瞬变电磁法在矿井老窑采空区积水探测中的应用

周鸿波

（山西汾西中兴煤业有限责任公司，山西 交城 030500）

0 引言

资源整合矿井在回采煤层时常受到老窑采空区影响，同时部分老窑采空区分布位置不详，导致煤炭开采时受老窑采空区积水影响，甚至会出现严重的突水事故[1]。在煤炭开采以及巷道掘进期间，掌握采掘范围内地质资料、老窑采空区分布情况以及富水情况等，对实现采掘安全开采有显著的促进作用。现阶段煤矿井下常用的探测手段包括有钻探、物探两种类型[2-3]。若通过高密度钻探方式对老窑采空区范围、积水情况等进行探测，可取得较为显著的探测成果，但是也存在劳动强度大、成本高以及钻探量大、一次探测范围小等缺点，同时部分钻探作业会影响井下生产；物探具备探测范围广、成本低、效率高等优点，采用直流电探测时，有效探测长度一般在50 m 以内，但在探测过程中电极布置耗时、效率低；瞬变电磁具备探测精度高、便于施工、成本低、对低阻异常区灵敏度高、探测分辨率高等优点，在矿井井下积水区探测中应用较为广泛[4-7]。以山西某矿2117 上顺槽掘进为工程背景，将瞬变电磁法应用到老窑采空区积水探测中，探测成果可有效指导巷道掘进及井下防治水工作的开展。

1 工程概况

该矿为山西省资源整合矿井，设计产能为300 万t/a，批准开采2 号、3 号、6 号、9 号、13 号等煤层，保有资源存量达到1.2 亿t 以上，开采范围内煤层赋存稳定，地质构造不发育，水文地质条件复杂。受到井田开采范围内小煤窑开采影响，浅部的2 号、3 号煤层存在老窑采空区，同时采空区分布位置是否有积水等信息不详。2117 上顺槽采用综掘方式，沿着2 号煤层底板破顶掘进，矩形断面（净宽3.8 m、净高2.2 m），设计掘进长度2 890 m，主要用以采面回风使用。2 号煤层厚度均值为1.2～1.6 m，煤层倾角为3°～8°，煤层结构较为简单。2 号煤层上覆有厚度为0.15 m 泥岩伪顶，深灰色，随掘随垮；直接顶厚度为2.75～3.69 m 砂质泥岩，裂隙发育，稳定性较差；基本顶厚度为5.8～13.1 m 粉砂岩，较为稳定；直接底厚度为5.9 m 石灰岩。

裂隙含水层是2 号煤层开采时主要涌水水源，该含水层补给水源来源于大气降水，降水通过基岩裂隙深入到裂隙含水层中。底板奥灰水位于2 号煤层底板标高以下，基本不会对2 号煤层回采带来影响。2117上顺槽掘进期间面临的主要安全隐患为老窑采空区及采空区内积水。为此，文中采用瞬变电磁探测技术对老窑采空区积水进行探测，以便指导巷道掘进工作。

2 瞬变电磁法现场应用

2.1 瞬变电磁法探测原理及技术特点

瞬变电磁法探测机理是导电介质在阶梯电磁场激励作用下出现的涡流效应，通过技术探测分析涡流磁场强度、时间及空间特征，即可实现探测区介质物性参数探测。具体探测过程为：采用不接地回线向探测区发射一次脉冲磁场，发射的一次脉冲磁场间歇期间在激发场作用下，探测区介质内会有明显的二次涡流显现；通过线圈即可探测二次涡流场强度、时间及空间分布，分析上述参数分布特征可得到探测区内介质物理性质、分布情况[8]，具体如图1 所示。

图1 瞬变电磁法探测原理

探测区域内地质体瞬变电磁响应可用回线上的响应等效表达，回线中感应电压V2（T）与二次磁场时间导数成正比，具体为:

其中：τ 为衰减时间常数，无量纲。

公式忽略导电覆盖层影响，探测区内围岩岩性对瞬变电磁探测影响主要体现在以下方面：一是导电围岩“环流”响应；二是“环流”向良导电地质体集流响应；三是“环流”向良导电地质体感应涡流响应。上述三种响应程度受探测区围岩视电阻率影响，当围岩电阻率相对较小时则集流响应起主导作用。

瞬变电磁对井下低阻区较为敏感，同时高阻层不会对电磁场产生屏蔽，因此瞬变电磁探测技术探测范围较广；现场探测时具有布置灵活、便于施工、测距大等优点，探测工序少，可明显降低探测劳动强度。由于瞬变电磁对低阻较为敏感，但巷道内综掘设备、运输设备、锚杆、金属网以及积水等干扰因素较多，因此在现场探测时需要提供一个干扰相对较小的探测环境。

2.2 现场探测方案

采用瞬变电磁探测的目的是探测2117 上顺槽掘进前方一定范围内老窑采空区积水情况，以便指导后续巷道掘进、钻探及探放水等工作。探测采用的瞬变电磁仪型号为Protem47，该探测设备通过使用分离回线装置可消除探测线圈回线互感影响，抗干扰能力、探测精度等优势较为显著。

瞬变电磁探测位置布置在2117 采面切眼处。根据现场条件，在水平方向上从巷道左帮-迎头-右帮方向按照15°间隔角实现13 个角度探测，可实现前方180°范围全覆盖探测；在竖向方向，按照0°、±20°、±40°等5 个角度进行探测，现场瞬变电磁探测共计有65 个探测点。

在现场探测时，将综掘机等低阻设备移至Protem47 瞬变电磁仪后方15 m 以外，同时确保靠近迎头10 m 范围内无积水。在探测期间应确保巷道内所有机电设备均处于断电状态，在数据采集期间收、发线圈均应远离低阻金属材料，以便提升探测数据的可靠性及精准性。

2.3 探测解释机分析

在现场探测时发现有1 处视电阻异常区，位于巷道迎头前方40～85 m 处，与2117 上顺槽右帮间距10～20 m，推测该异常区为老窑采空区且采空区内存有积水。采用TENINT 软件反演解释成果如图2 所示。

图2 瞬变电磁法反演成果图

为考察探测区域内富水情况，在圈定的低阻异常区内设计2 组钻孔，结果显示施工的探测钻孔均见水，表明圈定区域内老窑采空区内富水。为确保2117上顺槽掘进安全，并与老窑采空区间留设一定的安全煤柱，在2117 上顺槽反掘巷施工期间向下移动15 m，可有效避免老窑采空区积水对巷道掘进的影响，同时由于留设了一定宽度的保护煤柱，可确保后续2117 综采工作面回采安全。

3 结论

1）瞬变电磁法具有探测距离远、分辨率高等优点，在煤矿井下富水区、地质异常区等探测中有较好的应用效果，但在现场应用时也面临着干扰因素多的影响，对现场探测点环境要求较高。在瞬变电磁法现场应用时，应尽量布置在干扰因素少的位置，以便提升探测效果。

2）在2117 综采工作面应用瞬变电磁法探测邻近的老窑采空区积水情况，现场确定有1 处低阻异常区，并通过钻探发现该异常区为老窑采空区且存有积水。瞬变电磁法现场应用可指导矿井防治水工作以及采掘工作安全高效开展。依据瞬变电磁探测成果2117 上顺槽反掘施工位置向南移动15 m，不仅避免老窑采空区积水给巷道掘进带来的影响，还避免了突出或者涌水情况发生，同时由于适当增大了保护煤柱宽度，确保了2117 综采工作面后续回采的安全性。