瞬变电磁法在石壕矿水文地质勘探中的应用

张文涛

（河南能源化工集团义煤公司 石壕煤矿，河南 渑池 472431）

我国快速发展的经济增加了对煤炭的需求，为了实现矿井安全生产，必须解决水害对矿井的威胁，而解决水害威胁的首要问题是摸清采区内的水文地质概况，找到合适的防范措施。瞬变电磁法具有勘探深度大、分辨率高、抗干扰能力强，施工效率高的优点，使得瞬变电磁法广泛应用于水文地质的勘探中。

1 瞬变电磁法工作原理

瞬变电磁法，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律，衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

2 工程实践

2.1 工作面概况

二112221工作面位于12采区轨道下山南翼，上部为12201工作面采空区，下部为F45断层，二112221工作面平均走向长475m，平均倾向长158m，煤层厚0～10m，平均7.5m，倾角8°～20°，平均12°，煤层结构复杂，含0～3层夹矸。二1 煤层伪顶为泥岩、炭质泥岩，不稳定，随采随落，直接顶为砂岩，坚硬厚层；直接底为泥岩，老底为砂质泥岩、粉砂岩和硅质泥岩。该工作面地质条件复杂，位于向斜轴部，在掘进过程中揭露了6 条断层，奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层顶界面距二1 煤层平均50m 左右，岩溶发育极不均匀，水位标高为+430m 左右，工作面煤层底板承受奥灰水压约2.9～3.46 MPa，为本区主要含水层。该含水层一旦突水，则有淹井危险。在O2灰岩和C3岩层之间为层位稳定的C2（本溪组）铝土岩，厚度平均9m，隔水性能良好，正常情况下可以阻止奥灰水与上部太原组灰岩含水层发生水力联系或进入工作面，是二1 煤层底板较为稳定可靠的隔水层，但由于其厚度变化大，在其厚度变薄区、构造破坏区或奥灰水严重向上导升区段，奥灰水能够突破该隔水层而对太原组灰岩含水层进行补给或直接向矿井充水，造成突水事故发生。

2.2 瞬变电磁勘探情况

为探查12221工作面所采二1 煤层底板100m 范围内的岩层富水性，对石炭系灰岩含水层和奥陶系上段灰岩含水层的富水情况以及二者之间的水力联系进行初步分析，圈定疑似富水异常区，为钻探查证及底板注浆改造提供依据，为做好采煤工作面防治水工作提供参考，保障安全生产，利用瞬变电磁法进行物探。

12221工作面瞬变电磁勘探工程布置6条测线，分别为：上巷上侧帮+10°仰探线，测线长370m，点距10m，实测物理点38个；上巷底板垂探线，测线长470m，点距10 m，实测物理点48个；上巷内帮-45°俯探线，测线长470 m，点距10m，实测物理点48个；下巷内帮-45°俯探线，测线长400m，点距10m，实测物理点41个；下巷底板垂探线，测线长400m，点距10m，实测物理点41个；切眼底板垂探线，测线长220 m，点距10 m，实测物理点23个。本次勘探工程共完成测线6条，总长2110m，物理点239个。

根据矿井地质要求，分别对12221 工作面上、下巷进行数据采集，数据采集完成后将两个巷道实测资料进行去噪、滤波，然后进行反演后，即可绘制成视电阻率等值线断面（见图1～图6）。

图1 12221工作面上帮10°仰探线视电阻率断面

图2 12221工作面上巷垂探线视电阻率断面

图3 12221工作面内帮45°俯探线视电阻率断面

图4 12221工作面切眼垂探线视电阻率断面

图5 12221工作面下巷内帮45°俯探线视电阻率断面

图6 12221工作面下巷垂探线视电阻率断面

结合矿区构造发育情况及水文地质资料综合分析，本次瞬变电磁勘探共发现5处低阻异常区（见图7），分别为：

1＃异常区：位于12221工作面下巷向里30～60m 范围。

2＃异常区：位于12221工作面下巷向里170～270 m范围。

3＃异常区：位于12221工作面下巷向里345～380 m范围。

4＃异常区：位于12221工作面下巷向里80～120m 范围，处于工作面内部。

5＃异常区：位于12221工作面上巷测点120～170 m区间对应的采空区。

图7 低阻异常区域示意

2.3 物探异常区分析

1＃异常区处于巷道底板30m 以深区域，视电阻率值较低，有向上延伸趋势，属于高度异常。分析此异常区可能受F109次生断层影响，岩层完整性受到破坏，奥灰水向上可能有一定程度导升，有一定的突水风险。

2＃和4＃异常区处于巷道底板30m 以深区域，视电阻率值低，面积较大，属于中度异常。分析此异常区处于奥灰层位，溶裂隙较发育，含水而呈现低阻。

3＃异常区处于巷道底板45m 以深区域，视电阻率值低，面积较大，属于高度异常。分析此异常区处于奥灰层位，裂、溶隙较发育，含水而呈现低阻，有一定的突水风险，但由于此区域内施工条件差，堆放大量金属，故可能是干扰造成。

5＃异常区处于上巷上帮20m 以远区域，视电阻率值较低，属于中度异常。分析此异常区处于12201 采空区，可能有少量积水。

3 结语

1）因工作面存在底板富水异常区，对物探异常区进行钻探查证，所以在工作面回采至下巷开口以里370m 以前（2＃异常区以里100m），必须完成对1＃、2＃异常区钻探验证，否则，当工作面推进到该位置时，应立即停止回采作业。

2）在二112221工作面回采过程中，必须加强对低阻异常区的水文地质观测。

〔1〕煤炭科学总院西安研究院.陕西省地球物理学会〔C〕.瞬变电磁法金属管网影响与矫正.北京：煤炭工业出版社，2008，100-103.

〔2〕潘友忠.瞬变电磁法在矿井巷道掘进前方富水性探测中的应用〔J〕.安徽地质，2010，20（2）126-128.

〔3〕于景邨，刘振庆，廖俊杰，蒋宗霖，等.全空间瞬变电磁法在煤矿防治水中的应用〔J〕.煤炭科学技术，2011，39（9）110-113.