瞬变电磁法探测煤矿采空积水区

2021-11-09叱舜宇

魅力中国 2021年41期

叱舜宇

（山西华冶勘测工程技术有限公司，山西太原 030000）

煤矿在开采的过程中，地下水会通过矿井的通道进入矿井中，当其水量超过了标准水量的时候，就会造成积水事故，这对于煤矿的开采工作产生不小的影响，还可能从很大程度上造成了施工的利益损失。而瞬变电磁法，就现在而言，可谓是发展迅速并且应用极其广泛，在社会大众的心理有着崇高的地位。顺变电磁阀主要用于对煤矿开采过程中，对其二次场进行探测，对滴足与高含量的水体来说，有着非常灵敏的感应，并且极具有很多优点，例如体积小、探测施工方便、观测的分辨率清晰等。所以在煤矿施工过程中有着极其重要的应用价值。他可以在煤矿采空积水区探测积水情况，并且可以防止很多安全隐患对煤矿施工的开采有很大的意义[1]。

一、理论基础

（一）瞬变电磁法勘探原理

瞬变电磁法,属于利用电磁瞬变感应的一类电子探测器,遵循传统电磁瞬变感应法的原理。其主要是导电介质在随着阶跃速度变化的地下电磁场短波激发所产生的短波涡流激发效应,即“一次场”。根据脉冲电磁波的感应涡流定律,脉冲波的电磁波发射结束后,大地或火星探测器等目标体在脉冲激发场磁的作用下,内部就会产生电磁感的涡流。涡流还具有中子空间运动特性和中子时间运动特性,其阻力大小与运动目标体的中子空间运动特征和中子电性运动特征、激发弹性特征等多种因素密切有关,因热中子损耗的增大缘故涡流会逐渐轻微减弱至完全消失。涡流分布大小虽然不能直接进行测量,但可通过利用专门观测仪器进行观测空间涡流运动产生的空间电磁场。

同时，探测特定导电目标的其他微波导电几何信号埋藏场的规模占地面积越大、埋藏到的区域范围越浅、导电性越好,则二次场的其他微波几何信号越强、持续时间越长。研究者对二次场的地质空间结构进行了深入的调查研究，可以准确性地推测出重要岩质结构地层或其他重要地质结构活动条件，目标体的地质结构特性和各种性质的结构特征[1]。

需要注意的是测量时的远近场问题：首先场的早晚和远近是没有任何直接联系的。场的早期与晚期指的是时间维度的变化，其中早期场指的是高频成分尚未完全衰减的场，晚期场指的是高频成分衰减完毕只剩低频成分的场。相对的，近场指的是收发距远小于趋肤距离的场，远场指的是收发距远大于趋肤距离的场。场的远近和早晚是没有任何联系的。如果按照四个维度画一个xy 轴坐标系的话，四个象限都是存在电磁场的。在远区场的早期进行测量，同时在近区场的晚期进行测量。远区场的早期阶段，高频成分还在，因此有很强的分辨能力；到了晚期时只剩下低频成分。由于远区的感应磁场是由空气中直接向地面传播的，在晚期有比较强的涡流现象，相对的而言地层厚度远没有涡流范围更大，且收发距非常长导致晚期信号弱，因此不具备分层能力。对于近区场的晚期而言，这时的感应磁场因为是由烟圈效应引起的，具备比较好的分辨能力。反而在近区早期，一次场影响比较大，而且近区的一次场衰减更快，导致近区早期持续时间非常短，无法得到有效信息[3]。

（二）煤矿采空区物理特征

煤层采空赋存于不同成片煤层零散分布煤系上部地层中,煤矿的煤层在开采的过程中就变成了采空区,这就导致了煤层中部变空，从而产生了突然的变化，导致原来的煤层状态被破坏掉。然而当煤层采空区面积较小时,且该系煤层上部顶板为网状塑型变质岩石存在缺失,由于煤层残留剩余煤柱数量较多,压力快速转移扩大到剩余煤柱上,不会引起煤层顶板的掉落与变形情况，但是采空区就相反了，当采空区的水不充足时，形成了空洞，并且受到地球中的重力影响，产生了掉落现象，顶板因此掉落，形成煤层冒空塌落收缩带、裂隙收缩带和弯曲带。上述原因导致其地质物理形态特征结构发生了显著性的变化,主要特征表现如下为：

1.岩性煤层介质采空区域的冒落导电带与完整的的地层介质相比,岩性介质变得疏松、密度大大降低,即使在单位介质体积内煤层介质的导电密度大大降低,同时岩性使得导电传播于其中的介质导电性大大降低,在其导电性上仍然表现为电阻异常;

2.消除煤层积水采空区长期出现煤层积水漏电情况,由于煤层水晶体是低压电阻体,与采空区及完整的的地层积水相比,电性质会发生明显的变化,电阻的斜率明显由大变小,由此可见,采空积水区的涡流电阻值效率明显提高[4]。

二、实例

（一）四台矿410 盘区瞬变电磁探测

大同煤矿集团四台山煤矿公司目前计划对410 盘区11#两个大型煤窑区进行开采,调查过程中发现上部3#和8#两个大型煤层小厂对窑进行采空区下部均存有大量积水的现象,水量不清楚,对下部11#两个大型煤层的窑区进行积水开采也可能造成一定量的安全隐患,需尽快对3#和8#两个大型煤层窑区的采空积水处理,并进行了对煤层地面污染物排放探测和污水探测区的表层覆盖,厚度在可从几米以上到几十米之间变化,下覆盖的地层由老到新为多层石炭灰煤系本溪组、太原组,侏罗系永定庄组、大同组、云岗组、白垩组煤系和金左云组、助马堡组.主要测量可采用的煤层3#相同煤层埋藏厚度为0.98-1.20m 平均埋藏厚度1.2m 较为稳定,埋藏煤层深度间距平均大约为100m 左右,8#相同煤层埋藏厚度1.85-3.83m 平均埋藏厚度3m 较为稳定,与3#相同煤层的埋藏层厚度间距约50m 左右[5],埋藏煤层深度间距平均大约为150m 左右,本次重叠瞬变回线电磁仪的测量主要选用名为wdc-2b 的新型重叠瞬变回线电磁仪,采用新型重叠供电回线“∞”字型测量装置,该字型装置主要具有轻便、高效、抗干扰能力强的主要特点,线框底部边长为5m 可可供电额定电流9a 千瓦左右,点距10m

（二）燕子山矿303 盘区瞬变电磁探测

燕子山矿现对303 盘山矿区14-3#上部煤层小窑进行采空开采,在工作人员对大港煤层进行开发的过程中，因其在采空的过程中，煤层上面部分的通道中大量积水，出现了大量的淋头水，并且范围不小。同时由于303 盘山矿区内煤层，有大多数的小窑,这些小瑶在开采的过程中导致其上部的美诚出现了采空的情况，所以非常紧迫的需要对此部分的采空积水进行处理，故而必须对煤层地面地质物探资料探测,尽快为14-3#上部煤层安全顺利开采出并提交可靠的煤层地质物探资料。

对303 盘区探测务必要以瞬变电磁法为主要指导思路，而把激电测深作为其次要思路进行探测。由此一来，经过研究人员大量的探测观察以及数据分析来看，发现了在区域内存在两处积水的情况，而在此地区的上半部分发生采空积水部分的小窑内的基本情况也被有效探测出来了，也就是大约有十一万九千五百五十米的范围，出现了采空积水的情况，而具有六万六千一百七十二毫升的水量，并且经过专业人员的放水措施以后，发现探测到的数据与实际的区域的数据相符合。

（三）西北煤矿

西北某大型煤矿,于2005年5月关闭,老窑积水采空区具体水源分布地理位置及老窑积水覆盖范围情况不详。由于长期受煤矿局部地下隔水区土层较薄和地下老窑采空局部积水的严重影响,采掘矿井工程和地下矿井安全设施受到严重威胁。为有效防止事故的发生,利用电磁瞬变水流电磁学方法对矿山煤矿煤层井田管理范围内2 号大型煤层井下积水区和采空区的水流分布变化情况实时进行电磁探查,为井下水害防治和洪水灾害工程设计实施提供技术参考。

白垩火山的地层主要结构是砂质泥岩,夹杂一些粘土。侏罗系煤层是一个含铁的煤层,电阻分辨率大约为700.m～1100Ω.m.三叠系以变质砂岩结构为主,电性结构特征为高密度电阻低频率。

此次在进行勘探活动中，使用的探测仪器是国外公司生产的多功能自动型电辐射探测仪，它具有很强的便捷性，并且在一定程度下防止干扰情况，并且感应的范围与一般的探测仪相比更大，精确度更高，探测的清晰度也更高。工作回路装置设计采用一个中心激发回路总线工作装置,发射器的线框尺寸为300mx300m,激发持续频率25hz,激发持续电流14 安培,叠加激发次数500 次。布置电磁瞬变天线电磁微波测量天线16 条,测点在线测点编号范围为0～15,点、线距为20mx10m。

图四、图五是煤层分析图。垂向倾斜上视线路电阻比比率的等值趋势总体为低阻一中高阻二的趋势,横向倾斜上视线路电阻比比率值的等值为该线路的走向与实际含铁和煤物质地层基本一致,反映了实际含煤地质层位的整体电性变化分布。若煤系不受地层富水组成区域或地层含高阻导水组成构造条件影响,煤系统在地层的含导电性质和变化也具有一定的电规律,反映在地层断面图上是因为视地层电阻和频率而其值相对稳定,地层磁性电阻的比率大于等值且测线方向波动明显,表示该处地区为煤层积水区和采空区。测量轴线各点与测线节点之间视测线电阻和功率向等值方向变化稳定,等值与测线之间无明显角度波动,表示所在测量轴线上各处无明显积水区或采空区。