瞬變電磁法探測煤礦采空區積水

劉美健

（山西汾西正文煤業有限責任公司，山西 孝義 032300）

正文煤礦是汾西礦業集團有限責任公司資源整合礦井之一，位于山西省孝義市西13km的兌鎮鎮圪卓頭村，在井田中部有交通便利的省道及鐵路線。井田面積6.9764km2，該礦于2011年10月30日正式開工建設，2016年10月31日正式投產，設計生產能力90萬t/a，礦井服務年限為24.25a，主采10+11號煤層，現開采11002采煤工作面，煤層總厚度7.86m，采煤方法為長壁式綜合機械化低位放頂煤全部垮落采煤法。

1 工作面概況及水害分析

1.1 工作面概況

11002工作面可采走向長459m，傾向長120.5m，地面位置東距偏城村200m，西、南、北為黃土山丘，地面有偏城—后洞、偏城—郝家寨兩趟線路（水泥電桿）穿過。井下位于一采區西翼軌道巷北部，工作面上方為水峪5415采空區（9#煤層于1997年回采完畢），東距偏城村保安煤柱87.5m，西鄰水峪煤礦5413工作面（9#已采），南部為正文煤業采區大巷，北部為井田邊界。該工作面開采太原組10+11#煤層，煤層走向東北，傾向西北，直接頂為泥巖，老頂為K2石灰巖，底板為鋁質泥巖。煤層結構簡單，煤層總厚度7.86m，局部賦存3～4層夾石，厚0.1～0.3m，煤層傾角1～3°，平均2°。工作面區域內，小褶曲構造發育，巷道呈波浪狀起伏，在工作面內有2條逆斷層，落差1.0～2.4m。

1.2 工作面水害分析

11002工作面水文地質條件中等，未來面臨的主要水害為石炭系太原組灰巖巖溶裂隙含水層、老空水。煤巖層中含有裂隙水，預計工作面在掘進過程中局部會有滲水現象。工作面上方為水峪煤礦5415工作面采空區，西側上方為水峪煤礦5413工作面采空區，北側相鄰水峪5113工作面采空區，預計采空區內有積水存在。距工作面材聯巷西側98m處有一編號“水-13”的地質勘探鉆孔，該鉆孔為水峪煤業勘探時期鉆孔，孔深245.81m，通過調查，該鉆孔施工完畢后雖已進行了封孔，但根據西翼膠帶巷及西翼軌道巷掘進時對該鉆孔的探測，有一定的水害隱患。工作面與上部山西組2#煤層間距約為90m，運巷東側有一后頭溝小窯破壞區，該小窯開采2#煤層，房柱式開采，于2003年關閉，井筒已實填，有可能出現2#煤采空區積水下泄的現象，對11002的回采工作造成威脅。

2 礦井瞬變電磁法

瞬變電磁法通過不接地回線或接地線源向巖體發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間利用線圈或接地電極觀測地下介質中形成的二次感應渦流場，從而探測地下介質電阻率的一種方法[1]。因為各種介質不是單獨存在的，把測得的不均勻介質中的這個電阻率稱為視電阻率。根據視電阻率的不同來分析地質構造情況和地下導水情況。其主要的工作原理是在煤礦井下工作面布設通電的發射線圈，進而在線圈周邊范圍形成一次電磁場，并在工作面周圍導電巖體中產生感應電流，在切斷電源后，巖體中的感應電流隨著時間的增加熱損耗不斷衰減，形成二次感應渦流場，從而觀測地下介質反映的信號[2]。

3 瞬變電磁法在煤礦中的實際應用

對正文煤業11002材料巷應用瞬變電磁法進行探測。

（1）探測前工作面迎頭停止作業，綜掘機退后20m，敲幫問頂確保工作環境安全。檢查儀器電量是否充足，儀器狀況是否良好，無防爆不完好等情況[3]。排盡掌子頭積水，對工作面除必要的監控儀器以外的電器和電纜進行斷電后開始探測作業。

（2）本次作業設計探測方向通過頂板20°方向、頂板10°方向、順層0°方向、底板-10°方向即可達到探測目的，每個探測方向14個，共56個物理點。疊加參數設置為32次。探測4條測線，數據質量合格。經數據處理形成如圖1的成果圖，由成果圖可直觀地知道在頂板20°方向，無明顯的低阻異常區，推測該區域大面積富水可能性較小；在頂板10°方向，無明顯的低阻異常區，推測該區域大面積富水可能性較小；在順層0°方向，右幫60～100m，深度10～50m有低阻異常，推測該區域局部有富水可能性；在底板-10°方向，距右幫 30～60m，深度 40～80m，右幫 60～100m，深度10～50m有低阻異常，推測該區域局部有富水可能性。針對本次所探測到低阻異常，設計并施工6個鉆孔，其中順層方向和底板方向各3個鉆孔。

圖1 瞬變電磁法探測結果

（3）經過鉆探驗證，在順層方向未發現有采空區，無積水。在底板方向的三個鉆孔中有兩個鉆孔打到了9#煤層采空區，兩個鉆孔均有出水情況，其中一個鉆孔水量較大，約15m3/h，另一個鉆孔出水量約6m3/h。地測人員在第一時間取到水質標本，經水質化驗確定為采空區積水。經過兩天時間的放水作業，直至兩個鉆孔的出水量基本上為零。為了安全起見，地測科人員又設計并施工了兩個驗證孔，證實了采空區積水已經被疏放完畢。此次放水作業放水量共計約1200m3。

4 結語

通過本次對汾西礦業有限責任公司正文煤礦瞬變電磁探測實踐，進一步驗證了瞬變電磁法物探對地質低阻體有良好的響應特征，并通過井下瞬變電磁法物探尋找確定上覆采空區積水位置，經鉆孔驗證上覆采空范圍位置準確可靠，取得良好實際應用效果。礦井瞬變電磁法具備對低阻反應敏感、方向性強、體積效應小、便于施工、工作效率高和成本低等優點，在探測煤礦含(導)水地質構造、采空區積水、充水鉆孔等方面有很好的應用效果，但是瞬變電磁法有其不足的地方，其容易受工作面潮濕的環境、電纜、巷道內的金屬器械等的影響，所以為了探測結果的準確性一定要將干擾因素降低到最小。