瞬变电磁法在煤矿水害防治中的应用

杨志国，于勤智

（安徽煤田地质局物探测量队，安徽宿州234000）

瞬变电磁法在煤矿水害防治中的应用

杨志国*，于勤智

（安徽煤田地质局物探测量队，安徽宿州234000）

介绍了瞬变电磁勘探原理以及设备v8电法工作站，通过多次试验得出原始资料，进行整理、归类，建立相应的原始数据库，对电磁响应数值模拟分析，得出低阻异常，圈定了煤矿采空区，为煤矿安全生产提供科学依据。

瞬变电磁；v8电法工作站；电性特征

1 概述

煤炭作为我国重要能源，在国民经济的发展中依然占据半壁江山。目前全国煤矿两万处，数量超过世界上其他主要采煤国煤矿总数。但是，我国煤矿稳定性较差，地质构造相当复杂，自然灾害因数较多，加上盲目开采，安全生产重视不够，矿难时有发生，特别是透水事故，2000年1月11号徐州大黄山煤矿透水，20人死亡，2人失踪。2010年3月28号，山西王家岭煤矿发生透水，38名矿工遇难，给人民生命财产造成重大损失。因此，预防水害是煤矿安全生产重中之重，为了探明矿区水文地质情况，安徽煤田地质局物探测量队受山西省同煤集团委托对五里湾煤矿进行瞬变电磁勘探。

2 水文地质情况

本井田为一轴向北西的背斜构造，由于层间裂隙水大部分属承压水，层间地下水分别沿背斜两翼向地处汇集，加之断层规模小导水性极弱，井田构造为各含水层富水性弱的重要影响因素之一。矿井主要可采煤层直接含水层为山西组、太原组砂岩裂隙含水层。间接充水层主要为奥灰岩溶裂隙含水层，井田奥灰水位标高1160～1180m左右。可采煤层8号煤的最低标高位于井田东北处，经计算，该处奥灰的突水系数为0.052MPa/m,小于受构造破坏地段的突水系数经验值0.06MPa/m,奥灰水对井田煤层开采无影响，本矿现开采4号煤层，井下涌水量30～40m3/d,涌水量较小，经综合分析，本矿井水文地质类型属简单型。

3 矿井充水因素分析

（1）顶板和井筒裂隙渗漏。

（2）奥灰突水。根据推测的奥灰水位标高，本矿主采煤层均处于奥灰水位之下，一般情况奥灰水对矿井生产不会造成影响，但若有大的隐伏构造如断层或陷落柱存在的导水性，有可能将奥灰水导入巷道，造成水患。

（3）相邻矿井采空区和废弃巷道积水。本矿井东部边界相邻矿井较多，多为地方小煤矿，应该详细了解相邻矿井的开采情况，特别是采空区及废弃巷道的分布情况及其积水程度。

表1 测区地层电阻率一览表

4 瞬变电磁法方法技术

瞬变电磁法（简称TEM）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二次涡流场的方法。简单地说，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，可得到不同深度的电特征。由于该方法是纯二次场测量，故与直流顺便电磁勘探相比，具有对低阻地质体反应敏感，纵横分辨率高，勘探深度大，不受地表高阻覆盖层影响，工作效率高的优点。

5 设备

本次工作使用在世界上属技术领先的电磁法勘探设备之一——加拿大凤凰公司生产的v8电法工作站。系统由v8主机，辅助接收机、发射控制器、大功率发电机、30kW发射机和T4发射机、磁棒、接收线圈等组成该系统的硬件部分，并配有GPS和网络通讯系统，可以进行多种方法测量。系统最大的特点就是采用网络系统，主机可以对辅助接收机和发射控制器进行操作，利用GPS卫星时间达到时钟同步，减少了由于时间不准对数据的影响，增加了多种滤波功能，选择不同的滤波功能，利用电流传感器自动记录供电电流，使观测结果更加准确、适时。

6 电性解释与综合地质分析相结合

由于受目前技术手段和技术水平的限制，所获得的各种原始信息及经过处理的探测成果数据资料等，均存在一定的局限性或片面性。但从地质规律而言，这些资料信息均存在一定的内在联系，在电磁法资料解释的基础上，对煤矿勘探和生产中所获取的钻探、巷探及采掘揭露的各种地质资料信息，采用多种方法（如数理统计、地质统计、数学模拟等）进行综合集成分析，去粗取精，去伪存真，从中提取有用的地质信息，通过建立特定的数学地质模型，总结和研究勘探区范围内的构造发育和煤层厚度变化等地质规律，进一步细化资料解释，得出符合地质规律的电磁勘探结果，以提高成果的精度和可靠性。

本区覆盖层、煤系地层及下伏岩层沉积序列清晰、稳定。纵向上地层视电阻率具有一定的规律，而横向上电性差异较小。当有富水的断层裂隙和采空区存在时，视电阻率呈现良导电体的特征，破坏了地层电性在横向上的均匀性和纵向上的正常递变规律，为使用电磁法探测富水地质体，并研究它们的纵横向力联系提供了条件。

表2 反射边长：500试验2-4号点25Hz、8.333 Hz和2.5 Hz反演深度电阻率对比

7 采空区的电性特征及其含水性

在电性图中，横向上沉积地层的相对稳定性带来电性在正常情况下的均一变化，当存在富水性构造，采空区或其他良导电地质体时（如断层、破碎带、含水层富水等）都将打破横向电性均一性。当其在三维空间上具有一定规模时可改变纵向和横向电性的变化规律，表现为局部的区域性的电性异常。在正常煤系地层中电性关系应基本均一，但在推断的采空区附近出现的低阻异常带致使煤层在采空区两边电性不连续，基于电性的判断，推断出以上的采空区。根据我队提供的采空区位置，矿方技术人员与前期的三维地震勘探成果进行了比较，采空区电性反应明显、清晰，同三维地震勘探成果吻合。

8 结语

瞬变电磁法（TEM）是煤矿水害防治中一种非常有效的方法，被广泛采用。它具有许多优点：施工方便，受地形影响小，对低电阻率地质目标体反应敏感等。由于瞬变电磁勘探依然属于电法体积勘探，一些规模较小富水区不足以产生较大的涡旋电流，在巷道开挖过程中，在开展地面综合物探方法的同时，进一步开展采掘巷道的超前地质预报工作，将是非常重要和必要的。

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1004-5716(2015)08-0139-02

2014-08-07

2014-08-13

杨志国（1968-），男（汉族），安徽宿州人，工程师，现从事地球物理勘探工作。