瞬变电磁法在煤矿采空区积水探测中的应用

路 翠 霞

(山西省地质勘查局二一二地质队，山西 长治 046000)

瞬变电磁法在煤矿采空区积水探测中的应用

路 翠 霞

(山西省地质勘查局二一二地质队，山西 长治 046000)

简述了瞬变电磁法的工作原理及其优势，介绍了瞬变电磁仪的特征和使用方法，结合工程实例，论述了瞬变电磁法的具体应用，并分析了瞬变电磁法的实际勘探效果，指出该方法进行采空区积水探测是可行的、有效的，值得推广应用。

瞬变电磁法，采空区，电阻率

2009年，山西煤矿企业兼并重组后，各煤矿由原来的短壁刀柱炮采、以掘代采等回采率较低的采煤方法转变为长壁式采煤方法，采用综合机械化一次采全高的先进采煤工艺。但同时大部分矿井也面临上组煤层资源枯竭，需开采下组煤层的局面。而在开采下组煤层时，老空(窑)积水、矿井回采后采空区积水、采空区下山巷道封闭积水可能溃入矿井，因其瞬间水量较大，极易造成恶性人身伤害或透水停产事故。按照“预测预报、有掘必探、有采必探、先探后掘、先探后采”的防治水工作原则，需采用地球物理勘探等科学手段，查明矿井水文地质情况，特别是采空区、相邻矿井之间及关闭矿井老空(窑)积水等情况，为煤矿防治水工作提供依据，保证煤矿安全生产。

瞬变电磁法利用电磁感应原理，以其勘探深度大、体积效应小、工作效率高、受地形影响小、横向分辨率高、对低阻地质体反应灵敏等优点，在探测煤层采空区积水、煤层顶底板含水层及构造富水性等方面越来越受到人们的重视。本文结合实际工作分析总结了瞬变电磁法在采空区积水探测中的实用性和有效性。

1 瞬变电磁法工作原理

瞬变电磁法(TEM)是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，从而来解决有关地质问题的时间域电磁法。TEM是以电磁感应定律为原理，以电阻率差异为基础，在没有一次场背景的情况下观测纯二次场异常，通过测量断电后二次场随时间的变化规律，可得到不同深度的地电特征。

2 地球物理特征

地球物理勘探方法以各岩层的物理性质差异为勘探对象及解释依据。瞬变电磁勘探的理论依据是利用组成地下介质层间的电性差异：含煤地层为沉积岩地层，地层横向稳定、成层性较好，其电阻率与地层岩性对应，具有较好的成层规律。当煤层采空后为空洞或塌陷冒落后不含水时，电阻率值远高于周围岩层，表现为高阻特征；若采空区充水或岩层裂隙发育含水时，电阻率值则低于周围岩层，在断面图上会形成横向上的低阻异常，在顺层切片图中可形成封闭的低阻异常。可以依据同一层位中相对的低阻异常反映来划分采空积水区和富水异常区的分布范围。

3 工作方法技术

瞬变电磁勘探使用仪器为加拿大GEONICS公司生产的PROTEM-67型瞬变电磁仪，是目前国际上最先进的瞬变电磁专业仪器。该系统采用发射和接收分离结构，有5种野外观测装置，适合不同深度的勘探，PROTEM-67型最大勘探深度为1 000 m～1 200 m。此外，该仪器关断时间短、信息量大，不易失掉浅层信号，在地层产状变化大的地区，一次布线可同时测量浅部和深部信息。同时PROTEM瞬变电磁仪分辨率高，动态范围大，且有较强的压制干扰能力，使其在任何地区均可顺利观测。

采空区积水探测野外工作装置一般采用大定源回线装置，采用回线内测量，发射线圈一般为正方形，尽可能布设在同一平面上。施工前首先在已知地段进行试验，确定发射线圈大小，选择最佳频率、发射电流、积分时间及增益等。接收装置为专用空心线圈，接收时尽可能远离强磁场及金属干扰物等强干扰源，有电磁干扰时采取增加观测次数来压制干扰信号。

4 应用实例

4.1 长子某煤矿采空区积水探测中的应用

长子某煤矿主要可采煤层为二叠系山西组的3号煤层和石炭系太原组15号煤层。3号～15号煤层间距91 m～133 m，平均105 m。

井田内3号煤层资源枯竭已闭井，计划开采下组15号煤层。根据调查15号煤层先期开采地段有3号煤层采空区存在，3号煤层开采时曾出现涌水现象，涌水量60 m3～70 m3，加之3号煤层底板起伏较大，低凹处极易形成积水，对下组煤层的开采构成较大威胁。为此，矿方委托二一二地质队对先期开采地段进行了地面瞬变电磁勘探，以查明煤层采空区积水的分布范围。

工作测网布置为线距40 m，点距20 m，采用大定源回线装置，回线内接收，现场试验后确定发射线框为400 m×400 m，频率25 Hz，发射电流18 A，积分时间30 s。

图1为780线视电阻率断面图，3号煤层附近在300点～500点之间视电阻率等值线向下凹陷(图1中虚线所示)，呈相对低阻特征，视电阻率值小于48 Ω·m，结合调查情况分析为3号煤层采空区积水的反映。15号煤层附近视电阻率等值线较为平缓，没有明显的异常。

按照3号煤层底板标高抽取各测点在3号煤层位置的视电阻率值绘制了顺层切片图，如图2所示。根据视电阻率断面图的分析以48 Ω·m为界圈划了3处低阻异常范围(图2中阴影部分)，其中1号异常区位于勘探区西北部，异常范围位于3号煤层已知采空区内，异常区面积较大，视电阻率最低，分析为3号煤层采空区积水的反映。

煤矿在工作面掘进过程中，根据物探资料对1号异常区的3号煤层采空区积水进行了探放，在15号煤层综采工作面的运输顺槽和回风顺槽布置钻场2个，在不同方位各施工排水孔7个，钻孔垂距109 m～116.5 m，最大排水量5 000 m3/d，最小排水量480 m3/d～720 m3/d。施工2个月共探放老空水约21.0万m3，为综采工作面的安全开采消除了隐患。

4.2 沁源某煤矿采空区积水巷道探测

沁源某煤矿主要可采煤层为二叠系山西组的3号煤层和石炭系太原组的6号、9号+10号、10号下及11号煤层，可采煤层平均总厚8.11 m。

本矿井整合前各矿曾开采6号、9号+10号煤层，整合后拟开采3号、6号煤层。根据资料6号煤层开采方式为巷采，低凹处有积水。为抽排6号煤层采空区的积水，需在井田北西部煤层底板低凹处施工1眼采空区积水抽排井。主要任务为采用瞬变电磁法圈定采空区积水巷道，然后采用小口径钻探进行验证，经验证后进行大口径抽排井施工。

野外施工前，根据矿方提供的6号煤层采掘巷道，结合地面施工条件选择了2个探测区，测网布置为线距20 m，点距10 m，工作装置为大定源回线装置，回线内接收。现场试验后确定发射线框为160 m×160 m，频率25 Hz，发射电流15 A，积分时间30 s。

按照6号煤层底板标高抽取各测点在6号煤层位置的视电阻率值绘制了顺层切片图，如图3所示。根据周围地层的电阻率值以50 Ω·m为界圈划了4处低阻异常范围(图3中阴影部分)，分析为巷道积水的反映。结合收集的采掘资料，根据异常区的分布位置、面积及电阻率的大小等特征，建议选择A1异常区的100线100点进行小口径钻探验证。

小口径钻探验证孔在钻进至孔深145.0时出现掉钻，岩芯中有坑木，证明6号煤层为采空区。而后在距其50 cm处施工大口径采空区积水抽排井，钻至孔深102.0 m后，受钻探空气压力的影响，孔口发生冒水，水柱高约6 m，涌水量约150 m3/h。施工结束后进行的抽水试验结果表明：静止水位埋深为106.4 m，水位降深28.9 m，出水量为100 m3/h，说明煤层采空区积水量较大，也验证了物探推断结论的准确性。

5 结论与建议

1)利用瞬变电磁法进行采空区积水探测是可行和有效的。该方法因其勘探深度大、体积效应小、工作效率高、受地形影响小、横向分辨率高、对低阻地质体反应灵敏等优点，在煤矿采空区积水探测中的应用越来越广泛，是一种很有发展前景的物探手段，对煤矿防治水及煤矿安全生产具有重要意义。

2)鉴于矿井开采中面临煤层顶底板含水层、采空区积水及构造水等多种充水水源，以及物探资料的多解性，建议采用综合物探手段，采用多参数综合分析含水异常区的性质，提高采空区积水探测的准确性。

[1] 冯 兵.工程及水文物探教程[M].西安：陕西人民教育出版社,2003.

[2] 王元隆.晋城矿区王台铺煤矿采空区积水防治探讨[J].中国煤炭地质，2012(2)：39-40.

[3] 周 韬，张开元.瞬变电磁法在探测煤矿采空积水区的应用[J].中州煤炭，2009(9)：103-104.

On application of transient electromagnetic exploration in accumulated supervision in coal mine goaf

Lu Cuixia

(212GeologicalBrigade,ShanxiGeologicalSurveyBureau,Changzhi046000,China)

The paper indicates the principle and advantages of the transient electromagnetic exploration,introduces its features and methods,indicates its application of the method by combining with the engineering cases,analyzes its survey and operation effect,and points out it is feasible for the accumulated water supervision in the goaf,so it can be further extended.

transient electromagnetic exploration,goaf,resistivity

2015-10-15

路翠霞(1971- )，女，工程师

1009-6825(2015)36-0060-03

P631.325 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A