基于瞬变电磁法的采空区积水探测技术研究

题正义， 马笑非， 张 峰， 秦洪岩， 李 洋， 乔 宁

(辽宁工程技术大学 矿业学院,阜新 123000)

0 引言

煤矿采空区积水一直是困扰煤矿安全生产的问题之一，不仅威胁井下人员的安全，也给后续开采提出了难题。由于小煤矿的乱采乱挖，缺少开采资料，导致在其被兼并重组后，不能确定其采空区的状态及积水情况。为了保证煤矿的安全高产高效，采取高效的方法对采空区积水的状况进行探测及监测是亟待解决的问题。张开元等[1]将瞬变电磁法运用于北方某地区采空区范围圈定及煤矿采空区的测量；谭庆炎[2]基于瞬变电磁法的理论建立了采空区的数值模型，对桑树坪矿采空区积水的瞬变感应电磁特征进行了分析。但由于井下条件的多样性和复杂性，物探工作被工作环境限制等因素，采空区物探理论和方法仍需进一步研究与发展。基于此，笔者依据胜利煤矿现有的资料，首先对资料分析及现场观测的基础上判断出煤层开采状况，其次使用瞬变电磁法对煤层进行物探施工，最后对结果进行分析。

胜利煤矿为兼并重组矿井，主要可采煤层为6#和10# 2个煤层，重组前受6#煤层开采资料缺失导致无法获知井下具体采空区积水区域，造成矿井计划对本煤层及10#煤层开采具有危险性，因此采用瞬变电磁法探明6#煤层采空区积水区域。研究成果对矿井高产高效安全生产提供了保障，也对防治水方面的研究提供了借鉴。

1 井下物探分析

利用瞬变电磁法[3-4]对6#煤层相关巷道进行物探测试，根据解释分析法建立6#煤层采空区积水范围判别准则，运用判别准则对6#煤层探测结果进行分析，确定6#煤层采空区积水范围。

1.1 井下瞬变电磁法原理

瞬变电磁法原理[5-7]是利用电磁信号在煤层、岩层等介质中传播速度的快慢及接收电磁信号的强弱进行判断煤层或岩层中赋存的介质，其具备以下特点。

图1 工作原理和感应电磁场转换原理Fig.1 Work principle and induction electromagnetic field transformation principle

1) 由于巷道内地质条件不同，环境复杂，只能使用3 m以内的多匝小线圈，排点密集、分辨率较高。

2) 在巷道内直接测量，信号感应度比较敏感，测量精度较高。

3) 通过调解电磁波的发射方向，可以多方位探测出异常体发育规律。

4)调节小线框电磁波的发射方向，能够探测巷道顶底板在深度确定下的的含水体的发育规律、掘进头的探水超前探测及采空区积水的探测。

5)根据瞬变电磁法的工作原理，由于时间为零，电流瞬间断开的影响，导致无法探测到更浅部的异常体，往往在浅部会形成0 m～20 m左右的盲区。

假设在巷道里铺设的矩形发射线圈的面积为S，且线圈具有均匀各向同性，导磁率为μ0，导电率为σ，为线圈提供的阶跃脉冲电流用I(t)来表示，其中：

(1)

在设备工作期间，测线附近的地层以及空间受到电流的驱动，形成一个趋于稳定的电磁场。当时间t为零时，随着电流的断开，原先存在的电磁场也会立即消失。一次磁场经过地层中的导电介质的传播，传到测试地层附近测线周围的地表，能够激发出地层中的感应电流，维持了电磁场的存在，使其不会立即消失殆尽。

图2 扩散的圆电流环Fig.2 Diffused circular electric current loop

由于电磁场在气体中传播的速率比在其他介质的传播速率快，一次电磁场首先通过空气介质，传导到地表，在各测线周围的地层激发出感应电流，所以感应电流最初存在于地表处。然而，地表各处的地质条件有差异，因此感应电流也是分布不均。随着时间推移，电磁场在空气及介质中的传播流动，其传播中受到热损耗，强度随之下降，并随着时间推移及传播距离变大的作用下，磁场分布慢慢趋于均匀、稳定，并逐步变形为圆电流环[8-10]。

由圆电流环形成过程可推算出半径r、深度d的表达式为：

(2)

(3)

式中:a为发射线圈半径，C2=8/π-2；当a的值过于太小时，通过等价无穷小计算可得tanθ=d/r≈1.07，θ=47°，故圆电流环将沿47°倾斜锥面扩散(图2)，扩散速度表达式为：

(4)

1.2 探测方案设计

探测方案设计是在6#煤层中选择设定测站的位置，再在各个测站选取与煤层相交的侧面进行测点设置，通过接收电磁信号接收情况判断交线或者交面的性质特点，推测积水区，并绘制出各分层分区图层。

1.2.1 井下测站布置方式

测站[11-12]采用2种布置方式(图4)：

1)在巷道掘进面设置测站，采用矿用瞬变电磁法勘探装置采用边长1.5 m长的正方形线圈，是重叠回线组合装置，用于激发信号和接受信号，激发线圈匝数为4匝，接收线圈匝数为40匝。基准面以掘进面巷道的底板所在平面设定，同一测站选择3个方向布置发射线框的测面，每个测面布置11个测点，共计33个测点(图3)，通过人为在巷道内移动，发射和接收线圈，接收数据后，会生成3个范围内的超前探测实测剖面。

2)在巷道的左右帮设置测站，同样采用相同的矿用瞬变电磁法勘探装置。在有限探测范围内对巷道左右帮进行超前探测，基准面以巷道底板所在平面设定，布置多个不同方向的侧面及测点，并通过人为的在巷道内移动过程中发射接收线圈，生成探测范围内的实测剖面。

图3 地下探测原理图Fig.3 Schematic diagram of underground survey

图4 测面、测点布置Fig.4 The arrangement of measured surface and measured points

1.2.2 6#煤层探测方案

为了探明6#煤层采空区积水区域，计划设置4个测站(4个测面)，分别在胶带巷掘进445 m处(1号测站)、副斜井227 m～267 m处(2号测站)、轨道巷掘进370 m处(3号测站)和主斜井掘进480 m处(4号测站)4个位置设置测站，下面以主斜井掘进480 m处延伸方向4号测站为例介绍井下物探测站布置、解释分析、判定探测结果，测站采用第一种测站布置方式，勘探方向为轴向前方，勘探范围为100 m，侧面方向为延伸方向。

1.3 解释分析方法与判定流程

解释分析方法[13-15]是利用瞬变电磁法测得视电阻率的大小及其衰减规律，通过建立判定准则，进行演算分析得到探测结果，最终确定6#煤层采空区积水情况。

1.3.1 解释分析方法

基于瞬变电磁法的原理，将测得的视电阻率数据绘制成电阻率断面图，若在断面图中电阻率存在由低阻区向高阻区过度，然后又逐渐偏向低阻区的现象；或者电阻率存在由低阻区向高阻区位移，然后偏向低阻区，又移向高阻区的现象 。如果存在以上现象，则对低阻区在多测电压剖面图上所对应的煤层曲线进行观测，如果两端电压低于该处的电压值，判定为积水区。测得的视电阻率的大小根据无水采空区视电阻率最高、实体煤次之，积水采空区最低的电性特征，结合视电阻率随探测距离逐渐衰减的规律，提出物探的解释分析方法，经过解释分析可以推测出煤层状态。具体解释分析方法如下：

1)根据探测煤层地质数据，利用测站与其的位置关系，将煤层与测面相交的线段绘制到煤层底板等高线上。

2)在扇形视电阻率图上，将绘制好的交线按比例和相互关系再在扇形视电阻率图上进行绘制。

3) 从绘制好的交线的任意一个端点开始，观测沿线视电阻率渐变的情况，选出异于正常衰变速率的异常变化端点及其长度。

4) 分别按照高阻异常和低阻异常关系，对各观测的煤层的视电阻率进行分类统计。

5) 根据分类统计结果及相关信息资料，结合衰减规律得出煤层状态(无水采空区、实体煤、积水采空区)，多测道电压剖面图出现从高阻区→低阻区→高阻区，或者低阻区→高阻区→低阻区的现象，选择煤层中低阻区的电压值，电压值明显高于两头或无电压升高位置的区域都为积水区。

1.3.2 判定流程

根据瞬变电磁法原理对胜利煤矿6#煤层进行瞬变磁法勘探 ，运用解释分析方法建立物探结果判定准则，判定流程如图5所示。

图5 异常区判定流程图Fig.5 The flow diagram of abnormal area determined

1.4 测试结果分析

以主斜井4号测站掘进480 m处延伸方向超前探测为例，依据解释分析方法及其判定流程对主斜井4号测站的探测结果进行分析，确定6#煤层各段的赋存状态。

主斜井4号测站掘进480 m处延伸方向超前探测按照解释分析方法及其判定流程制定测面与煤层交线的绘制方法①在侧面上沿着探测点选择3至5条具有一定特征的射线；②在已选的射线上，沿其投射方向做剖面图，得到3至5个与煤层的相交点，把各交点通过圆滑的弧线连接起来，且作为测面与煤层的交线，将交线按照对应的位置和相对应的比例绘制到视电阻率剖面图上(图6(a));③利用解释分析方法判定得出在侧面沿主斜井方向的视电阻率剖面图内，6#煤层相交且穿过视电阻率剖面图中的高阻异常区(采空积水区)(图6(b))，由此可推断出该段交线处中央部分为采空区采空范围较小，两侧为未采区。

从位于6#煤层可采范围内的72条测线中选出 8#、24#、25#、56#测线进行分析。从图7中可以看出：图7(a)、图7(d)中没有明显的高压异常区；图7(b)在1-10#、31-36#点处以及图7(c)在1-11#、25-36#点处出现高值异常，幅度比较大。

2 钻探分析

为了核实物探探测6#煤层采空区积水结果的可靠性，在胜利煤矿主斜井的3个钻位上共计施工了6个钻孔(表1)。

表1 主斜井钻探孔设计表Tab.1 The design table of main slope exploration hole

2.1 钻孔探测分析

钻孔探测[16-17]以3号钻位上的4号钻孔为例进行分析。钻孔方位角为161°，仰俯角为0°，沿主斜井顶板钻探，在钻探到10 m处出现涌水，并且观测为满孔水(图8)，由此可推断出胜利煤矿在此处附近进行过开采，且采空区内有积水存在。

2.2 其他钻孔探测结果分析

1)1号钻位1号钻孔在73.13 m处附近穿过6#煤层，钻探结果全长皆为岩石，并没有煤层揭露，推测一种可能是煤层底板等高线计算误差，另一种可能是钻孔进入完全垮落的采空区内。

2)2号钻位2号钻孔进尺75 m，预计应在485 m附近穿过6#煤层，全部为岩石没有煤层显现，钻孔应该是穿过压实的采空区。

图6 主斜井解释分析图和视电阻率剖面图Fig.6 The interpretation analysis profile of main slope and apparent resistivity(a)主斜井解释分析图；(b)视电阻率剖面图

图7 多测道图Fig.7 Decay curve(a)8#测线;(b)24#测线;(c)25#测线；(d)56#测线

图8 4号孔剖面图Fig.8 The profile of hole 4

图9 主斜井钻探效果图Fig.9 The sketch of main slope drilling

3)3号钻位3号钻孔沿主斜井顶板共进尺11.5 m，钻孔已进入6#煤层范围内，在钻探到10 m处出现涌水，并且观测为满孔水，钻孔附近应为采空积水区。

4)3号钻位5号钻孔沿主斜井左帮共进尺18 m，钻孔已进入6#煤层范围内，在钻入到18 m处时遇煤层顶板，钻孔出现涌水，此处应为采空积水区。

5)3号钻位6号钻孔沿主斜井右帮共进尺22 m，钻孔已进入6#煤层范围内，钻孔在12 m处时遇到破碎带，应是采空区，结合5号钻孔钻探结果分析此钻孔附近应为采空积水区。

图10 综合分析图Fig.10 Comprehensive analysis chart

综合以上，钻探分析结果可知主斜井钻探测得6#煤层状态结果如图9所示。

3 综合分析

将井下瞬变电磁法勘探和井下钻探的结果绘图(图10)，从图10中分析可得出结论如下：

1)主斜井掘进480 m处4号测站所探测6#煤层区域与钻探1、2号钻位钻孔所探测位置重叠，验证此处为采空区且采空范围较小。

2)胶带巷掘进445 m处1号测站在钻探3号钻位3号钻孔南侧且在6#煤层交线范围内，由此可知钻探未探测到该区域，瞬变电磁法勘探探测此区域为未采区。

3)副斜井227 m～267 m处2号测站所探测6#煤层区域与钻探3号钻位6号钻孔所探测位置重叠，验证此处为采空积水区。

4)轨道巷掘进370 m处3号测站所探测6#煤层区域与钻探3号钻位4、5号钻孔所探测位置重叠，验证此处为采空积水区。

4 结论

1)基于瞬变电磁法原理在井下对6#煤层进行瞬变电磁法勘探，利用理论的知识及结合解释分析方法和其判定流程对6#煤层物探出煤层状态进行判别分析，得出在侧面沿主斜井方向视电阻率剖面图内，6#煤层与高阻异常区(采空积水区)相交且穿过，可推断出该段交线处中央部分为采空区采空范围较小，两侧为未采区，判断出6#煤层采空区积水区域。

2)通过井下钻探方法对瞬变电磁法勘探判定分析结果进行验证，进一步探明6#煤层采空区积水范围，验证结果得出瞬变电磁法探测技术对采空区积水范围探测具有高效、可靠的实用价值。