矿井瞬间电磁法在孤岛工作面防治水中的应用

李 佳，李恩来

(山西潞安化工集团 王庄煤矿，山西长治 046031)

王庄煤矿经过50多a的安全高效开采，煤炭资源实际储量不断减少，为了扎实推进精益管理指导下的“算账文化”，加强边角煤孤岛煤柱资源回收利用成为保障煤炭供给的一项重要工作。从矿井防治水来讲，孤岛工作面周边均为采空区，回采过程中可能受到采空区积水、顶底板、煤岩体富水及可能存在的导水通道的综合水害威胁，极易造成工作面出水事故[1]。为了有效避免水害事故的发生，回采前，必须采取有效的探测方法查明工作面范围内富水区域的分布情况。矿井瞬变电磁法(MTEM)是目前矿井水文勘查中应用较为广泛的一种物探手段，尤其对查明含水通道、采空区积水、深部不规则水体方面具有较为明显的优势[2-4]。本文以52M2孤岛工作面为例，对MTEM技术在王庄煤矿孤岛工作面富水情况探测中的应用进行探讨。

1 研究区概况

52M2 工作面位于王庄煤矿52采区，主采3号煤层，煤层厚度稳定，均厚6.9 m，工作面整体两头高中间低，煤层倾角5～15°，工作面前半部分为向斜构造，后半部分整体上山。52M2风巷倾斜长420+222 m，运巷倾斜长735 m，工作面设计为刀把面，里切眼长157 m，外切眼长119 m，按照工作面布置，沿工作面本层穿越52猴车巷和52材料运输巷。工作面北部为5205已采工作面，南为52/3已采工作面，西为52煤仓，东为13放水巷。52M2工作面主要充水水源为3号煤层上部的顶板砂岩含水层，砂岩含水层中的水以及空巷中的水，正常水量为0.2～0.25 m3/h，工作面为非(奥灰水、太灰水)承压。

由于工作面孤岛的特殊性，为了消除52/3、5205已采工作面采空区积水影响，在风运巷掘进期间，采用瞬变电磁法+钻探验证的方法对老空区积水进行探测，现场瞬变电磁法结果未发现异常低阻区，但为了确保掘进和回采安全，现场施工钻孔进行验证，风巷共计施工12个钻孔，运巷施工23个钻孔，验证结果未发现老空区积水区。为查明52M2工作面内600 m范围内顶板、顺层、底板煤岩体富水情况及导水通道分布情况，消除水害威胁，设计采用矿井瞬变电磁法对工作面充水性进行探测。

2 施工设计与探测布置

本次探测使用的仪器为安徽惠州地质安全研究院研制的YCS360A型瞬变电磁测深仪，根据现场不同参数探测试验结果，本次探测选定采集参数发射频率为5 Hz，采样频率1.25 MHz，叠加采样128次，以此采集传播穿透能力更强、信噪比更高、更为可靠的二次感应电磁场衰减数据。现场探测分别沿52M2工作面运巷、风巷每10 m布置1个瞬变电磁测点，52M2运巷探测自切眼口开始向巷道内进行布置，至600 m处结束，对应探测点号为运巷0号～运巷60号；52M2风巷探测自绕口点处(对应52M2运巷610 m处)开始向切眼方向布置，至切眼口结束，有效探测长度620 m，对应探测点号为风巷0号～运巷62号，见图1。52M2运巷、风巷每个测点探测分为顶板30°方向、顶板15°方向、顺煤层方向和底板30°方向，共4个方向，见图2。

图1 52M2工作面瞬变电磁探测布置示意

图2 52M2工作面瞬变电磁探测方向示意

根据工作面实际情况，52M2运巷有效探测长度600 m，共采集瞬变电磁测点61个，每个点采集4个方向，共计数据点244个；52M2风巷有效探测长度620 m，共采集瞬变电磁测点63个，每个点采集4个方向，共计数据点252个。

3 数据处理与成果解释

瞬变电磁在矿井探水，探测构造中的解释原则：主要从电性上分析不同地层的电性分布规律，当断层、裂隙和陷落柱等地质构造发育时，无论其含水与否，都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律，这种变化规律的存在，表现出岩石导电性的变化[3-4]。当存在构造破碎带时，如果构造不含水，则其导电性较差，局部电阻率值增高；如果构造含水，由于其导电性好，相当于存在局部低电阻率值地质体，解释为相对富水。根据MTEM视电阻率拟断面图，综合地质和水文地质资料，即可确定横向、水平深度和垂向深度的电性变化情况。矿井瞬变电磁数据处理选择MTEM系统配套数据处理软件。处理流程为：数据室内回放—数据的预处理(转化、拆分)—曲线剖面分析—滤波处理—视电阻率计算—三维正反演—剖面绘制。

首先，选取运巷60号点为坐标系统的原点，沿风巷至切眼方向为X轴正方向(同为探测法向方位角0°方位)，平行于切眼由运巷指向风巷方向为Y轴正方向(同为探测法向方位角90°方位)，距离52M2工作面巷道垂直方向为Z轴，以巷道底板为起点，高于巷道底板的为正方向，低于底板的为负方向。其中，风巷0～3号探测点与X轴水平方向呈21°夹角，风巷41～44号探测点与X轴水平方向呈42°夹角。52M2工作面风巷、运巷探测帮壁均铺设有排水管路，结合现场探测实际情况，部分区域采用了支架或工字钢进行支护，运巷部分区域底板存在积水，以上因素对本次瞬变电磁探测均有一定的影响。

根据本次瞬变电磁法探测结果，结合现有矿井地质和水文地质资料，以及52M2工作面的实际情况，对比分析以往探测经验，对比参照瞬变电磁探测立体成果，见图3，对52M2工作面面内富水性瞬变电磁探测成果进行综合分析，52M2工作面整体探测数据良好，52M2运巷切眼前200 m(对应成果图400～600 m)探测受排水管路影响较大，故未作异常圈定。52M2工作面存在3处异常区，分别为顶板富水异常区YC-1异常区、底板富水异常区YC-2异常区和YC-3异常区。

图3 52M2工作面顶底板富水性瞬变电磁探测立体成果

1) YC-1异常区：位于52M2运巷190～210 m范围内相对低洼处，偏面内20 m，高度为工作面+2～+40 m。异常区呈现闭合形态，视电阻率阻值在19 Ω·m左右，结合现矿井地质和水文地质资料，综合分析YC-1为受3号煤层顶板砂岩含水层(主要为K8)所致。

2) YC-2异常区：位于52M2风巷170～250 m范围内向斜相对低洼处，偏面内0～60 m，高度为工作面-20～-40 m。异常区呈现为双闭合聚集，视电阻率阻值在13～20 Ω·m之间，综合推断可能为底板砂岩含水层所致。

3) YC-3异常区：位于52M2风巷310～340 m范围内，偏面内20～30 m，高度为工作面-20～-40 m。异常区呈现闭合形态，视电阻率阻值在18 Ω·m左右，综合推断可能为底板砂岩含水层所致。

根据矿井瞬变电磁法探测结果，对3个富水异常区位置和区域进行钻探验证，结果表明，探测结果与实际水文地质情况基本相符，仅是钻探验证圈定范围与探测圈定结果存在较小的差别。除此之外，对52M2运巷切眼前200 m(对应成果图400～600 m)低阻区也进行了探测验证，验证结果显示该区域底板不存在富水异常区，排水管路影响造成低阻区的存在，进一步验证了探测结果的正确性。

4 结 语

根据瞬变电磁法探测结果，52M2工作面存在3个低阻异常区，结合现有矿井地质和水文地质资料以及52M2工作面的实际情况，综合判断分析，3个低阻异常区中1个低阻异常区(YC-1)为K8顶板砂岩含水层所致，2个低阻异常区(YC-2、YC-3)为3号煤层底板下砂岩含水层所致，并通过钻探验证了探测结果的准确性。

为了有效的保证回采期间不受水害威胁，应当做好如下工作：

1) 加强工作面回采过程中的地质调查及地质预报工作，观测回采过程中的水文地质情况，建立观测台帐，帮助分析及预测未来水量变化。

2) 回采过程中对出现的地质异常以及异常区域的水文地质情况及时进行记录，地质及防治水技术人员可结合视电阻率分布情况进行深入解释，必要时与探测方技术人员联系，以便对成果资料进一步分析解释，必要情况下可开展加密观测工作，为现场施工提供参考。