瞬变电磁法在新铁煤矿隐蔽采空区探测中的应用

2023-02-27蒲文龙PUWenlong丁洁琼DINGJieqiong

价值工程 2023年4期

蒲文龙PU Wen-long；丁洁琼DING Jie-qiong

（黑龙江科技大学安全工程学院，哈尔滨 150022）

0 引言

煤矿透水事故对井下安全高效生产和人民生命财产安全造成重大影响。根据国家矿山安全监察局官方网站以及煤矿安全网公布的数据资料，2019-2021 年，煤矿共发生水害重大事故3 起，死亡54 人；发生较大事故5 起，死亡22 人；发生一般事故7 起，死亡9 人；发生涉险事故12起[1]。根据相关数据统计，老空或老窑透水占煤矿突水事故中比重最大。采空区积水是危害煤矿开采的重要安全隐患，水害一旦发生，破坏力极强，因此，查明煤矿水文地质条件及隐蔽采空区的位置及范围，防止煤矿水害发生至关重要[2]。

随着科学技术的发展，地面物探已成为探测煤矿隐蔽采空区的重要技术手段，其中应用比较多的有瞬变电磁法、三维地震法、高密度电法、测氡法以及综合物探技术等。而瞬变电磁方法具有体积小、探测方向性强、分辨率高、对低阻区敏感、施工快速等优点，被广泛应用于煤矿隐蔽采空区和含水体的探测工作[3]。

高冬冬研究了瞬变电磁法在探测工作面底板富水性中的具体应用表明，该方法能准确测定采煤工作面煤层底板的富水性情况[4]。李海涛根据实际应用表明，瞬变电磁探测技术能够将防水探测时间缩短89.4%，可显著提升井下防水探测的效率[5]。孙怀凤等通过回顾各类钻孔瞬变电磁法的研究历史表明，回线源地-井瞬变电磁法已在生产中取得较多成功应用，而电性源地-井和隧（巷）道钻孔瞬变电磁法研究基础薄弱[6]。R.J.Irvin 通过钻孔瞬变电磁（DHEM）测量的几个实例表明，小环路采用相对大电流比大环路更有利于DHEM 异常的结论[7]。A.E Plotnikov 基于所提出的感应瞬变电磁法地下探测系统的电学模型，进行了数值实验，在实验过程中，比较了理论和伪实验emf 曲线，根据它们的收敛程度，确定系统在深度上充分记录来自激发空间的响应的能力[8]。Gang li 等提出了一种基于三相-单相矩阵变换器（TSMC）的新型瞬变电磁法（TEM）仪器发射机，取代了传统的由交直流变换器和H 桥逆变器组成的发射机[9]。李爱生等阐述了瞬变电磁法在某煤矿运输大巷掘进超前探中的应用，并验证了“物探先行、钻探验证”应用于煤矿防治水的有效性[10]。

综上所述，由于单一物探方法的多解性，综合物探是今后煤矿隐蔽采空区探查的重要方向，基于此，本文采用以地面瞬变电磁探测为主、钻探验证为辅相结合的探测方法，以便精确探测隐蔽采空区的位置和范围，为煤矿防治水工作提供技术支持。

1 瞬变电磁法工作原理

瞬变电磁法（TEM 法）是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，从而来解决有关地质问题的时间域电磁法，即电磁感应定律[11]。瞬变电磁仪器一般使用回线场源阶跃脉冲（相当于矩形脉冲后沿）激发的瞬变电磁场进行测量。在导电率为σ、导磁率为μ0的均匀各向同性大地表面敷设面积为S 的矩形发射回线，在回线中供以的阶跃脉冲电流[12]。在电流断开前，发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场，如图1 所示。

图1 矩形回线的磁力线及等效涡流环

当t=0 的时刻，将电流瞬间切断，那么由该电流产生的磁场也会立刻消失。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”[13，14]。从“烟圈效应”的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变地磁场主要是由深部的感应电流产生的，反映深部的电性分布。因此，观测和研究瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电性的垂向变化，这便是瞬变电磁测深的原理[15]。

2 新铁煤矿地面物探工程实践

2.1 工程地质概况

新铁矿区位于中下元古界黑龙江群和麻山群的片岩、片麻岩为该井田的沉积地层的基底；中生界白垩系下统的鸡西群滴道组不整合于上侏罗系万龙组之上，岩性为集块岩，凝灰质砂岩，该层组厚度大于650m；白垩系下统城子河组地层平行不整合于滴道组之上，猴石组与其下覆城子河组下段地层在该井田体现为角度不整合。滴道组、城子河组为本区主要含煤地层，厚度1600～2200m，平均1719m；含煤数60 余层，煤层的总厚度37.47m，含煤系数占2.3%，其中可采和局部可采煤层21 层，可采和局部可采煤层总厚23.86m，可采系数为1.4%[16]。

新铁矿区地质构造较为复杂，处于新华夏系，第二隆起带双鸭山至鸡西中生代土幼陷带的中部。新铁矿区位于勃利煤田弧形构造转折端偏东南地区，区内受到南北压力作用，发生比较强烈的褶皱和断裂变动。以近似东西的复褶皱为主，并伴随褶皱产生了近似平行轴向德逆断层，由剪切力产生斜交断层[16]。全区基本构造形态为东西走向的向南倾斜的背斜构造。井田内无论是褶皱构造还是断层都非常发育，见图2。

图2 地质构造纲要示意图

2.2 瞬变电磁探测方法及成果分析

2.2.1 煤系地层概况

井田含煤地层均为白垩系下统的滴道组和城子河组的地层。全区发育的煤层有共9 层，局部可开采的煤层为第35 层、40 层、98 层、99 层、114 层和119 层。矿区内生产和报废的小煤矿众多，区内各小煤矿大部分与大矿都以大断层及向背斜构造为界。

本文以铁东煤矿主采煤层114 层和119 层采空区探测情况为例进行分析。不同的岩层具有不相同的地球物理特征（如电阻率、激发极化率、地震传播速度等），地球物理勘探方法是以目标层与各围岩层的物理性质差异为勘测对象进行解释分析研究的，也是本次地球物理勘探工作的理论基础和解释依据[17]。电法对煤层采空区的解释依据为物的电性差异，地下煤层采空后，固有物性变化规律将被打破，导致采空区与周围岩层差异突出。不含水，则采空区表现为高电阻率特征；积水，则电性相对较低。正是这种电性的变化，使采空区表现出与周围岩层有较大差异[18]。勘探区岩层视电阻率见表1。

表1 勘探区岩层视电阻率值统计表

2.2.2 煤层采空区分布形态

根据工程勘探需求，工区共布设80 条测线，网度为40m×40m，测点总计3115 个。探测仪器采用terraTEM24，利用反演软件对所获得的数据进行处理分析。由于114 号煤层发育极不稳定，114、119 号煤层层间距较小，因此，将114、119 号煤层采空区和采空积水区分析合为一层进行统一解释。

由图3 可知，视电阻率值在50～330Ω·m 之间变化，根据视电阻率变化情况，结合已知当地的水文地质材料，圈定了114 与119 号煤层的采空区范围。根据视电阻率值的大小，确定瞬变电磁法解释的阈值，圈定采空积水区；故将视电阻率值小于150Ω·m 的阻值范围圈定为114、119 号煤层采空积水区域（如图中蓝色圈定部分）。

图3 114、119 号煤层顺层视电阻率等值线平面图

由图4 中可知，114、119 号煤层在勘探范围内大部分分布，采空区在测区范围内零散分布；根据地层电性规律，划分为一块采空积水区，三块低阻异常区，采空积水区分布在探测区域1 的东部煤层底板等高线相对较低的部位。根据已知资料，YC3 位于新铁煤矿二采区右部，为关闭区域，存在三个小井工程。开采煤层为119 煤层，119 最下部片盘-85.0m 标高与二采区联通，老窑积水会通过原三采区左四片流出，通过二采区主运巷汇入一水平井底水仓，不存在积水；YC4 位于向阳四区十二采，积水通过与新铁煤矿连通处排出。富东二十八井，开采119 号煤层，与四采区一井联通，积水通过连通处从新铁煤矿排出。低阻异常区是由于煤层顶板砂岩裂隙水富集区所致。

图4 114、119 号煤层采空区及采空积水异常区平面图

2.2.3 断层富水性分析

断层富水性也是导致煤矿突水事故的原因之一。根据断层富水性电性变化规律可判断其富水性。对于富水断层，其视电阻率值远小于不富水断层和周围不富水地层的视电阻率值[19]；断层的导水性取决于两盘岩性及断层力学性质，同一断层，由于两盘岩性以及力学性质的变化，不同部位的导水性不尽相同。发育于脆性岩层中的张性断裂，中心部位多为疏松多孔的构造角砾岩，两侧一定范围内则为张开度及裂隙率都增大的裂隙增强带，常具有良好的导水能力，断层两侧视电阻率值变化不明显；发育于含水泥质较多的塑性岩层中的张性断裂，构造岩夹有大量泥质，两侧的裂隙增强也不如脆性岩层中明显，往往导水不良甚至隔水，在断层两侧视电阻率值会发生较明显变化[20]。

结合新铁煤矿地质构造纲要，以F17 断层为例，在断层附近视电阻率等值线基本沿着地层走向倾斜并向深部递增变化，在断层附近的视电阻率等值线变化不大，不存在明显的低阻异常，因此可确定该断层不富水，视电阻率断面图见图5。

图5 F17 断层视电阻率断面图

根据地面瞬变电磁探测结果，结合矿区工程地质和水文地质资料，地层埋深在35 煤层至119 煤层范围内，局部富水异常有F20 断层；富水异常不明显有F17 断层、F19断层、F34 断层、F40 断层和F56 断层。

2.2.4 地面钻探验证

为验证上述探测成果的有效性，在探测区域布设了3个钻孔，用以确定所圈定采空积水异常区，见图6。根据现场踏勘及周边调查，钻探取芯及钻孔揭露采空区情况，与地面物探圈定范围基本保持一致，证明了地面瞬变电磁探测老窑采空区和煤岩层富水性有较好的适应性。根据物探所圈定采空区范围和钻孔探测结果，综合确定新铁煤矿老窑采空区面积，具体情况见表2。