基于权重理论的瞬变电磁数据处理研究

2023-05-30王嗣桐

煤炭与化工 2023年4期

吕扬，包函，王路，蒋超，王嗣桐

（1.陕西陕煤曹家滩矿业有限公司，陕西榆林 719000；2.中国矿业大学（北京）国家煤矿水害防治工程技术研究中心，北京 100083）

0 引言

近年来，采空区积水进入矿井造成淹井的事故时有发生，采空区积水是造成煤矿水害的重大隐患之一，如山西省忻州市代县大红才矿突水事故的直接原因便是雨水与未完全治理的采空区积水汇聚，使采空区的积水量增加，水压增大，突破了薄弱的岩层，导致突水事故的发生。而我国西部高强度开采矿区地表生态脆弱，井下生产面临的水害威胁也较大。只有探明各种潜在的水害，并采取必要的防治措施，才能有备无患，保证煤矿的安全生产。

瞬变电磁法在探查地下水、采空区积水、巷道积水、一些隐蔽的导水通道等水害威胁时能得到较为准确的探查结果。瞬变电磁法因其高效性，是煤矿水害探查中的一种主要方法，应用范围也非常广泛[1-3]。众多学者采用瞬变电磁技术对可能存在的水患点进行探测，圈出了可疑位置[4-9]。邢楷[10]利用瞬变电磁法探测出了赵庄二号井F91 断层的富水情况，并对断层的走势进行了预测，为2103 工作面的安全掘进提供了指导意见。瞬变电磁法在岩溶水的探测中也有较多的应用，并取得了较好的效果[11-12]。钟声[13]利用地面与井下瞬变电磁法相结合的方法对鱼卡煤田的富水区域进行探测，先用地面瞬变电磁法对富水区域进行圈定，再针对圈定的富水区域采用井下瞬变电磁法进行二次查验，为下一步的抽排水工作的进行提供了指导意见。张振勇[14]采用包括瞬变电磁法在内的综合电法，对老空水进行探查，取得了良好得效果，并发现只要通过设备及技术参数的调节，排除外界的各种干扰，不同方法可以相互印证，再次说明了瞬变电磁法无论使在探查大面积的采空区积水还是小范围的巷道积水都具备一定可靠性。但因物探资料具有多解性，研究时往往是通过钻探或其他手段与之配合，花费较大。

本文对曹家滩煤矿122109 工作面采空区及采空区导水裂缝带区域的富水性进行研究，结合工作面以往施工情况和水文地质条件进行综合研判，采用富水性指数法对122109 工作面顶板富水性进行划分，结合富水性评价结果对瞬变电磁数据不同处理方法进行权重，提高瞬变电磁的准确性。

1 概况

曹家滩煤矿位于陕西省榆林市榆阳区，122109工作面位于曹家滩煤矿12 盘区西翼，工作面设计长度6 004 m，宽度260 m，采用综放开采，工作面具体位置如图1 所示。目前主采层为2-2 煤层，主要的充水含水层为直罗组砂岩含水层及延安组煤层顶板砂岩含水层。煤层顶板含水层是直接充水含水层；风化基岩带、第四系松散含水层以及大气降水、地表水体等对煤层开采的影响程度主要取决于煤层开采后形成的导水裂缝带的高度。122109 工作面已完成开采任务，现开采122109 工作面北面122107 工作面，但122109 工作面采空区积水情况不明，因此为了保障煤矿安全生产，需要探明陕西曹家滩煤矿122109 工作面采空区的积水情况。

图1 122109 工作面位置Fig.1 The location of No.122109 face

2 数据采集与分析

2.1 富水性分区

将曹家滩矿区内的70 个钻孔数据进行整理，筛选出含水层厚度、单位涌水量、渗透系数、岩芯采取率和脆塑岩厚度比5 个参数。根据主控因素与富水性的相关性绘制归一化后的专题图，其中，含水层厚度、单位涌水量、渗透系数和脆塑性岩度比与富水性呈正相关，采用极大值法；岩心采取率与富水性呈负相关，采用极小值法。再根据迈实在AHP 软件通过专家打分的方式赋予的权重，结果见表1；绘制富水性分区图，如图2 所示。

表1 煤层顶板富水性主要因素权重Table 1 The weight of main factors of coal seam roof water abundance

图2 富水性评价图Fig.2 The diagram of water abundance evaluation

2.2 瞬变电磁布置与处理

在122109 工作面辅运顺槽5 000 m，外回风顺槽1 000 m，布置探测测点602 个，测点间距为10 m，如图3 所示。每个测点设计4 个探测方向，分别为0、向上30°、向上60°和向上90°方向，其中0°测线的探测方向朝向122109 工作面采空区，30°、60°和90°三条测线朝向122109 工作面采空区冒落带和导水裂缝带，如图4 所示。

图3 瞬变电磁观测点平面布置示意Fig.3 Plane of transient electromagnetic observation points layout

图4 瞬变电磁勘探测线布置示意Fig.4 Transient electromagnetic exploration line layout

采用YCS2000A 矿用瞬变电磁仪，探查时发射频率6.25 Hz，发射电流≤4.5 A，发射电压≤6.5 V，叠加次数为10 000 次，探测距离大于10 m，不小于140 m。设备自动进行数据采集，共探测602 组数据。采用系数校正法和核函数算法计算电阻率，再通过AHP 软件根据上文富水性评价结果将两组图进行权重叠加处理，绘制了122109 工作面辅运顺槽及外回风顺槽分别在0、30°、60°和90°方向的电阻率断面图，如图5～图9 所示，并在图上初步圈定了32 个异常位置。

图5 122109 工作面辅运顺槽0 方向电阻率断面图Fig.5 The resistivity section diagram of auxiliary transportation roadway in 0direction of No.122109 face

图6 122109 工作面辅运顺槽向上30°方向电阻率断面图Fig.6 The resistivity section diagram of auxiliary transportation roadway in up 30°direction of No.122109 face

图9 122109 工作面外回风顺槽电阻率断面图Fig.9 The resistivity section diagram of outer return air roadway in No.122109 face

将不同角度的视电阻率断面图进行投影，绘制出积水空间的投影平面图，划分出6 个异常区，如图10 所示。

图10 122109 工作面积水空间投影平面图Fig.10 The projection plane of accumulated water space in No.122109 face

3 成果解释

不同角度的视电阻率断面图投影后，32 个异常点在6 个异常区有较大的重合，具体位置见表2。

表2 异常区情况Table 2 Abnormal area situation

3.1 异常区1

YC1、YC8、YC9、YC14 和YC21 由下而上组成异常条带为异常区1，位于辅运顺槽0～500 m。根据视电阻率值，异常区1 表现为相对低阻特征，分析认为此区域为相对弱含水区，顶板存在富水性，推断此区域采空区存在一定范围的积水。在此区域顶板存在导水裂隙带，分析认为异常区1 是由于潮湿和部分区域存在积水引起。异常区1 是由于潮湿和部分区域存在积水引起，对积水面积和积水量不做预测

3.2 异常区2

YC2、YC3、YC4、YC10、YC15、YC16 和YC22 由下而上组成异常条带为异常区2，位于辅运顺槽900～2 200 m。根据视电阻率值，分析认为此区域为中等含水区，结合此区域导水裂隙发育明显，积水范围较大，顶板富水性较强，水源补给强烈，分析认为异常区2 是由于采空区积水引起。推断此区域采空区积水面积约为36 063 m2，积水量约为18 392 m3。

3.3 异常区3

YC5、 YC6、 YC11、 YC12、 YC17、 YC18、YC19、YC23 和YC24 由下而上组成异常条带为异常区3，位于辅运顺槽2 400～3 600 m。根据视电阻率值，分析认为此区域为相对强含水区，采空区存在大范围积水，成果图中异常区向工作面内延展较深，证明导水裂隙发育明显，顶板富水性强烈，有较强的水源补给。推断此区域采空区积水面积约为60 915 m2，积水量约为40 203 m3。

3.4 异常区4

YC7、YC13、YC20 和YC25 由下而上组成异常条带为异常区4，位于辅运顺槽4 100～5 000 m。根据视电阻率值，分析认为此区域为相对强含水区，顶板裂隙发育明显，分析认为异常区4 是由于采空区积水引起。由于是在不同巷道探测，通过综合分析异常区4 和异常区6 积水空间可能存在一定联系。故只预测了异常区6 的采空区积水面积及积水量，在此区域不做重复计算。

3.5 异常区5

YC26、YC28、YC30 和YC32 由下而上组成异常条带为异常区5，位于外回风顺槽0～250 m。根据视电阻率值，分析认为此区域为相对强含水区，有导水裂隙发育，顶板富水性较强，采空区积水主要堆积在主运顺槽，范围较大，推断此区域采空区积水面积约为26 035 m2，积水量约为18 141 m3。

3.6 异常区6

YC27、YC29、YC31 和YC32 由下而上组成异常条带为异常区6，位于外回风顺槽400～1 000 m，根据视电阻率值，分析认为此区域为相对强含水区，积水范围较大，顶板富水性强，导水裂隙向顶板延伸较深，导水通道发育明显，异常区6 和异常区4 采空区积水存在一定联系，推断此区域采空区积水面积约为26 035 m2，积水量约为11 715 m3。