華陽二礦采空區積水瞬變電磁探測技術分析

李駿

（山西華陽集團新能股份有限公司二礦，山西 陽泉 045008）

0 引 言

多煤層可采礦井通常的采煤作業順序是先采上部的可采煤層，后采下部的可采煤層，這種采煤作業方式存在一定的弊端，即當上部煤層開采結束之后，其采空區范圍內如若地勢相對低洼，就會充水，當下部煤層開采時，就存在頂水作業的問題，當下部煤層開采形成的導水裂隙帶或斷層等導水構造導通上部的采空區積水時，就會造成嚴重的透水事故，給礦井的安全生產和礦工的人身安全造成嚴重威脅。為了消除這種威脅，常用的防治手段是進行鉆探探放水，有時為了鉆探更加具有準確性，也會首先采用電法物理勘探的技術手段對采空區的充水可能性和充水范圍進行分析，做到有針對性的探放水。目前常用于探查采空區充水性的電法物理勘探技術手段主要包括直流電法、音頻電法、高密度電法、并行電法和電測深法等，這些電法勘探的主要技術原理都是在頂板上打上電極，然后進行測試，并且需要多個人員的相互配合，工程量大。為了有效探測頂板采空區充水范圍，華陽二礦21501工作面運用瞬變電磁勘探方法對煤層頂板的采空區積水范圍進行了探查，探查結果與實際情況吻合，表明了瞬變電磁勘探方法的有效性。

1 工作面概況

華陽二礦21501 工作面開采8 號煤，厚度為2.5～4.45 m，平均3.9 m，傾角2°～12°，平均6°，局部增大至15°以上，21501 工作面位于礦井470 水平8 號煤15 采區，工作面標高+421—+545 m，走向長1 722 m，傾斜長200.7 m，面積345 605 m2，地表位于長吉嶺村以北、曹梁村以東，土垴山一帶，地形溝谷縱橫；地面標高為+880—+1 077 m，埋藏深度370～650 m，從地形圖和井上下對照圖上觀察，對應地面無建筑物和河流。21501 工作面北部為8 號煤13 采區邊界，西部為井田邊界，東部為8 號煤15 采區準備巷，南部為尚未掘進的21502 工作面；21501 工作面西部上部為鴻泰煤礦3 號煤3206、3204、3202 工作面采空區；東部上部為3 號煤15 采區準備巷及15 采區局部采空區。工作面頂底板巖層如圖1 所示。

圖1 21501 工作面煤層頂底板巖性綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam roof and floor lithology in No.21051 face

2 采空區充水探查技術研究

2.1 充水條件分析

21501 工作面主采8 號煤層，其上部為鴻泰煤礦3 號煤3206、3204、3202 工作面采空區，3 號煤層與8 號煤層之間的間距平均為46 m，略大于計算得到的導水裂隙帶高度43.8 m，由于3 號煤的3206、3204、3202 工作面采空區部分地段地勢低洼，可能存在積水，當8 號煤層的21501 工作面開采形成的導水裂隙帶導通上覆采空區時，有可能會造成突水事故，威脅工作面的安全生產和職工的生命健康安全。

2.2 瞬變電磁探測技術原理

瞬變電磁探測技術主要是通過發射和接受電磁感應信號，分析電磁感應信號的變化，進而判斷探測空間中的電阻率變化特征。煤系地層中各個巖層的形成條件、物質成分、沉積物顆粒大小等不同，造成巖石具有不同的電阻率特性，并且采空區的塌陷和壓實程度以及相對低洼處的含水性程度等有所差異，也會引起巖層的電阻率特性發生變化。瞬變電磁探測通過識別低阻異常區進而判別老空區充水性特征。

通常情況下，電磁場的產生主要有兩種技術手段，一是通過運用回形線圈通電發射電磁波產生磁源；另一種是將接地電極固定于所要探測的地點，將接地線圈供電產生電流源，通過供電與停電產生磁源，進行探測。由于回形線圈探測方法設備集中程度高，操作簡單，此次探測選用回形線圈探測方法，如圖2 所示。

圖2 YCS360A瞬變電磁儀片Fig.2 No.YCS360A transient electromagnetic instrument

2.3 探測實施過程

根據21051 工作面和上覆3 號煤層3206、3204、3202 采煤工作面的相對位置關系和巖性、充水等條件，選用多匝重疊回線裝置（圖3），發射線框和接收線框均為1.8 m×1.8 m 矩形回線，發射頻率為5 Hz。

圖3 瞬變電磁重疊回線裝置方式示意圖Fig.3 The diagram of transient electromagnetic overlapping loop device

依據物探目的，利用瞬變電磁技術在21051 工作面上順槽通尺1 050～1 230 m 段（3 號煤層3206、3204、3202 工作面下部） 每隔10 m 布置1個測點進行探測，探測位置布置如圖4 所示。

圖4 探測范圍Fig.4 Detection range

探測方向分別朝內幫仰角60° （α=60°，α為探測方向與水平方向夾角，以水平向上為正，如圖5 所示）、頂板仰角90°（α=90°）、外幫仰角60°（α=60°） 3 個方向進行掃描探測。通過多條測線物探結果的縱深和平面特征綜合分析，判斷工作面頂板巖層的賦水性，圈出相對富水區的位置和范圍等。

圖5 瞬變電磁探測方向示意圖Fig.5 Transient electromagnetic detection direction

2.4 探測結果分析

此次21051 工作面上覆采空區瞬變電磁勘探成果資料處理和解釋工作采用儀器配套的瞬變電磁處理軟件并結合水文地質資料、物探經驗等完成。

資料處理按照如下步驟進行：①對每個探測方向采集的原始數據進行編輯、整理，剔除錯誤和多余的數據；②利用專業軟件對每個探測剖面的數據進行處理，按順序通過多種校正、轉換，再經過正、反演計算，形成繪圖數據文件；③最后用專業繪圖軟件進行處理，形成瞬變電磁勘探視電阻率斷面圖。最后成果如圖6～圖8 所示。

圖6 頂板仰角90°視電阻率探測結果Fig.6 Apparent resistivity detection results of elevation angle 90°in roof

圖8 頂板外幫仰角60°視電阻率探測結果Fig.8 Apparent resistivity detection results of elevation angle 60°in roof external side

視電阻率探測成果圖（圖7～圖9） 中等值線值為視電阻率值。視電阻率值越小，表示巖層可能越為破碎、裂隙發育或采空區賦水性相對越強，視電阻率值越高，主要表示頂板采空區中存在不含水切未被壓實的裂隙發育區。

圖7 頂板內幫仰角60°視電阻率探測結果Fig.7 Apparent resistivity detection results of elevation angle 60°in roof internal side

此次探測資料分析解釋時，以視電阻率值小于10 Ω·m 作為相對低阻異常區界限，以視電阻率值大于100 Ω·m 作為相對高阻異常區的界限，即可以認為視電阻率值小于10 Ω·m 的低阻區作為采空區的充水區域，將視電阻率值大于100 Ω·m 的高阻區作為采空區的未被壓實的區域。

根據上述標準，在21051 工作面上順槽外邦仰角60°處存在低阻異常區（編號S5-1），具體位置為橫向上位于21051 工作面上順槽通尺1 109～1 140 m，縱向上位于21051 工作面上順槽上幫21～46 m，垂向上位于21051 工作面煤層頂板上方40～48 m 范圍內。

3 鉆探驗證與疏放

為保證21051 工作面安全生產，根據瞬變電磁探測結果，結合工作面實際情況，在上順槽通尺1 080 m 處布置鉆場，安設鉆機，對S5-1 低阻異常區進行鉆探探查，共設計了3 個鉆孔，如圖9所示。

圖9 鉆孔布置平面圖Fig.9 Drilling hole layout plane

合計鉆探進尺165 m，共計疏放水量為27 821 m3，鉆孔探放水見表1。通過鉆孔疏放3 號煤層采空區的積水，最終水量均小于1 m3/h，認為已經達到了疏放干凈的標準，通過鉆孔驗證，證明此次瞬變電磁探測結果準確，疏放效果明顯，保證了21051 工作面的安全開采。

表1 異常區鉆孔參數及疏放水成果Table 1 Drilling hole parameters and drainage results in abnormal area

4 結 語

通過分析華陽二礦21051 工作面與上覆3 號煤層3206、3204、3202 工作面采空區的位置關系，結合瞬變電磁儀探測的特點，對21051 工作面上覆采空區進行探查，在上順槽探測出橫向上通尺1 109～1 140 m，縱向上上幫21～46 m，垂向上煤層頂板上方40～48 m 存在低阻異常區，認為可能為采空區充水所致。經過在上順槽通尺1 180 m 處施工頂板探查鉆孔，累計疏放出27 821 m3采空區積水，確保了工作面的安全回采，驗證了瞬變電磁探測的準確性。