华阳二矿采空区积水瞬变电磁探测技术分析

李骏

（山西华阳集团新能股份有限公司二矿，山西 阳泉 045008）

0 引 言

多煤层可采矿井通常的采煤作业顺序是先采上部的可采煤层，后采下部的可采煤层，这种采煤作业方式存在一定的弊端，即当上部煤层开采结束之后，其采空区范围内如若地势相对低洼，就会充水，当下部煤层开采时，就存在顶水作业的问题，当下部煤层开采形成的导水裂隙带或断层等导水构造导通上部的采空区积水时，就会造成严重的透水事故，给矿井的安全生产和矿工的人身安全造成严重威胁。为了消除这种威胁，常用的防治手段是进行钻探探放水，有时为了钻探更加具有准确性，也会首先采用电法物理勘探的技术手段对采空区的充水可能性和充水范围进行分析，做到有针对性的探放水。目前常用于探查采空区充水性的电法物理勘探技术手段主要包括直流电法、音频电法、高密度电法、并行电法和电测深法等，这些电法勘探的主要技术原理都是在顶板上打上电极，然后进行测试，并且需要多个人员的相互配合，工程量大。为了有效探测顶板采空区充水范围，华阳二矿21501工作面运用瞬变电磁勘探方法对煤层顶板的采空区积水范围进行了探查，探查结果与实际情况吻合，表明了瞬变电磁勘探方法的有效性。

1 工作面概况

华阳二矿21501 工作面开采8 号煤，厚度为2.5～4.45 m，平均3.9 m，倾角2°～12°，平均6°，局部增大至15°以上，21501 工作面位于矿井470 水平8 号煤15 采区，工作面标高+421—+545 m，走向长1 722 m，倾斜长200.7 m，面积345 605 m2，地表位于长吉岭村以北、曹梁村以东，土垴山一带，地形沟谷纵横；地面标高为+880—+1 077 m，埋藏深度370～650 m，从地形图和井上下对照图上观察，对应地面无建筑物和河流。21501 工作面北部为8 号煤13 采区边界，西部为井田边界，东部为8 号煤15 采区准备巷，南部为尚未掘进的21502 工作面；21501 工作面西部上部为鸿泰煤矿3 号煤3206、3204、3202 工作面采空区；东部上部为3 号煤15 采区准备巷及15 采区局部采空区。工作面顶底板岩层如图1 所示。

图1 21501 工作面煤层顶底板岩性综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam roof and floor lithology in No.21051 face

2 采空区充水探查技术研究

2.1 充水条件分析

21501 工作面主采8 号煤层，其上部为鸿泰煤矿3 号煤3206、3204、3202 工作面采空区，3 号煤层与8 号煤层之间的间距平均为46 m，略大于计算得到的导水裂隙带高度43.8 m，由于3 号煤的3206、3204、3202 工作面采空区部分地段地势低洼，可能存在积水，当8 号煤层的21501 工作面开采形成的导水裂隙带导通上覆采空区时，有可能会造成突水事故，威胁工作面的安全生产和职工的生命健康安全。

2.2 瞬变电磁探测技术原理

瞬变电磁探测技术主要是通过发射和接受电磁感应信号，分析电磁感应信号的变化，进而判断探测空间中的电阻率变化特征。煤系地层中各个岩层的形成条件、物质成分、沉积物颗粒大小等不同，造成岩石具有不同的电阻率特性，并且采空区的塌陷和压实程度以及相对低洼处的含水性程度等有所差异，也会引起岩层的电阻率特性发生变化。瞬变电磁探测通过识别低阻异常区进而判别老空区充水性特征。

通常情况下，电磁场的产生主要有两种技术手段，一是通过运用回形线圈通电发射电磁波产生磁源；另一种是将接地电极固定于所要探测的地点，将接地线圈供电产生电流源，通过供电与停电产生磁源，进行探测。由于回形线圈探测方法设备集中程度高，操作简单，此次探测选用回形线圈探测方法，如图2 所示。

图2 YCS360A瞬变电磁仪片Fig.2 No.YCS360A transient electromagnetic instrument

2.3 探测实施过程

根据21051 工作面和上覆3 号煤层3206、3204、3202 采煤工作面的相对位置关系和岩性、充水等条件，选用多匝重叠回线装置（图3），发射线框和接收线框均为1.8 m×1.8 m 矩形回线，发射频率为5 Hz。

图3 瞬变电磁重叠回线装置方式示意图Fig.3 The diagram of transient electromagnetic overlapping loop device

依据物探目的，利用瞬变电磁技术在21051 工作面上顺槽通尺1 050～1 230 m 段（3 号煤层3206、3204、3202 工作面下部） 每隔10 m 布置1个测点进行探测，探测位置布置如图4 所示。

图4 探测范围Fig.4 Detection range

探测方向分别朝内帮仰角60° （α=60°，α为探测方向与水平方向夹角，以水平向上为正，如图5 所示）、顶板仰角90°（α=90°）、外帮仰角60°（α=60°） 3 个方向进行扫描探测。通过多条测线物探结果的纵深和平面特征综合分析，判断工作面顶板岩层的赋水性，圈出相对富水区的位置和范围等。

图5 瞬变电磁探测方向示意图Fig.5 Transient electromagnetic detection direction

2.4 探测结果分析

此次21051 工作面上覆采空区瞬变电磁勘探成果资料处理和解释工作采用仪器配套的瞬变电磁处理软件并结合水文地质资料、物探经验等完成。

资料处理按照如下步骤进行：①对每个探测方向采集的原始数据进行编辑、整理，剔除错误和多余的数据；②利用专业软件对每个探测剖面的数据进行处理，按顺序通过多种校正、转换，再经过正、反演计算，形成绘图数据文件；③最后用专业绘图软件进行处理，形成瞬变电磁勘探视电阻率断面图。最后成果如图6～图8 所示。

图6 顶板仰角90°视电阻率探测结果Fig.6 Apparent resistivity detection results of elevation angle 90°in roof

图8 顶板外帮仰角60°视电阻率探测结果Fig.8 Apparent resistivity detection results of elevation angle 60°in roof external side

视电阻率探测成果图（图7～图9） 中等值线值为视电阻率值。视电阻率值越小，表示岩层可能越为破碎、裂隙发育或采空区赋水性相对越强，视电阻率值越高，主要表示顶板采空区中存在不含水切未被压实的裂隙发育区。

图7 顶板内帮仰角60°视电阻率探测结果Fig.7 Apparent resistivity detection results of elevation angle 60°in roof internal side

此次探测资料分析解释时，以视电阻率值小于10 Ω·m 作为相对低阻异常区界限，以视电阻率值大于100 Ω·m 作为相对高阻异常区的界限，即可以认为视电阻率值小于10 Ω·m 的低阻区作为采空区的充水区域，将视电阻率值大于100 Ω·m 的高阻区作为采空区的未被压实的区域。

根据上述标准，在21051 工作面上顺槽外邦仰角60°处存在低阻异常区（编号S5-1），具体位置为横向上位于21051 工作面上顺槽通尺1 109～1 140 m，纵向上位于21051 工作面上顺槽上帮21～46 m，垂向上位于21051 工作面煤层顶板上方40～48 m 范围内。

3 钻探验证与疏放

为保证21051 工作面安全生产，根据瞬变电磁探测结果，结合工作面实际情况，在上顺槽通尺1 080 m 处布置钻场，安设钻机，对S5-1 低阻异常区进行钻探探查，共设计了3 个钻孔，如图9所示。

图9 钻孔布置平面图Fig.9 Drilling hole layout plane

合计钻探进尺165 m，共计疏放水量为27 821 m3，钻孔探放水见表1。通过钻孔疏放3 号煤层采空区的积水，最终水量均小于1 m3/h，认为已经达到了疏放干净的标准，通过钻孔验证，证明此次瞬变电磁探测结果准确，疏放效果明显，保证了21051 工作面的安全开采。

表1 异常区钻孔参数及疏放水成果Table 1 Drilling hole parameters and drainage results in abnormal area

4 结 语

通过分析华阳二矿21051 工作面与上覆3 号煤层3206、3204、3202 工作面采空区的位置关系，结合瞬变电磁仪探测的特点，对21051 工作面上覆采空区进行探查，在上顺槽探测出横向上通尺1 109～1 140 m，纵向上上帮21～46 m，垂向上煤层顶板上方40～48 m 存在低阻异常区，认为可能为采空区充水所致。经过在上顺槽通尺1 180 m 处施工顶板探查钻孔，累计疏放出27 821 m3采空区积水，确保了工作面的安全回采，验证了瞬变电磁探测的准确性。