瞬變電磁法在采面底板富水區探測中的應用

岳輝

【摘 要】 為了對采煤工作面前方含水層的精確測定，采用瞬變電磁法對采面底板富水區進行探測。在采面材料巷、切眼以及進風巷布置3條測線，共計103個測點按照垂直底板、斜長底板兩個方向進行探測，并對獲取到的TEM視電阻率分布曲線進行分析。結果表明：1）在采面材料巷、切眼及進風巷位置獲取到的底板巖層視電阻率變化較大，但是整體無顯著異常;2）在進風巷至發現與切眼相距80m以外區域存在有條塊狀分布的視電阻率高阻區，與切眼相距40～80m位置與底板相距35～70m位置存在有低阻異常區，綜合判定該區域為富水區;3）采用鉆孔注漿方式加固探測到的低阻異常區，避免回采時該富水區通過采動裂隙向回采空間涌水。瞬變電磁法可為礦井探放水鉆孔施工以及注漿工作提供可靠資料支撐。

【關鍵詞】 煤炭開采;富水體;物探;瞬變電磁法

【中圖分類號】 TD166 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）05-0019-04

在煤炭開采過程中突水會給礦井生產安全帶來嚴重威脅。對回采工作面前方及圍巖中隱伏構造、含水層等超前探測，并根據探測結果提前采取防治措施對提升礦井生產保證能力具有重要促進作用。瞬變電磁法相對其他物探技術具有指向性強、操作簡單、分辨率高以及探測速度快等優點，在礦井含水地質構造探測中具有顯著優勢。因此，文中就將瞬變電磁法應用到礦井6502綜采工作面底板富水體探測中，為針對性開展采面防治水工作提供了可靠支撐。

1工程概況

山西某礦6502綜采工作面開采的6號煤層結構簡單，厚度平均3.6m，在采面軌道巷掘進過程中揭露4條落差均在0.8m以內正斷層;在切眼以及回風巷掘進過程中局部未揭露斷層、陷落柱等地質構造，僅有局部位置發現巖漿巖侵蝕區。

根據前期地質資料，6502綜采工作面開采期間涌水水源主要來自于頂板砂巖裂隙水、底板砂巖裂隙水以及灰巖巖溶水含水層。頂、底板砂巖裂隙水含水層富水性較弱，補給性差，正常情況下不會給采面正常生產帶來明顯影響;底板灰巖巖溶水含水層埋深較深，富水性中等，以靜儲量位置，與6號煤層底板垂距在32.65～61.23m，平均50.13m。正常情況下采面開采不會出現底板涌水情況，但當采面、巷道揭露具有導水性的隱伏構造時，底板灰巖水會涌入到生產空間，威脅采面生產安全。

2探測區內巖層電阻特征

探測區域內富水體、導水構造與正常巖層導電性存在差異，瞬變電磁法是根據不同巖體間的電阻率差異來實現對富水異常體判定。當巖層完整時電阻率值一般較高，而當局部區域有構造裂隙或者破碎帶時，其電阻率會發生明顯變化，當構造裂隙或破碎帶不含水時，其導電性會有所降低，電阻率呈增加趨勢;當構造裂隙或破碎帶含水時，由于地下水體中溶解有大量電解質從而導致其導電性增加，電阻率呈降低趨勢。具體在6502綜采工作面探測區范圍內巖層電阻率值見表1。

3現場應用

3.1現場布置

6502綜采工作材料巷、進風巷長度分別為517m、532m，兩巷探測范圍為切眼至材料巷外聯巷，探測長度均為470m，在巷道內探測點布置間距為10m，每條巷道均布置48個測點。切眼內每隔20m布置一個測點，共布置7個測點。在采面內布置的測點均垂直巷道底板（90°角）、斜向底板（60°俯角）向采面開采方向探測。為了提升探測精度，探測期間采面周邊的機電設備應盡量停止運行。具體現場布置示意圖見圖1。

3.2數據處理

依據探測區基本資料以及相關計算公式對探測得到的視深度、視電阻率等參數進行計算，后期經過濾波、一維反演等處理后，獲取合理的解釋數據，具體數據處理流程見圖2。

在數據處理、結果解釋中使用綜合處理與解譯技術，從而減少探測結果的多解性，提高解釋結果精準度，具體探測資料解釋流程見圖3。

獲取到的TEM視電阻率曲線圖橫坐標、縱坐標分別為測點坐標、探測深度。根據探測區水文地質基礎資料，確保探測區巖層電阻率變化情況。

3.3成果解釋

具體在6502材料巷、進風巷及切眼獲取到的底板巖層視電阻率分布圖見圖4～6所示。

從圖4（a）看出，底板巖層視電阻率（ρs）整體較大介于5～120Ω·m，部分區域存在低阻異常，在與煤層底板相距較近位置巖層結構整體較為完整;從圖4（b）看出，底板巖層視電阻率變化在8～190Ω·m間，整體變化較大，部分位置有低阻異常區，但在與煤層底板相距較近的淺層區巖層結構相對較為完整。從圖4看出，在與巷道底板下方35m以內的巖層視電阻率值均大于30Ω·m，且變化較為平緩，未有異常突變點，表明6502材料巷底板巖層結構較為完整。綜合分析后認為6502材料巷底板下方未有明顯的含水異常區。

從圖5（a）看出，在垂直切眼底板方向上底板巖層視電阻率分布在20～150Ω·m，與底板相距較近位置巖層巖性較為完整，深部區域低阻異常區較為發育;從圖5（b）看出，在斜向切眼底板方向上底板巖層視電阻率在20～200Ω·m，具體電阻率變化特征為：與切眼底板相距較近巖層電阻率較大且變化較為平緩，與切眼底板相距較遠時視電阻率值較小。與切眼底板相距35m范圍內的巖層視電阻率在50Ω·m以上電阻率等值線變化較為平緩，未有明顯的突變區。因此認為6502切眼底板巖層賦存較為穩定，未有明顯含水異常區。

從圖6（a）看出，在垂直進風巷底板方向上底板巖層視電阻率在3～140Ω·m，整體變化較大，與巷道底板相距較近巖層視電阻變化相對較為穩定，隨著與巷道底板間距增加探測到巖層的視電阻率呈降低趨勢。在進風巷3～8號測點位置底板下方35～70m范圍內存在有低阻異常區A（視電阻率約5Ω·m），因此認定該異常區存在有一定富水性。

從圖6（b）看出，在6502進風巷按60°俯角獲取到的底板巖層視電阻率變化在3～120Ω·m，在與回風巷底板相距較近位置巖層視電阻率較大，隨著巷道底板間距增加巖層中視電阻率異常區發育。在巷道內5～7號測點底板下方35～60m范圍內巖層視電阻力較小的A異常區，且在該異常區內視電阻率等值線形成閉合圈，綜合判定該地段為有一定富水性區域。

4采面底板相對異常區分析及防治

4.1異常區分析

根據采面水文地質探測資料并結合巷道掘進涌出情況，瞬變電磁法探測到的采面底板低阻異常區分析結果為：

（1）采面材料巷、切眼及進風巷探測到的底板巖層中視電阻率分布曲線整體較為平滑、未有明顯的異常突變區，視電阻值變化較大。

（2）進風巷獲取到的底板視電阻率分布曲線發現與切眼相距80m以外區域存在有條塊狀分布的視電阻率高阻區，電阻區內上下均質程度較高，但不存在水文異常。

（3）進風巷獲取到的底板視電阻率分布曲線發現與切眼相距40～80m、與底板相距35～70m位置存在有低阻異常區，綜合分析該區域為富水區。

4.2異常區防治

在6502采面回采前在進風巷采用鉆探方式布置1、2號鉆探鉆孔，布置2個鉆探鉆孔鉆進至異常區時鉆孔涌水量分別為7、18m3/h，水壓為2.4MPa。該水壓較底板奧灰水水壓低約2.3MPa，表明該富水異常區與底板奧灰水水力聯系不密切，判定該富水異常區為底板灰巖巖溶水局部集聚所致。

為避免采面回采過程中及回采后底板出現較大涌出，通過1、2號探測孔及3、4號注漿孔向探測到的富水異常區進行注漿加固，其中注漿量分別為3.8t、4.5t、2.4t及3.1t。采面回采至該富水異常區時未見底板涌水問題。

5總結

（1）在6502工作面材料巷、切眼以及進風巷采用瞬變電磁法對底板巖層富水體進行探測，并對垂直、斜向底板兩個方向上的視電阻率分布曲線進行分析，發現材料巷、切眼下方巖層賦存較為穩定，無低阻異常區;在進風巷距切眼相距40～80m、距底板35～70m位置存在有富水區。針對探測到的富水異常區位置，采用注漿方式進行針對性處理。

（2）該礦現階開采的6號煤層工作面均采用物探+鉆探方式對底板富水異常區進行探測，并采用注漿加固方式來解決底板承壓水對煤炭開采影響，現場應用取得顯著效果。

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