瞬變電磁法在東溝煤礦水文地質勘探中的應用

曹亞濤

摘 要：瞬變電磁探測技術是探測富水區域的一個簡單有效的手段，東溝煤礦基于瞬變電磁儀探測數據成圖分析各種水害的水力形態和各種干擾顯示，根據掘進巷道所處位置和富水類型，分析富水區影響形態類型。按照影響形態類型和范圍，按照瞬變電磁探測有效性、積水量、水壓、排水能力、安全距離以及其他災害的評估，論證富水區域與掘進的安全關系。希望研究結果能夠為廣大同行提供一定的參考。

關鍵詞：瞬變電磁;東溝煤礦;水文地質勘探

1 ? ?東溝煤礦基本情況

1.1 ?東溝煤礦簡介

東溝煤礦位于距離呼圖壁縣城正南56 km處的天山北麓石梯子小西溝呼圖壁林場一帶，礦區面積為11.82 km2，生產能力為90萬噸/年。礦井劃分3個水平，現開采一水平（+1 450 m 以上）劃分為一個雙翼采區，階段垂高為136～185 m[1-2]。

井田內共含編號可采煤層5層，由下而上依次為B1、B2、B3、B41、B42。其中，B1、B41為大部可采煤層，其他的B2、B3、B42為全區可采煤層，煤層傾角為10°～15°，傾向10°～25°，現開采最上面的B42煤層。

1.2 ?含煤巖層和含隔水層簡介

含煤巖層為侏羅系中統西山窯組（J2x），為一套為河流相、泥炭沼澤相沉積，由灰色、深灰色砂巖、粉砂巖、泥巖、炭質泥巖、煤層組成，與上覆侏羅系中統頭屯河組呈整合接觸。

井田共劃分6個含（隔）水層（段），分別為第四系全新統坡積透水不含水層、第四系全新統洪沖積孔隙潛水含水層、中侏羅統頭屯河組裂隙孔隙含水層、中侏羅統西山窯組裂隙孔隙含水層、下侏羅統三工河組相對隔水層、燒變巖裂隙潛水含水層。其中，中侏羅統頭屯河組裂隙孔隙含水層為間接充水含水層，中侏羅統西山窯組裂隙孔隙含水層為為直接充水含水層，位于礦區南部的燒變巖裂隙潛水含水層對老井有較大影響、對新井影響較小。

地質勘探鉆孔水文抽水試驗的結果：單位涌水量（q）為0.007 54～0.210 00 L/s·m，滲透系數（K）為0.005 81 ～0.255 00 m/d。因此，西山窯組含水層富水性為弱到中等，透水性弱，但局部存在富水異常區域。

礦井充水的主要因素為地層巖性、構造、火燒層、河溝水、大氣降水及暫時性地表水流。其中，地層巖性和構造影響較大，火燒區影響新井的能力有限，在工作面臨近東溝河時，東溝河存在一定的側向補給能力。

2 ? ?瞬變電磁儀探測結果水力形態顯示

東溝煤礦在生產過程中根據富水區積水位置分為頂板砂巖水、采空區水、斷層（構造）水。

2.1 ?頂板砂巖水

頂板砂巖水主要賦存在頂板巖層裂隙或孔隙中，存在形態視裂隙或孔隙分布情況而定。

2.2 ?采空水

掘進巷道臨近采空區積水區，采空區積水需要提前疏放以保證安全生產。采空區水一般都沿煤層走向，以條帶狀存在，在巷道連續起伏的情況下，也可能以不連續的塊狀存在。在地質資料、測量數據都清楚的情況下，采空區積水區域易確定形態、位置、積水標高和積水量。

2.3 ?構造（斷層）水

東溝煤礦成煤環境為沉積環境，未發現能形成巖溶地貌的地層，構造水以斷層水居多。因為斷層含水量不一，不含水的斷層在瞬變電磁探測過程中呈現高阻（a）;含水的斷層沿著斷煤交線易形成條帶狀視電阻異常區域（b）（見圖1）。

2.4 ?干擾顯示

2.4.1 ?雜物干擾

巷道在掘進的過程中，掘進機、電纜、物料等基本都處于同一位置，每次瞬變電磁探測在某一位置重復出現視電阻異常區域，并且此區域在重疊探測和鉆探中無異常，此區域就是由固定物體干擾形成的，在實際中需要經過多次驗證后總結[4-6]。

2.4.2 ?底板積水干擾

現在，瞬變電磁探測設備受技術的影響，線圈沒有定向識別的功能，一般探測過程中以法線45°為分界線。0°～45°為向上識別，大于45°為向下識別。當底板存在積水、法線傾角較大時，易識別底板，形成頂板顯示視電阻異常區域，出現結果顯示頂板存在大面積富水區。

3 ? ?影響形態分析

按照層位關系掘進時主要分為采空區水、頂板水（包含構造水）、底板水。

3.1 ?頂板水（包含構造水）

巷道在掘進過程中，對原有煤巖層結構造成破壞，壓力重新分布，在壓力等多重因素的影響下產生裂隙，裂隙溝通富水位置造成巷道出、淋、滴水等現象。在巷道頂板巖性為泥質膠結時，嚴重影響巷道支護質量、支護強度。

按照富水區域與巷道的關系分為以下幾種：

（1）當頂板存在富水區，并且頂板裂隙等構造不發育、掘進巷道是平巷時，富水區域主要對正下方造成影響，側向影響主要由水壓、水量、煤巖層性質等決定。

（2）當頂板存在富水區，并且頂板裂隙等構造不發育、掘進巷道是下坡時，富水區域會隨著掘進面移動，直到巷道低洼點開始起坡，即“水跟緊下坡掘面”。

（3）當頂板存在富水區，并且頂板裂隙等構造不發育、掘進巷道是上坡時，富水區域有時會在頂、底板同時出水，直至掘進遠離富水區。

3.2 ?采空區水

采空區水一般位于掘進面正上方或斜上方，當掘進巷道與采空區之間裂隙等構造不發育時，采空區主要影響正下或斜下方掘進巷道，對周邊影響有限（見圖2）。

3.3 ?底板水

在掘進過程中，巷道存在局部向斜和背斜，在巷道下方含隔水層以互層的形式存在，巷道在局部存在底板水，在瞬變電磁探測過程中顯示無高程富水區域，底板以慢滲出水為主（壓力過大時，出水形態為股狀），如圖3所示。

4 ? ?安全應用

按照水害處理的程序和以下步驟進行評估：

4.1 ?瞬變電磁探測的有效性評估

瞬變電磁儀在使用過程中易受到鐵器、電纜（電磁場）、積水等影響。在瞬變電磁探測成圖后，按照數據成圖與水力相態顯示進行比對，形成有效的三維圖片和需要的切片圖片。按照富水層位和煤巖層特性對成圖進行分析，如砂巖含水層，在數據成圖上盡可能排除干擾項，然后進行驗證。

4.2 ?積水量、水壓評估

按照數據成圖，預估最大水壓，按照積水范圍三維長度和煤層裂隙率換算積水量。

4.3 ?排水能力評估

疏放水鉆孔在孔口都安裝了截止閥，一般情況下，對排水系統沒有太高要求。在考慮掘進安全的情況下，綜合考慮經濟性，一般要求在最大排水能力下疏放水。即單孔出水量為：

（1）

式中：q—鉆孔涌水量，m3/s;c—流量系數，取0.6;ω—鉆孔斷面積，m2（煤礦防治水細則規定鉆孔最大直徑為94 mm）;g—重力加速度，9.8 m/s2;H—鉆孔出水口的水頭高度。考慮鉆孔出水時水頭高度不斷變小，屬非穩定流狀態，可取探放水最大水頭高度的40%～45%計算平均涌水量。

按照公式Q=n×q計算總出水量。

根據《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規范》，反算出需要的水泵臺數、揚程、排水管管徑。

4.4 ?安全距離評估

按照以下公式計算安全距離：

（2）

式中：a—超前距離，m;L—巷道的跨度（寬或高，取其最大者），m;Kp—煤的抗張強度，MPa，取1.15 MPa;P—煤、巖層承受的靜水壓力，MPa，取值0.1 MPa; A—安全系數，一般取2～5，本設計取5。

4.5 ?其他災害的評估

東溝煤礦在生產過程中，伴隨水出現瓦斯，往往會出現水大瓦斯高的現象。特別是在向斜軸部存在富水異常區域時，存在的由細砂巖、粉砂巖與炭質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖組成的隔水層，在富水區域煤層氣受水力封閉作用而富集，煤層含氣量較高。水的存在可以對煤層甲烷向淺部的運移產生一定阻力，減緩煤層氣的運移速度。富水區域在受采掘影響疏干后留下裂隙，導致瓦斯從采掘作業處逸出，引發瓦斯“局部異常”。因此，在疏放水過程中一定要注意瓦斯異常涌出和局部超限。

[參考文獻]

[1]新疆天地華泰采礦工程技術股份有限公司.新疆準南煤田呼圖壁縣石梯子東溝煤礦水文地質類型劃分[Z].2018.

[2]李玉昆，王松濤，王寶琛.瞬變電磁法在煤礦水文地質勘查中的應用[J].西部探礦工程，2019，31（3）：116-117，121.

[3]王益.瞬變電磁技術在探測紅三溝煤礦井田內老窯積水的應用研究[J].能源與環保，2019，41（7）：116-119.

[4]王桀.煤礦水文地質勘查中瞬變電磁法的應用[J].現代礦業，2020，36（2）：14-15，46.

[5]孫林.電阻率測深法在煤礦水害探測中的應用[J].中州煤炭，2016（12）：143-146.

[6]成學光，高鵬飛.瞬變電磁法在煤礦水文地質勘察中的應用[J].煤炭技術，2011，30（7）：124-126.