基于矿井瞬变电磁法的小煤矿水害探测

邱占林，吴超凡，陈文荣，王 磊，罗 城，曾桂玲

(1.龙岩学院 资源工程学院，福建 龙岩 364012；2.福建师范大学 地理科学学院，福建 福州 350007；3.龙岩学院 矿井水害防治研究所，福建 龙岩 364012；4.福建省121地质大队，福建 龙岩 364021；5.福建省197地质大队，福建 泉州 362018)

福建地区煤矿开采受水害影响大，主要受灰岩岩溶水和老窑(老空)水的威胁[1-5]，但顶板砂岩裂隙水对矿井安全生产的影响也较大。由于地质构造非常复杂，断层或岩溶管道等导水通道较发育，常与含水体存在水力联系，使得矿井的涌水量较大，常造成突(透)水事故，对矿井的生产安全产生极大危害[6-8]。同时，历史久远的小煤窑开采，导致浅部沿煤线露头方向形成大量的采空区，且其积水范围和边界不清，而且福建小煤矿居多，几乎分布在山区，地表水体会持续补给矿井水，降雨量丰沛，易引起矿井涌水量的季节性变化[3,9-12]，给后期的煤矿正常开采带来较大的安全隐患。而采掘工作面是发生突(透)水灾害的主要地点，尤其是当可采煤层距离顶底板含水层(体)较近时，更易造成矿井水害的发生。在矿井防治水方面，我国运用物探方法对北方煤矿水害综合防治研究较多、较成熟，而基于物探技术的南方矿井水害防治较为薄弱[9,12]，福建煤矿应用物探手段防治水害的有效探测较少[11]。

矿井瞬变电磁法凭借其成本低、效率高、指向性强、勘探体积效应小，不接地探测、不受高阻层屏蔽、对含水体响应灵敏等优点被广泛应用于煤矿采掘工作面顶底板及巷道前方赋水情况预测预报中，并取得了良好的地质效果[13-16]。因此，针对福建地区小煤矿水害的防治需求，开展矿井瞬变电磁探测技术，准确、有效地预测预报采掘工作面顶板赋水异常情况，为及时制定水害防治措施提供可靠地质依据，具有重要的理论和现实意义。

1 方法简介

瞬变电磁法又称时间域电磁法，是近年来国内外发展迅猛的一种电磁勘探分支方法，具有良好的地质应用效果。

矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应，即存在双“烟圈效应”[6]，同心环状的感应电磁场主要产生于回线平面上下(或两侧)地层，逐渐形成并向外扩散传播。在这过程中，电磁能量因通过导电介质直接传输而消耗，趋肤效应导致高频部分主要聚集在地表附近，且其分布范围在源区附近；较低频部分传输到深处，且其分布范围逐渐扩大，对圈定目标地质异常体的确切位置增加难度。因此，在实际测量资料解释中，必须结合基础地质及水文地质资料加以综合分析。

2 地球物理探测前提

在原始沉积地层状态下，导电性能一般在垂向上有其固定的变化规律，而在横向上则相对比较均一。但如果岩层不含水，则其导电性能较差，电阻率值高；反之，由于存在低阻含水体而具有良好的导电性能，形成所谓的低阻异常区。因此，矿区一旦存在富水区域或含水(导水)地质构造，都将打破原始地层导电性能在垂向和横向上的变化规律，为以电磁性差异为应用地球物理基础的MTEM探测技术的实施提供了良好的物性前提[2,9-10,12]。

3 工程实例分析

3.1 研究区域概况

深坑十四号煤矿位于福建省龙岩市东北部，矿区煤系地层发育较全，中二叠统童子岩组(P2t)是该区含煤地层的主体，该矿主要含水层为栖霞组(P2q)灰岩岩溶承压含水层、童子岩组细砂岩裂隙含水层和基岩风化带孔隙、裂隙潜水含水层。顶板细砂岩裂隙水对工作面回采产生较大影响。

3.2 现场数据采集

为了查明深坑十四号煤矿28号工作面的顶板富水性情况，运用矿井瞬变电磁探测技术对其运输巷、回风巷、切眼及切眼外侧范围内的岩层视电阻率变化情况进行探测试验。

3.2.1探测方案和工作面布置

本次试验采用YCS本安防爆型矿井瞬变电磁仪，采用2m×2m多匝重叠小回线工作装置，发射线框和接收线框分别为匝数不等的2个独立线框。同时，为了减小探测盲区，在同一测点将发射、接收线框平面分别对准煤层顶板方向(重叠回线装置与巷道底板成135°方向)进行探测(图1)，以便与工作面顶板异常体产生最佳耦合响应。

图1 探测方案示意

现场对28号工作面运输巷、回风巷、切眼及切眼外侧分别进行了探测，点距均为10m。

3.2.2 数据处理

本次矿井瞬变电磁法顶板测量数据处理采用YCS型本安防爆井下瞬变电磁仪配套的MTTEM处理系统，其处理步骤(流程)主要为：数据上传→预处理(剔除无效数据等)→格式转换(格式化)→数据滤波处理→计算晚期视电阻率→数据提取(优化)→时深转换→正反演计算→结果成图(水平切片)。需要注意的是，在现场测量时，务必要有测试数据采集现场记录，且记录每个有效测点的背景情况，尤其是对具有干扰效果的物性测点一定要注明其干扰类型，以便在后续数据处理时进行校正，从而确保测量数据的质量及结果的可靠性。

3.3 结果分析

根据MTEM对顶板的探测结果(图2)，并结合该矿基础水文地质资料及28号工作面实际情况，可综合确定该工作面顶板岩层电性(视电阻率ρs)特征，尤其是在垂向高度的变化情况，据此可综合判断顶板富水性程度。

由图2(a)可知，探测有效范围内存在5个较明显的相对低阻异常区，分别命名为：1号、2号、3号，4号、5号。其中位于工作面切眼与运输巷和回风巷交界处的2个相对低阻异常区(1号、2号)富水性中等，可能由次生采动裂隙发育充水所致；3号相对低阻异常区富水性弱，推测为局部发育的原生砂岩裂隙水；位于回风巷的4号、5号2个相对低阻异常区的富水性强，可解释为相对富水区。对顶板以上不同高度的视电阻率水平切片图件进行比对分析，1号～3号相对低阻区域呈逐渐缩小的异常变化趋势，而4号、5号则呈逐渐扩大的异常变化趋势；从低阻异常区中心位置上讲，1号～3号低阻异常区位置几乎没有发生移动，但4号、5号相对低阻异常区在横向上存在向两侧扩展的迹象，而在纵向上则有收缩之态(图2(b))。

图2 工作面顶板不同高度视电阻率水平切片及其对应的异常区空间分布

为了进一步分析28号工作面顶板异常区的情况，提取距工作面顶板+30m，+40m高度的视电阻率水平切片图进行比对分析，发现低阻异常区整体视电阻率值有所下降，尤其是4号、5号异常区域更为明显，反映了该区域含水性增强。但上述相对高阻异常区则相反，视电阻率值(ρs)显著升高(图3)。

同时，对该工作面切眼外侧断层的富水性进行探测，可得到其视电阻率的拟断面图，从中可以看出探测区域内存在2个相对低阻异常区：6号、7号，其视电阻率值均在20Ω·m以下，表明两处低阻区的富水性强。该低阻异常区的位置分别对应于工作面回风巷、运输巷与切眼交界处的前方，分布在背斜两翼，有利于地下水的聚集，与瞬变电磁探测结果吻合，也反映出该低阻区可能与断层带所在位置的岩性变化有关(图4)。

图3 距工作面顶板+30m和+40m高度的水平切片

3.4 钻探验证

为了验证矿井瞬变电磁法对顶板探测结果的准确性，矿方分别在低阻异常区范围内布置工程钻孔进行跟踪验证，其结果如表1所示。矿方根据上述MTEM探水效果及工程钻探的实际揭露情况，及时采取了相应的治理措施，从而保证了28号工作面的安全回采。

图4 工作面切眼外侧视电阻率拟断面

表1 对比验证结果

4 结 论

(1)MTEM对低阻异常含水体的响应相当灵敏，对高阻体(层)的穿透能力相当强，比较适合小煤矿采掘工作面顶板富水性探测。而且现场采用边长2m的多匝小线框，工作效率更高、数据采集工作量更小，测量设备更轻便、成本更低，因此更适合小煤矿的工作环境。

(2)由于小煤矿水文地质条件复杂，瞬变电磁法本身存在适用条件的局限性及含水异常解释的多解性。因此，在进行MTEM试验之前，需要加强矿井地质编录，增强地质资料验证的利用程度，从而提高其探测准确性。