地面瞬变电磁法在采区积水勘探中的应用

2021-11-03杜云杰

同煤科技 2021年5期

杜云杰

（山西凌志达煤业有限公司山西长治 046600）

0 引言

矿井水患是影响工作面安全生产、人员和设备安全的重要因素之一[1-2]。及时准确地查明积水位置、范围和积水情况，可为矿井制定有效的防治水措施提供重要数据支撑[3]。目前，矿井积水勘探方法主要有地质推断法、钻孔勘探法、直流电法、音频电透法和瞬变电磁法等[4]，而瞬变电磁法凭借高效、高精度和数据丰富全面等优点，在国内矿井积水勘探方面得以广泛应用。刘洋利用瞬变电磁法查明了煤峪口矿307盘区内采空区积水区的位置、数量和范围，并对积水量进行了估计[5]。基于瞬变电磁法勘探数据和结果，方刚和高波对巴拉素井田内已采区段煤层顶板含水层特征及水力联系进行了分析[6]。朱媛基于对正旺煤业采区瞬变电磁法勘探结果的分析，对10#和11#煤附近水体进行了超前预测[7]。上述研究和工程实践极大推动了瞬变电磁法在矿井积水勘探中的应用和发展。本文基于上述研究成果，采用地面瞬变电磁法对凌志达煤业有限公司五采区南部积水情况进行勘探，以期为该采区制定有效的防治水措施提供有力的理论依据和数据支撑。

1 工程概况

凌志达矿位于山西省长子县，主采3#煤和15#煤，其中3#煤已于2013年5月回采完毕。15#煤层位于太原组下部，上距3#煤底板92.10 m～138.69 m，平均108.94 m，煤层厚0.76 m～7.20 m，平均4.03 m，属稳定全区可采煤层。煤层直接顶为泥岩或K2石灰岩，老顶为K2灰岩，底板为泥岩、铝质泥岩、粉砂质泥岩、黄铁矿泥岩，局部为炭质泥岩。五采区位于井田西南部，北邻15102运输顺槽，东邻二采区南翼，南接申家庄煤业、望云煤业井田边界，西邻庄头断层保安煤柱。东西长约2.7㎞，南北宽约1.4㎞，面积约4.02 km2，采用单翼倾斜长壁开采。勘查区位置如图1所示。

图1 勘查区位置图

2 水文地质条件及潜在水害分析

矿区充水水源主要包括：大气降水和地表水、地下水和老空水。长子县地区1965年以来年降水量为349.9 mm~1 056.4 mm，平均年降水量为558.6 mm，降水量主要集中在每年夏季。大气降水是地下水的主要补给来源，也是矿井水的主要补给来源[2]。但由于五采区地表无河流、湖泊等地表水体，且15#煤盖山厚度为246.3 m～376 m，平均271.6 m，15#煤冒落带最大高度32.55 m，导水裂隙带最大高度为171.20 m。导水裂缝带不会发育至地表，故大气降水和地表水不会直接构成15#煤层的充水水源。

地下水是矿井涌水最直接、最常见的主要充水水源[1,5]。煤层开采后，煤层顶底板受影响的含水层地下水将对矿井充水[3]。五采区有影响的主要有石炭系砂岩和灰岩岩溶裂隙含水层、奥陶系岩溶裂隙含水层。其中石炭系砂岩和灰岩岩溶裂隙含水层主要指15#煤顶板K2灰岩岩溶裂隙水及其上部砂岩裂隙水和灰岩岩溶裂隙水，该含水层富水性具有不均匀特点，局部富水性强，该含水层为15#煤开采充水主要含水层，根据15#煤层开采经验，预计五采区开采过程中，局部涌水量较大，只要矿井排水系统正常运转，15#煤层上覆含水层水不会威胁煤层开采。区内奥灰岩溶水的水位标高在+638 m～+640 m之间，五采区煤层底板标高在+745 m～+845 m之间，远高于井田奥灰水位，故不存在奥灰水带压开采问题，奥灰水对五采区开拓开采无影响。

3 瞬变电磁法基本原理及野外勘探方法

3.1 瞬变电磁法基本原理

瞬变电磁法（TEM）是指利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的空间和时间分布的时间域电磁法[4-6]。如图2所示，地下涡旋电流任一时刻在地表产生的磁场均可等效为一个水平环形涡流场，且该等效电流环向下和外扩散具有烟圈特征，故将这一过程称为“烟圈效应”[2,7]。由此可见，早期瞬变电磁场由近地表感应电流产生，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场由深部感应电流产生，反映深部电性分布。因此，通过对瞬变电磁场随时间变化规律的观测和研究，可探测大地电位的垂向变化[2-5]。

图2 烟圈效应基本原理

3.2 野外勘探方法

本次选用TEM-6强源瞬变电磁仪，通过现场试验确定了本次地面瞬变电磁勘探合理设计参数如表1所示。按“由南向北、由西向东”的顺序对测线、测点统一布置，测线号从南到北由小到大编设，测点号从西到东由小到大编设，线距40 m，点距20 m，勘查区面积1.53 km2，共布置测线18条，试验点2个，试验线1条，完成1977个物理点，每个测点进行了自评和复评。本次瞬变电磁共重新布置发射框施工检查点60个，占全区观测物理点总数的3.1%，有位总均方相对误差为7.1%（<10%）。符合《地面磁性源瞬变电磁法技术规程》(DZ/T0187—2016)规程要求的质量验收标准，全区工作质量合格，合格率100%，物探完成工作量见表2。

表1 地面瞬变电磁勘探合理设计参数

表2 物探完成工作量统计表

4 数据处理与分析

由于不同岩石具有不同的电性特征，且煤层视电阻率值高于岩层，而采空区视电阻率值又远高于煤层和岩层，电性差异明显，表现为高阻异常；当采空区积水时，其视电阻值因水的存在而明显降低，与煤层和岩层电性差异明显，表现为低阻异常[5-7]。故采空区及采空积水区在探测资料具有以下特征：（1）采空区视电阻率平面图上表现为“高电阻异常”；（2）采空区充水较多时在视电阻率平面图上表现为“低电阻异常”。瞬变电磁的平面图以目的层顺层等视电阻率平面图为主，顺层等视电阻率平面图是通过顺煤层视电阻率值的变化规律来反映全勘查区地质变化规律，不同的深度反映了不同的地质变化规律，是推断解释的重要图件之一。

4.1 3#煤顺层探测结果与分析

图3 为3#煤顺层视电阻率平面图，图中蓝色区域为低阻区，棕红色区域为高阻区。由图3可知，视电阻率等值线数值整体上差异较小，变化范围为79 Ω·m~143 Ω·m，将视电阻率值为85 Ω·m~92 Ω·m视为低阻异常（图3处红线圈定区域）为采空区富水异常。其中，Ⅰ号低阻异常区位于测区西南部1~2测线25#~27#测点处（面积约2 800 m2），该异常处于煤矿工作面开采的底板相对低处，结合地质资料分析该处异常为3#煤采空积水异常区。Ⅱ号低阻异常区位于测区东南部1~5测线98#~109#测点处（面积约38 360 m2），该异常处于与煤矿工作面（已回采）相吻合且位于煤层底板相对较低处，结合地质资料分析该处异常为3#煤层采空积水异常区。

图3 3#煤顺层视电阻率等值线平面图

4.2 K4含水层顺层探测结果与分析

由矿井水文地质资料知，K4含水层与15#煤间的平均层间距为58 m，含水层裂隙发育程度差。图4为K4含水层顺层视电阻率等值线平面图，图中蓝色区域为低阻区，棕红色区域为高阻区。由图4可知，K4含水层顺层视电阻率等值线数值变化范围为86 Ω·m~163 Ω·m，根据数理统计分析阻值为86 Ω·m~112 Ω·m低阻异常（图中黑线圈定）为富水异常，共圈定5处，依次为：K4-1异常位于测区西北部（面积约7 770 m2），K4-2异常位于测区西中部（面积约22 670 m2），K4-3异常位于测区西南部（面积约31 860 m2），K4-4异常位于测区中南部（面积约19 900 m2），K4-5异常位于测区东部（面积约242 270 m2），由于视电阻率整体差值较小，结合地质资料推断该含水层整体富水性较弱，局部地段受构造影响富水性相对较强。

图4 K4含水层顺层视电阻率等值线平面图

4.3 15#煤（K2含水层）顺层探测结果与分析

由于15#煤和K2含水层平均间距为1.34 m，瞬变电磁法无法区分，故将二者合为一个顺层分析富水性，根据地质资料可知该含水层裂隙发育程度差。图5为15#煤（K2含水层）顺层视电阻率平面图，图中蓝色区域为低阻区，棕红色区域为高阻区。由图5可知，15#煤（K2含水层）顺层视电阻率等值线数值变化范围为91 Ω·m~179 Ω·m，视电阻率值整体变化较小，推断15#煤不存在采空积水区；根据数理统计分析阻值在91 Ω·m~119 Ω·m的低阻异常（图中黑线圈定）为富水异常，共圈定6处，依次为：K2-1异常位于测区西北部（面积约19 950 m2），K2-2异常位于测区西中部（面积约18 890 m2），K2-3异常位于测区西中部（面积约5 070 m2），K2-4异常位于测区西南部（面积约39 990 m2），K2-5异常位于测区中东部（面积约26 300 m2），K2-6异常位于测区东部（面积约302 790 m2），由于视电阻率整体差值较小，结合地质资料推断该含水层整体富水性较弱，局部地段受构造影响富水性相对较强。

图5 15#煤（K2含水层）顺层视电阻率等值线平面图

4.4 建议

本次地面电法勘探的分析解释均为静态和定性解释，随着矿井开采会使局部地段的地质情况发生变化，水文地质条件也随之发生改变，必须考虑到顶板冒落、底板破碎等扩大原有的裂隙通道或增加新的导水通道的可能性；富水性较弱的垂向裂隙等构造电法异常反应不明显，但采掘活动可能使其具备良好的导水特性。因此，为保证井下采煤生产的安全，还需采取以下措施：

（1）掘进15#煤巷道时应进行井下超前探测和钻探工作，对3#煤解释的采空积水区，提前加密钻探验证排放；

（2）回采过程中可能由于15#煤底板应力变化导致断层和陷落柱等地质构造形成大的导水通道，建议留设保护煤柱；

（3）加强采掘前的矿井防治水工作，严格按照“预测预报，有掘必探，先探后掘，先治后采”的原则全面开展井下超前探测，随时观察记录水文地质条件变化情况，以便实施针对性更强和更有效的防治水技术措施。