瞬變電磁法在燒變巖含水層疏放水效果檢測(cè)中的應(yīng)用

彭雪梅

（阿克蘇塔河礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆阿克蘇843000）

瞬變電磁法在燒變巖含水層疏放水效果檢測(cè)中的應(yīng)用

彭雪梅*

（阿克蘇塔河礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆阿克蘇843000）

新疆庫車榆樹泉煤礦主采煤層上部為富水性不均一的下5煤燒變巖含水層。依據(jù)地面瞬變電磁法顯示的低阻異常圈定主要富水區(qū)，布置地面疏干孔和井下探放水孔。疏放水一期結(jié)束后，再次進(jìn)行地面瞬變電磁法工程。探測(cè)結(jié)果顯示大部分低阻異常明顯減弱或消失。在剩余的主要異常區(qū)布置二期井下探放水孔，再次疏放大量燒變巖水。說明地面瞬變電磁法不僅能有效圈定燒變巖含水層富水區(qū)，還能對(duì)疏放水效果進(jìn)行檢測(cè)，并發(fā)現(xiàn)遺漏的局部含水體。

瞬變電磁法；燒變巖含水層；疏放水；效果檢測(cè)

新疆地處歐亞大陸腹，具典型的大陸性干旱氣候［1］。境內(nèi)分布有4大含煤區(qū)（12個(gè)煤田，7個(gè)煤產(chǎn)地），高山隆升使巖體煤層裸露，含煤地層受到剝蝕，煤層出露受到干熱氧化作用，形成火燒區(qū)［2］。煤層燃燒后發(fā)生質(zhì)的改變，形成空洞、頂板垮落或出現(xiàn)離層。煤層間巖石多已變成燒變巖，巖體網(wǎng)狀裂隙發(fā)育、含導(dǎo)水性大大增強(qiáng)，形成地下水賦存和運(yùn)移的良好空間。燒變巖含水層是地下隱蔽致災(zāi)因素之一，因巷道掘進(jìn)不慎揭露燒變巖區(qū)，引起井下出水事故的案例很多［3］。因此，對(duì)燒變巖含水層富水區(qū)的探測(cè)及抽放水效果的檢測(cè)，是保障礦井安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)之一。

1　礦井地質(zhì)條件

1.1地層

榆樹泉井田內(nèi)出露的地層由老至新有上三疊統(tǒng)黃山街組、下侏羅統(tǒng)塔里奇克組、阿合組和第四系。含煤地層為侏羅系下統(tǒng)塔里奇克組，共含煤14層。上部的下5煤層最厚，全區(qū)可采，該煤層除向斜軸部有少量殘留外，已火燒殆凈；其下部主要煤層為下10煤層，全區(qū)可采，為礦井當(dāng)前主采煤層。

1.2水文地質(zhì)

侏羅系地層在礦區(qū)內(nèi)廣泛出露，因煤層自燃之原因，地表大部分被紅色燒變巖所覆蓋。煤層發(fā)育于下侏羅統(tǒng)塔里奇克組地層之中，根據(jù)鉆探揭露，侏羅系地層主要由泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖、礫巖及煤層組成，多以互層狀韻律狀形式產(chǎn)出，各種巖石的單層厚度可由數(shù)厘米變化到數(shù)米，乃至數(shù)十米。

主要隔水層位于下10煤以下地層中，其上部均為含水層，其中主要含水層為下5煤燒變巖含水層。由于地表大部分區(qū)域燒變巖裸露，地層垂向裂隙發(fā)育，地表水直接補(bǔ)給燒變巖含水層和砂巖含水層。下5煤燒變巖含水層為強(qiáng)含水層。

2　瞬變電磁法工作

2.1方法原理

瞬變電磁法又稱時(shí)間域電磁法（簡稱TEM），屬于電磁感應(yīng)類探測(cè)方法，它遵循電磁感應(yīng)原理，其機(jī)理是導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的電磁場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的渦流場(chǎng)效應(yīng)，即利用一個(gè)不接地的回線向地下發(fā)射靜磁場(chǎng)作為激發(fā)場(chǎng)源，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，靜磁場(chǎng)結(jié)束以后，大地或探測(cè)目標(biāo)體為維持靜磁場(chǎng)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感生的渦流。這種渦流有空間特性和時(shí)間特性，其大小與諸多因素有關(guān)，如目標(biāo)體的空間特征和電性特征、激發(fā)場(chǎng)的特征等，而且因?yàn)闊釗p耗會(huì)逐漸減弱直至消失。人們雖然不能直接測(cè)量這種渦流的大小，但是可以利用專門的儀器觀測(cè)這種渦流產(chǎn)生電磁場(chǎng)（稱為“二次場(chǎng)”）的強(qiáng)弱、空間分布特性和時(shí)間特性。靜磁場(chǎng)所激發(fā)的二次場(chǎng)信號(hào)表示為：

式中：μ0——磁導(dǎo)率；

M——發(fā)送線圈磁矩；

q——接收線圈等效面積；

ρ——地層電阻率；

t——時(shí)間。

2.2工作布置與參數(shù)選擇

使用地面瞬變電磁法中心回線裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，按40m×20m網(wǎng)度布置測(cè)點(diǎn)，即40m線距20m點(diǎn)距。目標(biāo)體埋深最大約200m，工作參數(shù)采用240m× 240m外框，25Hz頻率。儀器采用國際先進(jìn)的加拿大鳳凰公司V8系統(tǒng)。

第一次數(shù)據(jù)采集為2010年4月，經(jīng)過地面梳干井和井下探放水鉆孔作業(yè)后，于2015年9月進(jìn)行第二次數(shù)據(jù)采集。

3　斷面與平面分析

3.1斷面分析

圖1為2015年9月探測(cè)的4線電阻率斷面圖，圖中橫軸為水平距離，縱軸為高程，頂部三角形及數(shù)字表示測(cè)點(diǎn)位置、高程及編號(hào)，黑色虛線分別表示下5、下10煤層，橢圓圈表示圈定的相對(duì)低阻異常。圖中用黑色填充表示相對(duì)低的電阻率，白色表示相對(duì)高的電阻率，灰色為過渡色。

4線位于測(cè)區(qū)南部，東西向分布，長1320m，地表基本水平。目標(biāo)層為下5煤，近水平分布，約100m埋深。由圖可見，斷面電阻率由淺至深呈現(xiàn)低—高—低特征，與實(shí)際地層電阻率特征吻合。淺部低阻為第四系、阿合組的響應(yīng)，中部高阻為塔里奇克組含煤地層的響應(yīng)，深部低阻為三疊系黃山街組的響應(yīng)。橫向上，電阻率分布基本近似水平層狀，與實(shí)際地層起伏趨勢(shì)吻合。

仔細(xì)對(duì)比斷面電阻率分布在橫向上的變化可知，在中間塔里奇克組層位，0～29點(diǎn)之間為高阻層中的相對(duì)高阻，30～48點(diǎn)之間為高阻中的相對(duì)低阻，49～61點(diǎn)為高阻層中的相對(duì)高阻，而62～66點(diǎn)又呈現(xiàn)高阻中的相對(duì)低阻。因此，可以認(rèn)為30～48點(diǎn)和62～66點(diǎn)之間為相對(duì)低阻異常。該層位與下5煤及其頂?shù)装迕芮邢嚓P(guān)，分析認(rèn)為下5煤頂?shù)装逶?0～48點(diǎn)和62～66點(diǎn)之間存在地質(zhì)異常體。

圖1　4線電阻率斷面圖（2015年9月）

3.2平面對(duì)比分析

圖2、圖3分別為2010年4月和2015年9月探測(cè)獲得的下5煤燒變巖含水層電阻率平面等值線圖，圖中用白色表示極高阻，淺灰色表示弱高阻，深灰色表示相對(duì)低阻。在2次數(shù)據(jù)采集期間，礦方在地面布置下5煤燒變巖水疏放孔，在井下下10煤頂板布置下5煤燒變巖探放水孔。地面孔在本次工程施工前已無水可抽，井下放水孔仍在放水，但水量已減小。

由圖2可見，測(cè)區(qū)基本被灰色充填，主要的高阻區(qū)分布在觀18至觀19之間，主要的低阻區(qū)分布在測(cè)區(qū)南部泄水巷上方和測(cè)區(qū)東部沖溝下。地面布置的觀18、觀19在成井后揭露地下水，并抽放一定時(shí)間。井下布置的F6、F7、F9、F11、F12放水孔初始放水量分別為77m3/h、60m3/h、62m3/h、130m3/h、130m3/h。觀18、觀19位于灰色填充邊緣，井下孔位于南部低阻帶中，尤其是F11、F12位于深灰色填充區(qū)，說明這些鉆孔處均有下5煤燒變巖水分布，與實(shí)際揭露吻合。

圖3為2015年9月探測(cè)獲得的下5煤電阻率平面圖。由圖可見，測(cè)區(qū)大部分為白色（捷斯德里克向斜軸部附近），少部分為灰色充填（主要分布在測(cè)區(qū)中間南部和測(cè)區(qū)東部）。這說明當(dāng)前地下水并不在向斜軸部附近分布，而主要位于測(cè)區(qū)南部和東部。前已述及，測(cè)區(qū)南部泄水巷中布置有探放水孔，并仍在放水，說明南部異常是剩余的下5煤燒變巖水。東部異常對(duì)應(yīng)地面沖溝，說明沖溝內(nèi)潛水對(duì)下5煤燒變巖含水層存在補(bǔ)給。

圖2　2010年4月結(jié)果

圖3　2015年9月結(jié)果

對(duì)比2次探測(cè)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過地面和井下疏放水工程，測(cè)區(qū)下5煤燒變巖水明顯減少，在捷斯德里克向斜軸部已基本沒有燒變巖水（觀18、觀19已無水可抽），剩余的下5煤燒變巖水主要分布在測(cè)區(qū)南部和東部，經(jīng)過井下探放水孔的持續(xù)放水，其水量將進(jìn)一步減小。

4　鉆探驗(yàn)證

第一次地面瞬變電磁法探測(cè)時(shí)，對(duì)研究區(qū)內(nèi)下5煤燒變巖含水層基本沒有進(jìn)行疏放，地下含水層基本為初始狀態(tài)。探測(cè)結(jié)束后相繼在地面布置觀18、觀19疏干孔，井下頂板布置F6、F7、F9、F11、F12探放水孔，布置的鉆孔均有出水。第二次地面瞬變電磁探測(cè)結(jié)果顯示，電阻率平面圖中低阻區(qū)明顯縮小，在觀18、觀19等已無水鉆孔處出現(xiàn)相對(duì)高阻，沒有地下水的低阻反映，說明探測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況吻合。礦方根據(jù)第二次結(jié)果在F12鉆孔西側(cè)布置井下探放水鉆孔，鉆孔位置處于剩余的低阻異常區(qū)中，在鉆進(jìn)至下10煤頂板上50～60m時(shí)，揭露大量地下水，說明第二次探測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)了剩余的局部富水體。

5　結(jié)論

燒變巖含水層因孔隙大等特點(diǎn)容易富含地下水，在進(jìn)行開采設(shè)計(jì)或井下掘進(jìn)前務(wù)必將其探查清楚。使用地面瞬變電磁法能準(zhǔn)確圈定燒變巖含水層相對(duì)富水區(qū)分布，據(jù)此能有效指導(dǎo)井上下疏放鉆孔的布置。在初步疏放結(jié)束后再次進(jìn)行地面瞬變電磁法探測(cè)，對(duì)比2次探測(cè)結(jié)果可有效評(píng)價(jià)疏放水效果，并發(fā)現(xiàn)未達(dá)到疏放效果的局部富水體，為進(jìn)一步煤礦防治水方案設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確依據(jù)，保障礦井安全生產(chǎn)。

［1］羅淑政，玉米提·哈力克，JoergSchulz，等.新疆煤田火災(zāi)的成因、危害及綜合治理［J］.災(zāi)害學(xué)，2008，23（3）：62-70.

［2］張秀山.新疆煤田火燒區(qū)特征及防治對(duì)策［J］.新疆地質(zhì)，2001，19（2）：150-152.

［3］郭啟文，王金啟，陳曉國，等.燒變巖突水災(zāi)害治理技術(shù)［J］.中州煤炭，2001（5）：65-66.

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1004-5716（2016）07-0119-03

2016-03-18

2016-03-22

彭雪梅（1977-），女（漢族），新疆阿克蘇人，助理工程師，現(xiàn)從事煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)工作。