基于瞬变电磁探测技术的煤矿防治水研究

张运国

(枣庄矿业（集团）济宁七五煤业有限公司，山东 济宁)

引言

井下煤矿生产及煤矿煤炭回采过程中，受到矿井水文条件与复杂地质条件的影响，存在一定的灾害影响。在井下煤矿工程中，最为常见的灾害当属水害[1]。在煤矿开采深度不断增加的情况下，井下的水文条件与地质条件变得越来越复杂[2]。为了提高煤矿开采与生产的安全，实现强含水层上煤矿资源安全采掘的目标，科学合理的煤矿防治水技术至关重要[3]。现阶段，传统的煤矿防治水技术在实际应用过程中仍然存在不足需要完善，例如防治水覆盖范围有限，不能全面保障煤矿生产的安全[4]。瞬变电磁探测技术能够改善传统煤矿防治水技术存在的问题，利用高性能的瞬变电磁仪，根据矿区内实际情况与水文地质特征，向下发射一次脉冲磁场，实时观测矿区二次感应涡流场的动态变化，进而获取不同深度的地电特征[5]。

本文在传统煤矿防治水方法的基础上，作出了改进设计，引入瞬变电磁探测技术，将其应用到煤矿防治水工作中，提出了一种全新的防治水方法，为促进我国井下煤矿生产行业的可持续发展作出贡献。

1 煤矿防治水研究

1.1 基于瞬变电磁探测技术探测含水异常区

在开展煤矿防治水设计前，需要掌握煤矿工作面含水异常情况。本文引入高精度、高性能的瞬变电磁探测技术，利用该探测技术全方位、多维度地探测煤矿工作面含水异常区。

综合考虑矿区复杂的地质环境条件后，选择适应性与灵活性较强、发射机、接收机与供电电源集成一体的瞬变电磁仪。采用以下公式，估算瞬变电磁仪边长与含水层异常区探测深度之间存在的关联，选取时窗。

其中，D 为煤矿工作面含水异常区探测深度；L 为瞬变电磁仪发送回线边长；I 为瞬变电磁仪发送电流；ρl为瞬变电磁仪探测过程的上覆电阻率；η为最小可分辨电平。含水层关系如图1 所示。

图1 含水层关系示意图

1.2 计算煤矿工作面涌水量

本文在计算煤矿工作面涌水量中，采用比拟法原理，计算公式为：

其中，Q为煤矿工作面设计涌水量；Q为煤矿工作面实际涌水量；S 为煤矿设计开采面积；Sa为煤矿实际开采面积；H 为煤矿设计水位下降高度；Ha为煤矿实际水位下降高度。通过计算，获取煤矿工作面涌水量。根据涌水量计算结果，预测煤矿工作面的地下水渗流情况，判断工作面含水层富水性的强弱。

1.3 煤矿工作面防治水技术措施设计

从煤矿水害预防与治理两个角度设计水害预防技术措施，分别对煤矿不同水害进行防治设计，如图2所示。

图2 煤矿不同水害进行防治图

根据图2，煤矿不同水害具体防治如下所示：

（1）煤矿老窑水防治。在煤矿老窑初期探放水期间，应当设置工作人员，实时监测老窑是否出现透水征兆。

（2）煤矿采空区积水与老巷道积水防治。打钻把采空区与老巷道积水疏干。

（3）煤矿工作面钻孔水防治。为了查明钻孔的密封质量，对煤矿钻孔的平面位置以及钻孔与工作面的相对位置进行研究。利用钻机，重新封孔，减小隐患，实现钻孔水防治目标。

（4）煤矿断层水防治。在煤矿生产与开采工程中，煤矿断层包括两个组成部分，分别为煤矿透水断层与煤矿不透水断层。两个断层的防治水措施相同，对断层所在区域的水文地质特征报告作出分析，获取断层的结构特征，如图3 所示。

图3 煤矿开采区域的水文地质特征图

根据图3 结构特征，留设相应数量的断层防水煤柱，避免断层面出水引发透水灾害。

2 实验分析

2.1 实验准备

进行实验分析，确保方法可行性及防治水效果后，方可投入实际工程使用，避免对煤矿生产及回采产生不良影响。

选取S 煤矿矿区作为此次实验的研究对象，该煤矿属于高度现代化的矿井，是所在地区煤炭行业范围内的重点建设项目。S 煤矿的设计生产能力为1.2 Mt/a，可开采煤矿资源储备量约为160 482.7 万吨。

2.2 结果分析

将上述本文提出的基于瞬变电磁探测技术的煤矿防治水方法设置为实验组，将文献[4]方法、文献[5]方法分别设置为对照组1 与对照组2，对三种方法的煤矿防治水结果作出对比。

选用YCS2000 型号的瞬变电磁仪作为探测仪器，其技术参数设置，如表1 所示。

表1 瞬变电磁仪技术参数设置

按照表1 所示，设置瞬变电磁仪的各项技术参数。计算10 个探测点所在矿区位置的突水系数，将突水系数作为此次煤矿防治水效果的评价指标，其计算公式为：

其中，T 为矿区探测点所在位置的突水系数；P 为探测点所在位置的隔水层压力；M 为探测点所在位置的隔水层厚度。通过计算，得出此次实验的评价指标，根据煤矿防治水细则相关规定标准可知，矿区突水系数的临界系数为0.06 Mpa/m，突水系数越小，则说明发生水害的概率越小，煤矿防治水效果越好，矿井安全性越高。反之，若探测点所在位置的突水系数超出0.06 Mpa/m，则说明发生水害的概率越大，不符合煤矿安全生产与开采的要求，煤矿防治水效果差，矿井安全性较低。利用MATLAB 模拟分析软件，模拟S 煤矿矿区的防治水过程，仿真环境如图4 所示。

图4 仿真环境图

在仿真环境中测定三种方法应用后，10 个探测点所在位置的突水系数，统计对比后，绘制如图5 所示的评价指标对比示意图。

图5 煤矿防治水实验评价指标对比结果

由图5 可知，三种方法应用后，煤矿防治水效果评价指标的差异性显著。其中，本文提出的基于瞬变电磁探测技术的煤矿防治水方法应用后，可以看出10个探测点所在矿区位置的突水系数均未超过标准要求0.06 Mpa/m，且突水系数始终小于另外两种方法。而对照组1 提出方法应用后，探测点2、7 所在位置的突水系数超出了0.06 Mpa/m；对照组2 提出方法应用后，探测点2、5、8 所在位置的突水系数也超出了0.06 Mpa/m，不符合煤矿防治水细则规定。由此对比结果不难看出，本文提出的煤矿防治水方法具有较高的可行性，突水系数未出现大幅度波动，矿区发生水害的概率较小，矿井安全性较高，煤矿整体的防治水效果显著。

结束语

为了改善传统煤矿防治水方法在实际工程应用中覆盖范围有限、煤矿整体防治水效果不佳、无法显著提高煤矿生产及开采安全性的问题，本文引入瞬变电磁探测技术，开展了煤矿防治水的深入研究。通过本文的研究，有效地隔断了矿区开采煤层与含水层之间的水力联系，降低了矿区发生水害的概率，提高了矿井安全性，使煤矿整体防治水效果达到了最佳，具有良好的应用前景。