基于權重理論的瞬變電磁數據處理研究

呂 揚，包 函，王 路，蔣 超，王嗣桐

（1.陜西陜煤曹家灘礦業有限公司，陜西 榆林 719000；2.中國礦業大學（北京） 國家煤礦水害防治工程技術研究中心，北京 100083）

0 引 言

近年來，采空區積水進入礦井造成淹井的事故時有發生，采空區積水是造成煤礦水害的重大隱患之一，如山西省忻州市代縣大紅才礦突水事故的直接原因便是雨水與未完全治理的采空區積水匯聚，使采空區的積水量增加，水壓增大，突破了薄弱的巖層，導致突水事故的發生。而我國西部高強度開采礦區地表生態脆弱，井下生產面臨的水害威脅也較大。只有探明各種潛在的水害，并采取必要的防治措施，才能有備無患，保證煤礦的安全生產。

瞬變電磁法在探查地下水、采空區積水、巷道積水、一些隱蔽的導水通道等水害威脅時能得到較為準確的探查結果。瞬變電磁法因其高效性，是煤礦水害探查中的一種主要方法，應用范圍也非常廣泛[1-3]。眾多學者采用瞬變電磁技術對可能存在的水患點進行探測，圈出了可疑位置[4-9]。邢楷[10]利用瞬變電磁法探測出了趙莊二號井F91 斷層的富水情況，并對斷層的走勢進行了預測，為2103 工作面的安全掘進提供了指導意見。瞬變電磁法在巖溶水的探測中也有較多的應用，并取得了較好的效果[11-12]。鐘聲[13]利用地面與井下瞬變電磁法相結合的方法對魚卡煤田的富水區域進行探測，先用地面瞬變電磁法對富水區域進行圈定，再針對圈定的富水區域采用井下瞬變電磁法進行二次查驗，為下一步的抽排水工作的進行提供了指導意見。張振勇[14]采用包括瞬變電磁法在內的綜合電法，對老空水進行探查，取得了良好得效果，并發現只要通過設備及技術參數的調節，排除外界的各種干擾，不同方法可以相互印證，再次說明了瞬變電磁法無論使在探查大面積的采空區積水還是小范圍的巷道積水都具備一定可靠性。但因物探資料具有多解性，研究時往往是通過鉆探或其他手段與之配合，花費較大。

本文對曹家灘煤礦122109 工作面采空區及采空區導水裂縫帶區域的富水性進行研究，結合工作面以往施工情況和水文地質條件進行綜合研判，采用富水性指數法對122109 工作面頂板富水性進行劃分，結合富水性評價結果對瞬變電磁數據不同處理方法進行權重，提高瞬變電磁的準確性。

1 概 況

曹家灘煤礦位于陜西省榆林市榆陽區，122109工作面位于曹家灘煤礦12 盤區西翼，工作面設計長度6 004 m，寬度260 m，采用綜放開采，工作面具體位置如圖1 所示。目前主采層為2-2 煤層，主要的充水含水層為直羅組砂巖含水層及延安組煤層頂板砂巖含水層。煤層頂板含水層是直接充水含水層；風化基巖帶、第四系松散含水層以及大氣降水、地表水體等對煤層開采的影響程度主要取決于煤層開采后形成的導水裂縫帶的高度。122109 工作面已完成開采任務，現開采122109 工作面北面122107 工作面，但122109 工作面采空區積水情況不明，因此為了保障煤礦安全生產，需要探明陜西曹家灘煤礦122109 工作面采空區的積水情況。

圖1 122109 工作面位置Fig.1 The location of No.122109 face

2 數據采集與分析

2.1 富水性分區

將曹家灘礦區內的70 個鉆孔數據進行整理，篩選出含水層厚度、單位涌水量、滲透系數、巖芯采取率和脆塑巖厚度比5 個參數。根據主控因素與富水性的相關性繪制歸一化后的專題圖，其中，含水層厚度、單位涌水量、滲透系數和脆塑性巖度比與富水性呈正相關，采用極大值法；巖心采取率與富水性呈負相關，采用極小值法。再根據邁實在AHP 軟件通過專家打分的方式賦予的權重，結果見表1；繪制富水性分區圖，如圖2 所示。

表1 煤層頂板富水性主要因素權重Table 1 The weight of main factors of coal seam roof water abundance

圖2 富水性評價圖Fig.2 The diagram of water abundance evaluation

2.2 瞬變電磁布置與處理

在122109 工作面輔運順槽5 000 m，外回風順槽1 000 m，布置探測測點602 個，測點間距為10 m，如圖3 所示。每個測點設計4 個探測方向，分別為0、向上30°、向上60°和向上90°方向，其中0°測線的探測方向朝向122109 工作面采空區，30°、60°和90°三條測線朝向122109 工作面采空區冒落帶和導水裂縫帶，如圖4 所示。

圖3 瞬變電磁觀測點平面布置示意Fig.3 Plane of transient electromagnetic observation points layout

圖4 瞬變電磁勘探測線布置示意Fig.4 Transient electromagnetic exploration line layout

采用YCS2000A 礦用瞬變電磁儀，探查時發射頻率6.25 Hz，發射電流≤4.5 A，發射電壓≤6.5 V，疊加次數為10 000 次，探測距離大于10 m，不小于140 m。設備自動進行數據采集，共探測602 組數據。采用系數校正法和核函數算法計算電阻率，再通過AHP 軟件根據上文富水性評價結果將兩組圖進行權重疊加處理，繪制了122109 工作面輔運順槽及外回風順槽分別在0、30°、60°和90°方向的電阻率斷面圖，如圖5～圖9 所示，并在圖上初步圈定了32 個異常位置。

圖5 122109 工作面輔運順槽0 方向電阻率斷面圖Fig.5 The resistivity section diagram of auxiliary transportation roadway in 0direction of No.122109 face

圖6 122109 工作面輔運順槽向上30°方向電阻率斷面圖Fig.6 The resistivity section diagram of auxiliary transportation roadway in up 30°direction of No.122109 face

圖9 122109 工作面外回風順槽電阻率斷面圖Fig.9 The resistivity section diagram of outer return air roadway in No.122109 face

將不同角度的視電阻率斷面圖進行投影，繪制出積水空間的投影平面圖，劃分出6 個異常區，如圖10 所示。

圖10 122109 工作面積水空間投影平面圖Fig.10 The projection plane of accumulated water space in No.122109 face

3 成果解釋

不同角度的視電阻率斷面圖投影后，32 個異常點在6 個異常區有較大的重合，具體位置見表2。

表2 異常區情況Table 2 Abnormal area situation

3.1 異常區1

YC1、YC8、YC9、YC14 和YC21 由下而上組成異常條帶為異常區1，位于輔運順槽0～500 m。根據視電阻率值，異常區1 表現為相對低阻特征，分析認為此區域為相對弱含水區，頂板存在富水性，推斷此區域采空區存在一定范圍的積水。在此區域頂板存在導水裂隙帶，分析認為異常區1 是由于潮濕和部分區域存在積水引起。異常區1 是由于潮濕和部分區域存在積水引起，對積水面積和積水量不做預測

3.2 異常區2

YC2、YC3、YC4、YC10、YC15、YC16 和YC22 由下而上組成異常條帶為異常區2，位于輔運順槽900～2 200 m。根據視電阻率值，分析認為此區域為中等含水區，結合此區域導水裂隙發育明顯，積水范圍較大，頂板富水性較強，水源補給強烈，分析認為異常區2 是由于采空區積水引起。推斷此區域采空區積水面積約為36 063 m2，積水量約為18 392 m3。

3.3 異常區3

YC5、 YC6、 YC11、 YC12、 YC17、 YC18、YC19、YC23 和YC24 由下而上組成異常條帶為異常區3，位于輔運順槽2 400～3 600 m。根據視電阻率值，分析認為此區域為相對強含水區，采空區存在大范圍積水，成果圖中異常區向工作面內延展較深，證明導水裂隙發育明顯，頂板富水性強烈，有較強的水源補給。推斷此區域采空區積水面積約為60 915 m2，積水量約為40 203 m3。

3.4 異常區4

YC7、YC13、YC20 和YC25 由下而上組成異常條帶為異常區4，位于輔運順槽4 100～5 000 m。根據視電阻率值，分析認為此區域為相對強含水區，頂板裂隙發育明顯，分析認為異常區4 是由于采空區積水引起。由于是在不同巷道探測，通過綜合分析異常區4 和異常區6 積水空間可能存在一定聯系。故只預測了異常區6 的采空區積水面積及積水量，在此區域不做重復計算。

3.5 異常區5

YC26、YC28、YC30 和YC32 由下而上組成異常條帶為異常區5，位于外回風順槽0～250 m。根據視電阻率值，分析認為此區域為相對強含水區，有導水裂隙發育，頂板富水性較強，采空區積水主要堆積在主運順槽，范圍較大，推斷此區域采空區積水面積約為26 035 m2，積水量約為18 141 m3。

3.6 異常區6

YC27、YC29、YC31 和YC32 由下而上組成異常條帶為異常區6，位于外回風順槽400～1 000 m，根據視電阻率值，分析認為此區域為相對強含水區，積水范圍較大，頂板富水性強，導水裂隙向頂板延伸較深，導水通道發育明顯，異常區6 和異常區4 采空區積水存在一定聯系，推斷此區域采空區積水面積約為26 035 m2，積水量約為11 715 m3。

4 結 論

（1） 利用現有的鉆孔數據采用富水性指數法得到了曹家灘煤礦122109 工作面頂板富水性分區圖圈定了頂板的富水區域。

（2） 根據瞬變電磁法數據采用兩種方法并參考富水性分區圖，對不同方法賦予不同權重得到的電阻率斷面圖，分析圈定了32 個異常位置，再將相同位置不同角度的電阻率斷面圖進行投影，繪制了122109 工作面積水空間投影平面圖，根據重疊區域確定了6 個異常區域。

（3） 對主要積水區域的面積及積水量進行了預測，為后續采空區的抽排水工作提供了科學指導。在后續實際的抽放水過程中，水量與預測量大致相同，驗證了方法的準確性。