瞬变电磁技术在亿欣煤业水害探测中的应用

王 池

（山西晋煤集团晋圣亿欣煤业有限公司，山西 晋城 048200）

突水为煤矿最主要灾害之一，2012～2016年，我国煤矿共发生突水事故35起，死亡人数达到233人。煤矿突水事故数量和死亡人数分别占总量的16%和15%[1-2]。突水已成为除瓦斯以外对煤矿开采危害最大的事故。对突水事故的防治最有效的方法就是超前探测预警。目前物探方法被广泛用于煤矿水的探测工作中，其中瞬变电磁法作为探水的主要手段已在矿山中应用，为煤矿水害的防治提供了重要依据[3-7]，保障了煤矿的安全和高效开采。

1 地质概况

亿欣煤业由由五个矿业公司重组而成。主要煤层有2#和15#，开采分为9个盘区，3个盘区位于2#煤层，6个位于15#煤层。亿欣煤业矿业的水文条件中等，含水层有4个：第四系孔隙潜水含水层、二叠系、石炭系和奥陶系的裂隙含水层。煤矿整合前各矿已经过多年开采，形成了大量采空区，采空区内的积水及裂隙水、孔隙水对后续煤矿开采构成了严重的威胁。为了保证开采过程中的安全，本文试验通过利用XV103工作面已开挖顺槽向XV104工作面方向进行煤层含水探测，以保证后续工作面顺槽开挖的安全性。

2 瞬变电磁工作原理与设备

2.1 工作原理

瞬变电磁法或称时间域电磁法(Timedomain electro magnetic methods)，简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。涡旋电流向外扩散的过程被称之为“烟圈效应”，根据烟圈效应计算瞬变电磁场随时间的变化规律，获得大地点性垂向变化特征。

2.2 探测设备

图1 YCS512矿用本安型探水仪

本次试验采用YCS512矿用本安型探水仪。该设备是利用矿井瞬变电磁探测原理分析煤矿采空区、空洞、含水层以及不连续结构等地质异常体的不同电性特征，实现对掌子面前方以及巷道侧帮、煤层顶底板等方向富水区域的探测。

此次探测试验采用长2 m，宽1 m的线框，将线框立于巷道侧帮与侧帮保持平行，沿巷道走向前进。发射和接收线圈相互独立且线圈匝数不同，确保与结构异常体产生耦合响应，准确捕捉异常体的位置。

3 煤层水探测试验

3.1 数据采集

测试采用中心回线法，测点沿巷道走向连续布置，测线总长度约650 m，采样频率10μs，发射波形为梯形波，基频20 Hz，关断时间50μs，发射电流为8A。探测区域见图2，蓝色区域为探测作业区域。

图2 探测区域

3.2 数据处理

数据处理后，形成图3电阻率等值线图。图3中不同色标表示不同的视电阻率值：从冷色调到暖色调表示视电阻率值不断升高，即从蓝色到红色表示视电阻率不断升高。其中蓝色代表该区域富水性强可能。

图3 电阻率等值线

图3（a）中信息显示，探测区域内电阻率等值线呈不均匀分布，距离巷道侧帮较近区域（0～80 m）的巷道电阻率较高，高阻异常区代表空区、溶洞的存在；但该区域内高阻异常区并不明显，且没有形成连续区域，地层连续性仍较好。延伸至120 m以深，走向150～275 m范围内出现少量的低阻异常区，该区域可推断有含水层的存在。

沿巷道走向350～425 m范围内，巷道侧帮近区（0～80 m） 出现了连续的较大面积的高阻异常区，该区域推断有空洞或不连续结构体存在，而80 m以深范围颜色变化平滑，地层连续性变好，岩体条件较好；而在450～500 m，深度140～160 m的范围出现一个面积近800 m2的低阻异常区，推断该区域有充水空区存在。根据图4中探测结果与巷道位置关系可知，XV105工作面顺槽开挖至见图450 m时，在距巷道侧帮40 m深位置存在含水空洞可能性极高，需要对该区域进行钻孔探测确认，并在采掘作业前做防治水处理。

4 结语

突水事故是煤矿主要灾害之一。对突水事故的防治最有效的方法就是超前探测。本文采用瞬变电磁方法对巷道未开挖煤体含水状态进行探测，定量分析了岩层内部电阻率的分布规律，准确推断XV105工作面顺槽开挖至450 m时在距XV105工作面顺槽巷道左帮40～60 m范围，存在较大含水区域，为巷道开挖过程中含水层的防治处理提供准确定位，为煤矿的开采提供安全保障。

图4 探水结果与巷道位置关系