基于瞬變電磁法的采空區積水探測技術研究

題正義， 馬笑非， 張 峰， 秦洪巖， 李 洋， 喬 寧

(遼寧工程技術大學 礦業學院,阜新 123000)

0 引言

煤礦采空區積水一直是困擾煤礦安全生產的問題之一，不僅威脅井下人員的安全，也給后續開采提出了難題。由于小煤礦的亂采亂挖，缺少開采資料，導致在其被兼并重組后，不能確定其采空區的狀態及積水情況。為了保證煤礦的安全高產高效，采取高效的方法對采空區積水的狀況進行探測及監測是亟待解決的問題。張開元等[1]將瞬變電磁法運用于北方某地區采空區范圍圈定及煤礦采空區的測量；譚慶炎[2]基于瞬變電磁法的理論建立了采空區的數值模型，對桑樹坪礦采空區積水的瞬變感應電磁特征進行了分析。但由于井下條件的多樣性和復雜性，物探工作被工作環境限制等因素，采空區物探理論和方法仍需進一步研究與發展。基于此，筆者依據勝利煤礦現有的資料，首先對資料分析及現場觀測的基礎上判斷出煤層開采狀況，其次使用瞬變電磁法對煤層進行物探施工，最后對結果進行分析。

勝利煤礦為兼并重組礦井，主要可采煤層為6#和10# 2個煤層，重組前受6#煤層開采資料缺失導致無法獲知井下具體采空區積水區域，造成礦井計劃對本煤層及10#煤層開采具有危險性，因此采用瞬變電磁法探明6#煤層采空區積水區域。研究成果對礦井高產高效安全生產提供了保障，也對防治水方面的研究提供了借鑒。

1 井下物探分析

利用瞬變電磁法[3-4]對6#煤層相關巷道進行物探測試，根據解釋分析法建立6#煤層采空區積水范圍判別準則，運用判別準則對6#煤層探測結果進行分析，確定6#煤層采空區積水范圍。

1.1 井下瞬變電磁法原理

瞬變電磁法原理[5-7]是利用電磁信號在煤層、巖層等介質中傳播速度的快慢及接收電磁信號的強弱進行判斷煤層或巖層中賦存的介質，其具備以下特點。

圖1 工作原理和感應電磁場轉換原理Fig.1 Work principle and induction electromagnetic field transformation principle

1) 由于巷道內地質條件不同，環境復雜，只能使用3 m以內的多匝小線圈，排點密集、分辨率較高。

2) 在巷道內直接測量，信號感應度比較敏感，測量精度較高。

3) 通過調解電磁波的發射方向，可以多方位探測出異常體發育規律。

4)調節小線框電磁波的發射方向，能夠探測巷道頂底板在深度確定下的的含水體的發育規律、掘進頭的探水超前探測及采空區積水的探測。

5)根據瞬變電磁法的工作原理，由于時間為零，電流瞬間斷開的影響，導致無法探測到更淺部的異常體，往往在淺部會形成0 m～20 m左右的盲區。

假設在巷道里鋪設的矩形發射線圈的面積為S，且線圈具有均勻各向同性，導磁率為μ0，導電率為σ，為線圈提供的階躍脈沖電流用I(t)來表示，其中：

(1)

在設備工作期間，測線附近的地層以及空間受到電流的驅動，形成一個趨于穩定的電磁場。當時間t為零時，隨著電流的斷開，原先存在的電磁場也會立即消失。一次磁場經過地層中的導電介質的傳播，傳到測試地層附近測線周圍的地表，能夠激發出地層中的感應電流，維持了電磁場的存在，使其不會立即消失殆盡。

圖2 擴散的圓電流環Fig.2 Diffused circular electric current loop

由于電磁場在氣體中傳播的速率比在其他介質的傳播速率快，一次電磁場首先通過空氣介質，傳導到地表，在各測線周圍的地層激發出感應電流，所以感應電流最初存在于地表處。然而，地表各處的地質條件有差異，因此感應電流也是分布不均。隨著時間推移，電磁場在空氣及介質中的傳播流動，其傳播中受到熱損耗，強度隨之下降，并隨著時間推移及傳播距離變大的作用下，磁場分布慢慢趨于均勻、穩定，并逐步變形為圓電流環[8-10]。

由圓電流環形成過程可推算出半徑r、深度d的表達式為：

(2)

(3)

式中:a為發射線圈半徑，C2=8/π-2；當a的值過于太小時，通過等價無窮小計算可得tanθ=d/r≈1.07，θ=47°，故圓電流環將沿47°傾斜錐面擴散(圖2)，擴散速度表達式為：

(4)

1.2 探測方案設計

探測方案設計是在6#煤層中選擇設定測站的位置，再在各個測站選取與煤層相交的側面進行測點設置，通過接收電磁信號接收情況判斷交線或者交面的性質特點，推測積水區，并繪制出各分層分區圖層。

1.2.1 井下測站布置方式

測站[11-12]采用2種布置方式(圖4)：

1)在巷道掘進面設置測站，采用礦用瞬變電磁法勘探裝置采用邊長1.5 m長的正方形線圈，是重疊回線組合裝置，用于激發信號和接受信號，激發線圈匝數為4匝，接收線圈匝數為40匝。基準面以掘進面巷道的底板所在平面設定，同一測站選擇3個方向布置發射線框的測面，每個測面布置11個測點，共計33個測點(圖3)，通過人為在巷道內移動，發射和接收線圈，接收數據后，會生成3個范圍內的超前探測實測剖面。

2)在巷道的左右幫設置測站，同樣采用相同的礦用瞬變電磁法勘探裝置。在有限探測范圍內對巷道左右幫進行超前探測，基準面以巷道底板所在平面設定，布置多個不同方向的側面及測點，并通過人為的在巷道內移動過程中發射接收線圈，生成探測范圍內的實測剖面。

圖3 地下探測原理圖Fig.3 Schematic diagram of underground survey

圖4 測面、測點布置Fig.4 The arrangement of measured surface and measured points

1.2.2 6#煤層探測方案

為了探明6#煤層采空區積水區域，計劃設置4個測站(4個測面)，分別在膠帶巷掘進445 m處(1號測站)、副斜井227 m～267 m處(2號測站)、軌道巷掘進370 m處(3號測站)和主斜井掘進480 m處(4號測站)4個位置設置測站，下面以主斜井掘進480 m處延伸方向4號測站為例介紹井下物探測站布置、解釋分析、判定探測結果，測站采用第一種測站布置方式，勘探方向為軸向前方，勘探范圍為100 m，側面方向為延伸方向。

1.3 解釋分析方法與判定流程

解釋分析方法[13-15]是利用瞬變電磁法測得視電阻率的大小及其衰減規律，通過建立判定準則，進行演算分析得到探測結果，最終確定6#煤層采空區積水情況。

1.3.1 解釋分析方法

基于瞬變電磁法的原理，將測得的視電阻率數據繪制成電阻率斷面圖，若在斷面圖中電阻率存在由低阻區向高阻區過度，然后又逐漸偏向低阻區的現象；或者電阻率存在由低阻區向高阻區位移，然后偏向低阻區，又移向高阻區的現象 。如果存在以上現象，則對低阻區在多測電壓剖面圖上所對應的煤層曲線進行觀測，如果兩端電壓低于該處的電壓值，判定為積水區。測得的視電阻率的大小根據無水采空區視電阻率最高、實體煤次之，積水采空區最低的電性特征，結合視電阻率隨探測距離逐漸衰減的規律，提出物探的解釋分析方法，經過解釋分析可以推測出煤層狀態。具體解釋分析方法如下：

1)根據探測煤層地質數據，利用測站與其的位置關系，將煤層與測面相交的線段繪制到煤層底板等高線上。

2)在扇形視電阻率圖上，將繪制好的交線按比例和相互關系再在扇形視電阻率圖上進行繪制。

3) 從繪制好的交線的任意一個端點開始，觀測沿線視電阻率漸變的情況，選出異于正常衰變速率的異常變化端點及其長度。

4) 分別按照高阻異常和低阻異常關系，對各觀測的煤層的視電阻率進行分類統計。

5) 根據分類統計結果及相關信息資料，結合衰減規律得出煤層狀態(無水采空區、實體煤、積水采空區)，多測道電壓剖面圖出現從高阻區→低阻區→高阻區，或者低阻區→高阻區→低阻區的現象，選擇煤層中低阻區的電壓值，電壓值明顯高于兩頭或無電壓升高位置的區域都為積水區。

1.3.2 判定流程

根據瞬變電磁法原理對勝利煤礦6#煤層進行瞬變磁法勘探 ，運用解釋分析方法建立物探結果判定準則，判定流程如圖5所示。

圖5 異常區判定流程圖Fig.5 The flow diagram of abnormal area determined

1.4 測試結果分析

以主斜井4號測站掘進480 m處延伸方向超前探測為例，依據解釋分析方法及其判定流程對主斜井4號測站的探測結果進行分析，確定6#煤層各段的賦存狀態。

主斜井4號測站掘進480 m處延伸方向超前探測按照解釋分析方法及其判定流程制定測面與煤層交線的繪制方法①在側面上沿著探測點選擇3至5條具有一定特征的射線；②在已選的射線上，沿其投射方向做剖面圖，得到3至5個與煤層的相交點，把各交點通過圓滑的弧線連接起來，且作為測面與煤層的交線，將交線按照對應的位置和相對應的比例繪制到視電阻率剖面圖上(圖6(a));③利用解釋分析方法判定得出在側面沿主斜井方向的視電阻率剖面圖內，6#煤層相交且穿過視電阻率剖面圖中的高阻異常區(采空積水區)(圖6(b))，由此可推斷出該段交線處中央部分為采空區采空范圍較小，兩側為未采區。

從位于6#煤層可采范圍內的72條測線中選出 8#、24#、25#、56#測線進行分析。從圖7中可以看出：圖7(a)、圖7(d)中沒有明顯的高壓異常區；圖7(b)在1-10#、31-36#點處以及圖7(c)在1-11#、25-36#點處出現高值異常，幅度比較大。

2 鉆探分析

為了核實物探探測6#煤層采空區積水結果的可靠性，在勝利煤礦主斜井的3個鉆位上共計施工了6個鉆孔(表1)。

表1 主斜井鉆探孔設計表Tab.1 The design table of main slope exploration hole

2.1 鉆孔探測分析

鉆孔探測[16-17]以3號鉆位上的4號鉆孔為例進行分析。鉆孔方位角為161°，仰俯角為0°，沿主斜井頂板鉆探，在鉆探到10 m處出現涌水，并且觀測為滿孔水(圖8)，由此可推斷出勝利煤礦在此處附近進行過開采，且采空區內有積水存在。

2.2 其他鉆孔探測結果分析

1)1號鉆位1號鉆孔在73.13 m處附近穿過6#煤層，鉆探結果全長皆為巖石，并沒有煤層揭露，推測一種可能是煤層底板等高線計算誤差，另一種可能是鉆孔進入完全垮落的采空區內。

2)2號鉆位2號鉆孔進尺75 m，預計應在485 m附近穿過6#煤層，全部為巖石沒有煤層顯現，鉆孔應該是穿過壓實的采空區。

圖6 主斜井解釋分析圖和視電阻率剖面圖Fig.6 The interpretation analysis profile of main slope and apparent resistivity(a)主斜井解釋分析圖；(b)視電阻率剖面圖

圖7 多測道圖Fig.7 Decay curve(a)8#測線;(b)24#測線;(c)25#測線；(d)56#測線

圖8 4號孔剖面圖Fig.8 The profile of hole 4

圖9 主斜井鉆探效果圖Fig.9 The sketch of main slope drilling

3)3號鉆位3號鉆孔沿主斜井頂板共進尺11.5 m，鉆孔已進入6#煤層范圍內，在鉆探到10 m處出現涌水，并且觀測為滿孔水，鉆孔附近應為采空積水區。

4)3號鉆位5號鉆孔沿主斜井左幫共進尺18 m，鉆孔已進入6#煤層范圍內，在鉆入到18 m處時遇煤層頂板，鉆孔出現涌水，此處應為采空積水區。

5)3號鉆位6號鉆孔沿主斜井右幫共進尺22 m，鉆孔已進入6#煤層范圍內，鉆孔在12 m處時遇到破碎帶，應是采空區，結合5號鉆孔鉆探結果分析此鉆孔附近應為采空積水區。

圖10 綜合分析圖Fig.10 Comprehensive analysis chart

綜合以上，鉆探分析結果可知主斜井鉆探測得6#煤層狀態結果如圖9所示。

3 綜合分析

將井下瞬變電磁法勘探和井下鉆探的結果繪圖(圖10)，從圖10中分析可得出結論如下：

1)主斜井掘進480 m處4號測站所探測6#煤層區域與鉆探1、2號鉆位鉆孔所探測位置重疊，驗證此處為采空區且采空范圍較小。

2)膠帶巷掘進445 m處1號測站在鉆探3號鉆位3號鉆孔南側且在6#煤層交線范圍內，由此可知鉆探未探測到該區域，瞬變電磁法勘探探測此區域為未采區。

3)副斜井227 m～267 m處2號測站所探測6#煤層區域與鉆探3號鉆位6號鉆孔所探測位置重疊，驗證此處為采空積水區。

4)軌道巷掘進370 m處3號測站所探測6#煤層區域與鉆探3號鉆位4、5號鉆孔所探測位置重疊，驗證此處為采空積水區。

4 結論

1)基于瞬變電磁法原理在井下對6#煤層進行瞬變電磁法勘探，利用理論的知識及結合解釋分析方法和其判定流程對6#煤層物探出煤層狀態進行判別分析，得出在側面沿主斜井方向視電阻率剖面圖內，6#煤層與高阻異常區(采空積水區)相交且穿過，可推斷出該段交線處中央部分為采空區采空范圍較小，兩側為未采區，判斷出6#煤層采空區積水區域。

2)通過井下鉆探方法對瞬變電磁法勘探判定分析結果進行驗證，進一步探明6#煤層采空區積水范圍，驗證結果得出瞬變電磁法探測技術對采空區積水范圍探測具有高效、可靠的實用價值。