地面瞬變電磁法在采區(qū)積水勘探中的應用

杜云杰

（山西凌志達煤業(yè)有限公司 山西 長治 046600）

0 引言

礦井水患是影響工作面安全生產(chǎn)、人員和設備安全的重要因素之一[1-2]。及時準確地查明積水位置、范圍和積水情況，可為礦井制定有效的防治水措施提供重要數(shù)據(jù)支撐[3]。目前，礦井積水勘探方法主要有地質(zhì)推斷法、鉆孔勘探法、直流電法、音頻電透法和瞬變電磁法等[4]，而瞬變電磁法憑借高效、高精度和數(shù)據(jù)豐富全面等優(yōu)點，在國內(nèi)礦井積水勘探方面得以廣泛應用。劉洋利用瞬變電磁法查明了煤峪口礦307盤區(qū)內(nèi)采空區(qū)積水區(qū)的位置、數(shù)量和范圍，并對積水量進行了估計[5]。基于瞬變電磁法勘探數(shù)據(jù)和結(jié)果，方剛和高波對巴拉素井田內(nèi)已采區(qū)段煤層頂板含水層特征及水力聯(lián)系進行了分析[6]。朱媛基于對正旺煤業(yè)采區(qū)瞬變電磁法勘探結(jié)果的分析，對10#和11#煤附近水體進行了超前預測[7]。上述研究和工程實踐極大推動了瞬變電磁法在礦井積水勘探中的應用和發(fā)展。本文基于上述研究成果，采用地面瞬變電磁法對凌志達煤業(yè)有限公司五采區(qū)南部積水情況進行勘探，以期為該采區(qū)制定有效的防治水措施提供有力的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

凌志達礦位于山西省長子縣，主采3#煤和15#煤，其中3#煤已于2013年5月回采完畢。15#煤層位于太原組下部，上距3#煤底板92.10 m～138.69 m，平均108.94 m，煤層厚0.76 m～7.20 m，平均4.03 m，屬穩(wěn)定全區(qū)可采煤層。煤層直接頂為泥巖或K2石灰?guī)r，老頂為K2灰?guī)r，底板為泥巖、鋁質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、黃鐵礦泥巖，局部為炭質(zhì)泥巖。五采區(qū)位于井田西南部，北鄰15102運輸順槽，東鄰二采區(qū)南翼，南接申家莊煤業(yè)、望云煤業(yè)井田邊界，西鄰莊頭斷層保安煤柱。東西長約2.7㎞，南北寬約1.4㎞，面積約4.02 km2，采用單翼傾斜長壁開采。勘查區(qū)位置如圖1所示。

圖1 勘查區(qū)位置圖

2 水文地質(zhì)條件及潛在水害分析

礦區(qū)充水水源主要包括：大氣降水和地表水、地下水和老空水。長子縣地區(qū)1965年以來年降水量為349.9 mm~1 056.4 mm，平均年降水量為558.6 mm，降水量主要集中在每年夏季。大氣降水是地下水的主要補給來源，也是礦井水的主要補給來源[2]。但由于五采區(qū)地表無河流、湖泊等地表水體，且15#煤蓋山厚度為246.3 m～376 m，平均271.6 m，15#煤冒落帶最大高度32.55 m，導水裂隙帶最大高度為171.20 m。導水裂縫帶不會發(fā)育至地表，故大氣降水和地表水不會直接構(gòu)成15#煤層的充水水源。

地下水是礦井涌水最直接、最常見的主要充水水源[1,5]。煤層開采后，煤層頂?shù)装迨苡绊懙暮畬拥叵滤畬ΦV井充水[3]。五采區(qū)有影響的主要有石炭系砂巖和灰?guī)r巖溶裂隙含水層、奧陶系巖溶裂隙含水層。其中石炭系砂巖和灰?guī)r巖溶裂隙含水層主要指15#煤頂板K2灰?guī)r巖溶裂隙水及其上部砂巖裂隙水和灰?guī)r巖溶裂隙水，該含水層富水性具有不均勻特點，局部富水性強，該含水層為15#煤開采充水主要含水層，根據(jù)15#煤層開采經(jīng)驗，預計五采區(qū)開采過程中，局部涌水量較大，只要礦井排水系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，15#煤層上覆含水層水不會威脅煤層開采。區(qū)內(nèi)奧灰?guī)r溶水的水位標高在+638 m～+640 m之間，五采區(qū)煤層底板標高在+745 m～+845 m之間，遠高于井田奧灰水位，故不存在奧灰水帶壓開采問題，奧灰水對五采區(qū)開拓開采無影響。

3 瞬變電磁法基本原理及野外勘探方法

3.1 瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法（TEM）是指利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的空間和時間分布的時間域電磁法[4-6]。如圖2所示，地下渦旋電流任一時刻在地表產(chǎn)生的磁場均可等效為一個水平環(huán)形渦流場，且該等效電流環(huán)向下和外擴散具有煙圈特征，故將這一過程稱為“煙圈效應”[2,7]。由此可見，早期瞬變電磁場由近地表感應電流產(chǎn)生，反映淺部電性分布；晚期瞬變電磁場由深部感應電流產(chǎn)生，反映深部電性分布。因此，通過對瞬變電磁場隨時間變化規(guī)律的觀測和研究，可探測大地電位的垂向變化[2-5]。

圖2 煙圈效應基本原理

3.2 野外勘探方法

本次選用TEM-6強源瞬變電磁儀，通過現(xiàn)場試驗確定了本次地面瞬變電磁勘探合理設計參數(shù)如表1所示。按“由南向北、由西向東”的順序?qū)y線、測點統(tǒng)一布置，測線號從南到北由小到大編設，測點號從西到東由小到大編設，線距40 m，點距20 m，勘查區(qū)面積1.53 km2，共布置測線18條，試驗點2個，試驗線1條，完成1977個物理點，每個測點進行了自評和復評。本次瞬變電磁共重新布置發(fā)射框施工檢查點60個，占全區(qū)觀測物理點總數(shù)的3.1%，有位總均方相對誤差為7.1%（<10%）。符合《地面磁性源瞬變電磁法技術規(guī)程》(DZ/T0187—2016)規(guī)程要求的質(zhì)量驗收標準，全區(qū)工作質(zhì)量合格，合格率100%，物探完成工作量見表2。

表1 地面瞬變電磁勘探合理設計參數(shù)

表2 物探完成工作量統(tǒng)計表

4 數(shù)據(jù)處理與分析

由于不同巖石具有不同的電性特征，且煤層視電阻率值高于巖層，而采空區(qū)視電阻率值又遠高于煤層和巖層，電性差異明顯，表現(xiàn)為高阻異常；當采空區(qū)積水時，其視電阻值因水的存在而明顯降低，與煤層和巖層電性差異明顯，表現(xiàn)為低阻異常[5-7]。故采空區(qū)及采空積水區(qū)在探測資料具有以下特征：（1）采空區(qū)視電阻率平面圖上表現(xiàn)為“高電阻異常”；（2）采空區(qū)充水較多時在視電阻率平面圖上表現(xiàn)為“低電阻異常”。瞬變電磁的平面圖以目的層順層等視電阻率平面圖為主，順層等視電阻率平面圖是通過順煤層視電阻率值的變化規(guī)律來反映全勘查區(qū)地質(zhì)變化規(guī)律，不同的深度反映了不同的地質(zhì)變化規(guī)律，是推斷解釋的重要圖件之一。

4.1 3#煤順層探測結(jié)果與分析

圖3 為3#煤順層視電阻率平面圖，圖中藍色區(qū)域為低阻區(qū)，棕紅色區(qū)域為高阻區(qū)。由圖3可知，視電阻率等值線數(shù)值整體上差異較小，變化范圍為79 Ω·m~143 Ω·m，將視電阻率值為85 Ω·m~92 Ω·m視為低阻異常（圖3處紅線圈定區(qū)域）為采空區(qū)富水異常。其中，Ⅰ號低阻異常區(qū)位于測區(qū)西南部1~2測線25#~27#測點處（面積約2 800 m2），該異常處于煤礦工作面開采的底板相對低處，結(jié)合地質(zhì)資料分析該處異常為3#煤采空積水異常區(qū)。Ⅱ號低阻異常區(qū)位于測區(qū)東南部1~5測線98#~109#測點處（面積約38 360 m2），該異常處于與煤礦工作面（已回采）相吻合且位于煤層底板相對較低處，結(jié)合地質(zhì)資料分析該處異常為3#煤層采空積水異常區(qū)。

圖3 3#煤順層視電阻率等值線平面圖

4.2 K4含水層順層探測結(jié)果與分析

由礦井水文地質(zhì)資料知，K4含水層與15#煤間的平均層間距為58 m，含水層裂隙發(fā)育程度差。圖4為K4含水層順層視電阻率等值線平面圖，圖中藍色區(qū)域為低阻區(qū)，棕紅色區(qū)域為高阻區(qū)。由圖4可知，K4含水層順層視電阻率等值線數(shù)值變化范圍為86 Ω·m~163 Ω·m，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計分析阻值為86 Ω·m~112 Ω·m低阻異常（圖中黑線圈定）為富水異常，共圈定5處，依次為：K4-1異常位于測區(qū)西北部（面積約7 770 m2），K4-2異常位于測區(qū)西中部（面積約22 670 m2），K4-3異常位于測區(qū)西南部（面積約31 860 m2），K4-4異常位于測區(qū)中南部（面積約19 900 m2），K4-5異常位于測區(qū)東部（面積約242 270 m2），由于視電阻率整體差值較小，結(jié)合地質(zhì)資料推斷該含水層整體富水性較弱，局部地段受構(gòu)造影響富水性相對較強。

圖4 K4含水層順層視電阻率等值線平面圖

4.3 15#煤（K2含水層）順層探測結(jié)果與分析

由于15#煤和K2含水層平均間距為1.34 m，瞬變電磁法無法區(qū)分，故將二者合為一個順層分析富水性，根據(jù)地質(zhì)資料可知該含水層裂隙發(fā)育程度差。圖5為15#煤（K2含水層）順層視電阻率平面圖，圖中藍色區(qū)域為低阻區(qū)，棕紅色區(qū)域為高阻區(qū)。由圖5可知，15#煤（K2含水層）順層視電阻率等值線數(shù)值變化范圍為91 Ω·m~179 Ω·m，視電阻率值整體變化較小，推斷15#煤不存在采空積水區(qū)；根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計分析阻值在91 Ω·m~119 Ω·m的低阻異常（圖中黑線圈定）為富水異常，共圈定6處，依次為：K2-1異常位于測區(qū)西北部（面積約19 950 m2），K2-2異常位于測區(qū)西中部（面積約18 890 m2），K2-3異常位于測區(qū)西中部（面積約5 070 m2），K2-4異常位于測區(qū)西南部（面積約39 990 m2），K2-5異常位于測區(qū)中東部（面積約26 300 m2），K2-6異常位于測區(qū)東部（面積約302 790 m2），由于視電阻率整體差值較小，結(jié)合地質(zhì)資料推斷該含水層整體富水性較弱，局部地段受構(gòu)造影響富水性相對較強。

圖5 15#煤（K2含水層）順層視電阻率等值線平面圖

4.4 建議

本次地面電法勘探的分析解釋均為靜態(tài)和定性解釋，隨著礦井開采會使局部地段的地質(zhì)情況發(fā)生變化，水文地質(zhì)條件也隨之發(fā)生改變，必須考慮到頂板冒落、底板破碎等擴大原有的裂隙通道或增加新的導水通道的可能性；富水性較弱的垂向裂隙等構(gòu)造電法異常反應不明顯，但采掘活動可能使其具備良好的導水特性。因此，為保證井下采煤生產(chǎn)的安全，還需采取以下措施：

（1）掘進15#煤巷道時應進行井下超前探測和鉆探工作，對3#煤解釋的采空積水區(qū)，提前加密鉆探驗證排放；

（2）回采過程中可能由于15#煤底板應力變化導致斷層和陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造形成大的導水通道，建議留設保護煤柱；

（3）加強采掘前的礦井防治水工作，嚴格按照“預測預報，有掘必探，先探后掘，先治后采”的原則全面開展井下超前探測，隨時觀察記錄水文地質(zhì)條件變化情況，以便實施針對性更強和更有效的防治水技術措施。

5 結(jié)語

（1）對水文地質(zhì)條件及潛在水害分析表明：五采區(qū)充水水源主要有大氣降水和地表水、地下水和老空水，而大氣降水和地表水、地下水對五采區(qū)開拓開采無影響。

（2）五采區(qū)地面瞬變電磁法探測結(jié)果共圈定3#煤采空積水異常區(qū)有2處，15#煤上覆K4含水層富水異常區(qū)域5處，15#煤（K2含水層）層富水異常區(qū)域6處。

（3）基于地面瞬變電磁法探測結(jié)果和礦井實際生產(chǎn)地質(zhì)資料，給出了15#掘進和回采時的防治水措施。