余的低阻異常區中，在鉆進至下10煤頂板上50～60m時，揭露大量地下水，說明第二次探測結果發現了剩余的局部富水體。

5　結論

燒變巖含水層因孔隙大等特點容易富含地下水，在進行開采設計或井下掘進前務必將其探查清楚。使用地面瞬變電磁法能準確圈定燒變巖含水層相對富水區分布，據此能有效指導井上下疏放鉆孔的布置。在初步疏放結束后再次進行地面瞬變電磁法探測，對比2次探測結果可有效評價疏放水效果，并發現未達到疏放效果的局部富水體，為進一步煤礦防治水方案設計提供準確依據，保障礦井安全生產。

［1］羅淑政，玉米提·哈力克，JoergSchulz，等.新疆煤田火災的成因、危害及綜合治理［J］.災害學，2008，23（3）：62-70.

［2］張秀山.新疆煤田火燒區特征及防治對策［J］.新疆地質，2001，19（2）：150-152.

［3］郭啟文，王金啟，陳曉國，等.燒變巖突水災害治理技術［J］.中州煤炭，2001（5）：65-66.

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1004-5716（2016）07-0119-03

2016-03-18

2016-03-22

彭雪梅（1977-），女（漢族），新疆阿克蘇人，助理工程師，現從事煤礦安全生產技術工作。