瞬变电磁法探测煤矿采空区积水

刘美健

（山西汾西正文煤业有限责任公司，山西 孝义 032300）

正文煤矿是汾西矿业集团有限责任公司资源整合矿井之一，位于山西省孝义市西13km的兑镇镇圪卓头村，在井田中部有交通便利的省道及铁路线。井田面积6.9764km2，该矿于2011年10月30日正式开工建设，2016年10月31日正式投产，设计生产能力90万t/a，矿井服务年限为24.25a，主采10+11号煤层，现开采11002采煤工作面，煤层总厚度7.86m，采煤方法为长壁式综合机械化低位放顶煤全部垮落采煤法。

1 工作面概况及水害分析

1.1 工作面概况

11002工作面可采走向长459m，倾向长120.5m，地面位置东距偏城村200m，西、南、北为黄土山丘，地面有偏城—后洞、偏城—郝家寨两趟线路（水泥电杆）穿过。井下位于一采区西翼轨道巷北部，工作面上方为水峪5415采空区（9#煤层于1997年回采完毕），东距偏城村保安煤柱87.5m，西邻水峪煤矿5413工作面（9#已采），南部为正文煤业采区大巷，北部为井田边界。该工作面开采太原组10+11#煤层，煤层走向东北，倾向西北，直接顶为泥岩，老顶为K2石灰岩，底板为铝质泥岩。煤层结构简单，煤层总厚度7.86m，局部赋存3～4层夹石，厚0.1～0.3m，煤层倾角1～3°，平均2°。工作面区域内，小褶曲构造发育，巷道呈波浪状起伏，在工作面内有2条逆断层，落差1.0～2.4m。

1.2 工作面水害分析

11002工作面水文地质条件中等，未来面临的主要水害为石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层、老空水。煤岩层中含有裂隙水，预计工作面在掘进过程中局部会有渗水现象。工作面上方为水峪煤矿5415工作面采空区，西侧上方为水峪煤矿5413工作面采空区，北侧相邻水峪5113工作面采空区，预计采空区内有积水存在。距工作面材联巷西侧98m处有一编号“水-13”的地质勘探钻孔，该钻孔为水峪煤业勘探时期钻孔，孔深245.81m，通过调查，该钻孔施工完毕后虽已进行了封孔，但根据西翼胶带巷及西翼轨道巷掘进时对该钻孔的探测，有一定的水害隐患。工作面与上部山西组2#煤层间距约为90m，运巷东侧有一后头沟小窑破坏区，该小窑开采2#煤层，房柱式开采，于2003年关闭，井筒已实填，有可能出现2#煤采空区积水下泄的现象，对11002的回采工作造成威胁。

2 矿井瞬变电磁法

瞬变电磁法通过不接地回线或接地线源向岩体发射一次脉冲磁场，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形成的二次感应涡流场，从而探测地下介质电阻率的一种方法[1]。因为各种介质不是单独存在的，把测得的不均匀介质中的这个电阻率称为视电阻率。根据视电阻率的不同来分析地质构造情况和地下导水情况。其主要的工作原理是在煤矿井下工作面布设通电的发射线圈，进而在线圈周边范围形成一次电磁场，并在工作面周围导电岩体中产生感应电流，在切断电源后，岩体中的感应电流随着时间的增加热损耗不断衰减，形成二次感应涡流场，从而观测地下介质反映的信号[2]。

3 瞬变电磁法在煤矿中的实际应用

对正文煤业11002材料巷应用瞬变电磁法进行探测。

（1）探测前工作面迎头停止作业，综掘机退后20m，敲帮问顶确保工作环境安全。检查仪器电量是否充足，仪器状况是否良好，无防爆不完好等情况[3]。排尽掌子头积水，对工作面除必要的监控仪器以外的电器和电缆进行断电后开始探测作业。

（2）本次作业设计探测方向通过顶板20°方向、顶板10°方向、顺层0°方向、底板-10°方向即可达到探测目的，每个探测方向14个，共56个物理点。叠加参数设置为32次。探测4条测线，数据质量合格。经数据处理形成如图1的成果图，由成果图可直观地知道在顶板20°方向，无明显的低阻异常区，推测该区域大面积富水可能性较小；在顶板10°方向，无明显的低阻异常区，推测该区域大面积富水可能性较小；在顺层0°方向，右帮60～100m，深度10～50m有低阻异常，推测该区域局部有富水可能性；在底板-10°方向，距右帮 30～60m，深度 40～80m，右帮 60～100m，深度10～50m有低阻异常，推测该区域局部有富水可能性。针对本次所探测到低阻异常，设计并施工6个钻孔，其中顺层方向和底板方向各3个钻孔。

图1 瞬变电磁法探测结果

（3）经过钻探验证，在顺层方向未发现有采空区，无积水。在底板方向的三个钻孔中有两个钻孔打到了9#煤层采空区，两个钻孔均有出水情况，其中一个钻孔水量较大，约15m³/h，另一个钻孔出水量约6m³/h。地测人员在第一时间取到水质标本，经水质化验确定为采空区积水。经过两天时间的放水作业，直至两个钻孔的出水量基本上为零。为了安全起见，地测科人员又设计并施工了两个验证孔，证实了采空区积水已经被疏放完毕。此次放水作业放水量共计约1200m³。

4 结语

通过本次对汾西矿业有限责任公司正文煤矿瞬变电磁探测实践，进一步验证了瞬变电磁法物探对地质低阻体有良好的响应特征，并通过井下瞬变电磁法物探寻找确定上覆采空区积水位置，经钻孔验证上覆采空范围位置准确可靠，取得良好实际应用效果。矿井瞬变电磁法具备对低阻反应敏感、方向性强、体积效应小、便于施工、工作效率高和成本低等优点，在探测煤矿含(导)水地质构造、采空区积水、充水钻孔等方面有很好的应用效果，但是瞬变电磁法有其不足的地方，其容易受工作面潮湿的环境、电缆、巷道内的金属器械等的影响，所以为了探测结果的准确性一定要将干扰因素降低到最小。