瞬變電磁法在礦井水文地質(zhì)探測(cè)中的應(yīng)用研究

周凱文

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦地質(zhì)測(cè)量部， 山西 大同 037017）

礦井開(kāi)采中的水文地質(zhì)災(zāi)害是引起煤礦安全事故的主要災(zāi)害之一，不僅影響煤礦的安全生產(chǎn)，還會(huì)給工作人員和社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)?yè)p害，再加上礦井水文地質(zhì)情形復(fù)雜，因水害造成的安全事故發(fā)生頻率相對(duì)比較高[1]。而礦井煤巷掘進(jìn)作為煤層開(kāi)采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，就必須事先對(duì)開(kāi)采掘進(jìn)工作面進(jìn)行地質(zhì)探查。一般在煤巷掘進(jìn)前方出現(xiàn)的含水現(xiàn)象包括陷落柱含水、斷層破碎帶含水、采空區(qū)含水和巖溶富水等。因此，在礦井水文地質(zhì)中，查明水源、水量以及涌水通道顯得尤為重要，這就需要借助于礦井探查手段，而瞬變電磁法因具有施工便捷、方向性強(qiáng)、對(duì)含水區(qū)域敏感以及探測(cè)距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[2]。礦井瞬變電磁法的基本原理是利用法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象，屬于物理探測(cè)方法，是將地面瞬變電磁法引入礦井測(cè)量，利用煤巷有限的空間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，電磁場(chǎng)是全空間響應(yīng)。接收線(xiàn)圈收到的信號(hào)來(lái)自于周?chē)臻g圍巖體的綜合反映[3]。本文主要采用瞬變電磁法對(duì)礦井巷道掘進(jìn)工作面進(jìn)行超前探測(cè)。

1 瞬變電磁法在礦井水文地質(zhì)探測(cè)中的應(yīng)用研究

通常，礦井煤層充水源頭主要來(lái)自于地表水、采空區(qū)積水、深部奧灰水以及頂板以上砂巖與灰?guī)r巖溶裂隙水，充水通道主要包括構(gòu)造斷層破碎帶、裂隙以及煤層開(kāi)采造成的頂板導(dǎo)水裂隙。現(xiàn)如今，老空突水已經(jīng)成為礦井的最大水害威脅，其次就是底板深灰水和頂板裂隙水，因此，一般采用瞬變電磁法進(jìn)行鉆孔布置超前探水作業(yè)[4]。

1.1 礦井裂隙水探測(cè)實(shí)例分析

礦井局部地段存在節(jié)理、頂板破碎以及斷層構(gòu)造發(fā)育，如果出現(xiàn)上覆巖含水現(xiàn)象，則裂隙含水并發(fā)育，此時(shí)，視電阻率等值線(xiàn)圖上呈現(xiàn)出等值線(xiàn)波動(dòng)幅度增大，且存在不連續(xù)、小范圍低阻異常區(qū)，區(qū)域視電阻率變化也比較大。

以某礦井下裂隙水探測(cè)為對(duì)象，探測(cè)區(qū)位于該礦軌道巷掘進(jìn)工作面，并從掘進(jìn)頭朝上50°開(kāi)始至朝下50°，以每10°的變化區(qū)間設(shè)置測(cè)線(xiàn)，共計(jì)11 個(gè)測(cè)線(xiàn)點(diǎn)，應(yīng)用瞬變電磁法探測(cè)掘進(jìn)頭前方以及頂?shù)装搴w情況，得到如圖1 所示的視電阻率等值線(xiàn)圖。

圖1 因斷層出現(xiàn)的視電阻率等值線(xiàn)圖

從圖1 可以看出，在探測(cè)前方100 m 以?xún)?nèi)，處于掘進(jìn)頭前方偏底板位置90 m 周?chē)嬖谛》秶妥璁惓^(qū)域，出現(xiàn)探測(cè)異常可能是因含水體的原因，并進(jìn)行驗(yàn)證，再打孔90 m 后出水，表明低阻異常確實(shí)是因裂隙水引起的。

1.2 老空區(qū)積水實(shí)例分析

采空區(qū)在充水的情形下，視電阻率等值線(xiàn)在較大范圍內(nèi)出現(xiàn)低電阻，且視電阻率具體大小和含水情況相關(guān)，同時(shí)，低阻異常連續(xù)性也較好；如若含水較大時(shí)，不容易穿過(guò)電磁波，呈現(xiàn)為等值線(xiàn)圖上深部全部是低阻異常。

以某礦采空區(qū)為對(duì)象，探測(cè)區(qū)位于該礦回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面，并從掘進(jìn)頭朝上50°開(kāi)始至朝下50°，以每10°的變化區(qū)間設(shè)置測(cè)線(xiàn)，共計(jì)11 個(gè)測(cè)線(xiàn)點(diǎn)，應(yīng)用瞬變電磁法探測(cè)掘進(jìn)頭左右?guī)鸵约扒胺胶w情況，得到下頁(yè)圖2 所示的視電阻率等值線(xiàn)圖。

從圖2 中可看出，位于探測(cè)前方90 m 以?xún)?nèi)，處于掘進(jìn)頭正前方48～90 m 范圍內(nèi)、右?guī)?0 m 之后，存在著較大的異常區(qū)范圍，此時(shí)，電阻率值較小，因此，可以推斷是富含水區(qū)域。并對(duì)此處探測(cè)位置進(jìn)行打鉆孔驗(yàn)證，在打正前方50 m 以及右側(cè)30°前方65 m 位置處均出水，表明驗(yàn)證準(zhǔn)確。

圖2 采空區(qū)出現(xiàn)積水時(shí)的視電阻率等值線(xiàn)圖

1.3 不充水陷落柱實(shí)例分析

一般情況下，陷落柱或大斷層在不充水的前提下，破碎比較嚴(yán)重，對(duì)比于周?chē)膸r石，導(dǎo)電性能也大大降低，呈現(xiàn)出高阻異常，因此，在視電阻率等值線(xiàn)圖上表現(xiàn)為紫紅色區(qū)域，且電阻率較大。

以某礦不充水陷落柱探測(cè)為對(duì)象，探測(cè)區(qū)位于該礦軌道巷掘進(jìn)工作面，并從掘進(jìn)頭朝上50°開(kāi)始至朝下50°，以每10°的變化區(qū)間設(shè)置測(cè)線(xiàn)，共計(jì)11個(gè)測(cè)線(xiàn)點(diǎn)，應(yīng)用瞬變電磁法探測(cè)左右?guī)鸵约扒胺较萋渲w情況，得到圖3 所示的視電阻率等值線(xiàn)圖。

圖3 不充水陷落柱的視電阻率等值線(xiàn)圖

從圖3 可以看出，在探測(cè)前方95 m范圍內(nèi)，不存在低阻異常區(qū)，并通過(guò)打鉆孔驗(yàn)證，探測(cè)位置確實(shí)無(wú)異常。

1.4 充水陷落柱實(shí)例分析

因巖石破碎比較嚴(yán)重，在充水的前提下，陷落柱或大斷層的導(dǎo)電性能相比于周?chē)鷰r石將有大幅提升，呈現(xiàn)出低阻異常，因此，在視電阻率等值線(xiàn)圖上表現(xiàn)為綠色或藍(lán)色區(qū)域，且電阻率比較小。

以某礦充水陷落柱探測(cè)為對(duì)象，探測(cè)位于該礦回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面，并從掘進(jìn)頭朝上50°開(kāi)始至朝下50°，以每10°的變化區(qū)間設(shè)置測(cè)線(xiàn)，共計(jì)11 個(gè)測(cè)線(xiàn)點(diǎn)，應(yīng)用瞬變電磁法探測(cè)前方以及左右?guī)秃w情況，得到圖4 所示的視電阻率等值線(xiàn)圖。

圖4 充水陷落柱的視電阻率等值線(xiàn)圖

從圖4 可以看出，在探測(cè)前方90 m 以?xún)?nèi)，出現(xiàn)一處異常區(qū)，處于掘進(jìn)頭正前方40～90 m 之間、左幫45 m 至右?guī)?0 m 之間，存在著較大的異常區(qū)范圍，且電阻率值較小，因此，可以推斷是富含水區(qū)域。并對(duì)此處探測(cè)位置進(jìn)行打鉆孔驗(yàn)證，在打正前方46 m 以及右側(cè)20°前方51 m 處位置均出水，探測(cè)驗(yàn)證是直徑20 m 的導(dǎo)水陷落柱，表明驗(yàn)證準(zhǔn)確。

2 結(jié)論

采用瞬變電磁法進(jìn)行了礦井巷道掘進(jìn)工作面的超前探測(cè)工作，并很好地應(yīng)用在礦井裂隙水、老空區(qū)積水、不充水陷落柱以及充水陷落柱等水文地質(zhì)中，實(shí)踐證明，應(yīng)用瞬變電磁法基本能夠準(zhǔn)確地將礦井掘進(jìn)前方真實(shí)存在的含水體探測(cè)出來(lái)，且探測(cè)準(zhǔn)確率高。