瞬变电磁法在防治矿井水害中的应用

陈继福，孙占成

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003；2.大同煤矿集团挖金湾煤业公司，山西大同 037003）

瞬变电磁法在防治矿井水害中的应用

陈继福1，孙占成2

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003；2.大同煤矿集团挖金湾煤业公司，山西大同 037003）

为查明某煤矿81019工作面顶、底板岩层的富水性，采用了瞬变电磁法对其进行勘查，通过此种物探方法的定量解释，预测了该工作面的富水情况，为防治矿井水害提供了科学依据。

瞬变电磁；矿井；富水性；应用

某矿井14＃煤层81019工作面位于井田西部、410盘区中部。北与81021工作面（尚未开采）相邻，东与××矿相邻，南邻81017工作面（现正在开采），西有盘区煤柱与大巷相连。14＃煤层顶板岩层为细砂岩、粉砂岩和砂质泥岩互层；底板为炭质泥岩。其上方是12＃煤层的采空区，两煤层的层间距为15～16m。工作面地质构造简单，巷道掘进过程中揭露2条正断层，落差均小于1m。

与该工作面对应的地表大都被黄土覆盖，在工作面的东部发育有一条沟谷，最大切割深度为20m，盖层厚度200m左右。

此次勘查的主要目的是：查明81019工作面顶、底板岩层的富水性，为防治矿井水害提供科学依据。

1 工作方法与技术

本次探测使用的仪器为国产YCS40-1型矿用瞬变电磁仪。由于受井下测量环境的限制，只能采用边长小于3m的多匝小线框，其测量点距控制在15m左右。

本次瞬变电磁（TEM）探测施工［1］主要是针对51019运输巷、21019回风巷及切眼范围内顶、底板岩层的富水性进行探测。根据多匝小回线发射电磁场的方向性，可认为线框平面的法线方向即为瞬变电磁探测方向。因此，将发射、接收线框平面分别对准煤层顶板、底板或平行煤层进行探测，便可反映煤层顶、底板岩层或平行煤层内部的地质异常，见图1。根据这个原理结合探测目的，对底板探测时将重叠回线装置平行于巷道底板，使线框平面的法线与底板垂直；对顶板进行探测时沿煤层将线框与底板倾斜一定的角度。

图1 探测方向示意

图2 TEM观测系统中测点的布置

表1 工作量表

2 数据解析及结果

2.1 数据组成结构

仪器采集的原始数据为电压对电流的对数值。将数据室内回放，原始数据打开后呈现如图3所示的两部分曲线，纵坐标表示某个测点的实测V/I值，从上到下依次为1～40道，0，E-1，……，E-6分别表示值为0，0.1，……，1000000，以对数方式显示，单位为“微伏/安培”；横坐标表示测点记录，即实际采集了多少个采样点；“x＝＊＊”表示第几个测点记录，“y＝＊＊”表示该测点的实测V/I值。下半部分的曲线为选中曲线测道显示，其中“X＝＊＊”为上半部分X表示的测点的测道显示。

根据剖面曲线可以分析测区电性的大致分布趋势，峰值越大表示该区域内岩层的导电性越好，视电阻率就越小，相对显示低阻异常。

经过相关计算可以得出每个测点的视电阻率值，结合地质及水文地质情况判断测区岩层的电性分布特点［2］。

图3 剖面曲线显示

2.2 结果分析及解释［3～6］

2.2.1 51019巷道顶板视电阻率等值线分布

图4 51019顶板电阻率等值线分布

从51019巷道顶板100m范围内视电阻率的大致分布情况来看（见图4），等值线的分布总体上近于平缓，说明顶板岩层的电性大致呈层状分布，但在60m～80m范围内出现陡然变化，推测可能为构造所致。

2.2.2 51019巷道探测结果剖面分析

图5 TEM顶板视电阻率拟断面图

图5是本次探测的51019巷道顶板的视电阻率拟断面图与对应的色标。图中不同的颜色表示不同的视电阻值，并呈从冷色调到暖色调升高的规律分布。因此填充了不同颜色的该断面图可以更直观地判断探测区域顶板岩层电阻率的分布情况。

一般情况下，在相同条件下岩石的电阻率不会发生变化。但如果岩石出现裂隙或者充水，岩石的电阻率就会发生大的变化。从图5中可以看出，在220～460m范围内，纵向深度在50～85m的区段内，断面图中显示为蓝色区域，代表了视电阻率的低阻异常，结合地质条件分析，为采空区相对富水区段。

图6 21019顶板视电阻率拟断面图

2.2.3 21019巷道顶板视电阻率断面分析

图7 21019顶板视电阻率等值线分布

根据21019巷道顶板的视电阻率等值线分布情况，见图7。将该等值线填充和图5一致的色标后，显示结果如图8。从探测结果上分析，可依据阻值为1及以下的原则，将断面划分为两个异常区。

图8 21019顶板视电阻率拟断面图

2.2.4 双巷联合异常分析

根据对51019巷道与21019巷道联合分析突出异常的结果，见图9。推断整个工作面顶板岩层一定深度范围的电性分布情况。在数据处理时，选择21019巷道由内切眼朝外切眼延伸的方向为空间直角坐标系的X轴的正方向；内切眼朝51019巷道延伸的方向为Y轴的正方向，以此建立空间相对坐标。探测区段21019巷道的坐标为（0，390），51019巷道探测区段坐标为（170，465）。

图9 双巷联合反演结果

在此坐标系下，将两条巷道与坐标对应的相同深度的电阻率属性值提取出来进行作图，其结果可以反映工作面顶板垂直方向上不同深度的电性分布情况。按照此方法，提取了顶板上方30m，40m，50m上分布的电阻率，切片结果见图10。

图10 工作面顶板不同深度的垂直切片

3 结论及建议

3.1 探测结论与分析

本次探测可得出如下结论：

1）在探测区段的X坐标轴上，（0，0）～（100，0）（即21019巷道由内切眼向外切眼延伸100m）区段，视电阻率出现低阻异常；同时，（0，170）～（100，170）（即51019巷道由切眼向外切眼延伸100m）探测区段的视电阻率也出现相同的变化趋势。结合所收集的地质资料，推测该区段为构造影响区段，并且该构造可能延伸至整个工作面；

2）在探测区段的X坐标轴上，（100，0）～（220，0）及（100，170）～（220，170）区段视电阻率呈现升高的趋势，较前区段高，推测该区段相对富水性不强；

3）在探测区段的X坐标轴上，（200，0）～（390，0）区段及（200，170）～（465，170）区段视电阻率明显偏低，结合地质资料推测该区段富水性较强，为相对富水区域。

3.2 建议

依据上述探测推论，建议针对性地采取措施，见表2。

表2 针对区段建议

4 结语

物探技术的应用为防治矿井水害提供了便捷、有效的技术手段，但是，瞬变电磁法和其它物探技术一样，有其适应性。在实际探测中，要善于探索总结。与此同时，对于探测资料的解析也至关重要，这就要求有关技术人员具有较高的专业技术水平和丰富的实践经验，力求判析结果准确、可靠，以取得更好的安全效益和经济效益。

［1］于景顿.矿井瞬变电磁法勘探［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2007.

［2］刘树才，岳建华，刘志新.煤矿水文物探技术与应用［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2005.

［3］孔德山，程久龙，朱若军，等.利用矿井瞬变电磁法探测工作面顶板岩层含水性的研究［J］.矿业安全与环境，2010，37（3）：31-33.

［4］温建亮.瞬变电磁法勘探在煤层采空积水区的应用［J］.中国煤炭地质，2010，22（5）：67-69.

［5］宋晓洪.瞬变电磁物探在Ⅱ617工作面水害防治中的应用［J］.采矿技术，2009，9（1）：80-81.

［6］李松峰，陈余道，李永军.瞬变电磁法在矿井底板富水性探测中的应用［J］.华北科技学院学报，2010，7（1）：19-21.

〔编辑 石白云〕

The Application of Transient Electromagnetic Method in Preventingmine Shaft Flooding

CHEN Ji-fu1，SUN Zhan-cheng2
（1.School of Coal Engineering，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037003；2.Wajinwan Coalmining Company，Datong Coalmines Group，Datong Shanxi，037003）

To find out how much water content exists in the ceiling and floor rocks of the No.81019 working face，the transient electromagnetic method was applied，which offers a quantitative measurement to predict the water content and provides a scientific basis for preventing water disasters.

transient electromagnetic；mine shaft；water content；application

TD713＋.3

A

1674-0874（2011）03-0072-05

2011-02-23

陈继福（1965-），男，山西朔州人，硕士，副教授，研究方向：矿山地质。