華陽二礦采空區(qū)積水瞬變電磁探測(cè)技術(shù)分析

李駿

（山西華陽集團(tuán)新能股份有限公司二礦，山西 陽泉 045008）

0 引 言

多煤層可采礦井通常的采煤作業(yè)順序是先采上部的可采煤層，后采下部的可采煤層，這種采煤作業(yè)方式存在一定的弊端，即當(dāng)上部煤層開采結(jié)束之后，其采空區(qū)范圍內(nèi)如若地勢(shì)相對(duì)低洼，就會(huì)充水，當(dāng)下部煤層開采時(shí)，就存在頂水作業(yè)的問題，當(dāng)下部煤層開采形成的導(dǎo)水裂隙帶或斷層等導(dǎo)水構(gòu)造導(dǎo)通上部的采空區(qū)積水時(shí)，就會(huì)造成嚴(yán)重的透水事故，給礦井的安全生產(chǎn)和礦工的人身安全造成嚴(yán)重威脅。為了消除這種威脅，常用的防治手段是進(jìn)行鉆探探放水，有時(shí)為了鉆探更加具有準(zhǔn)確性，也會(huì)首先采用電法物理勘探的技術(shù)手段對(duì)采空區(qū)的充水可能性和充水范圍進(jìn)行分析，做到有針對(duì)性的探放水。目前常用于探查采空區(qū)充水性的電法物理勘探技術(shù)手段主要包括直流電法、音頻電法、高密度電法、并行電法和電測(cè)深法等，這些電法勘探的主要技術(shù)原理都是在頂板上打上電極，然后進(jìn)行測(cè)試，并且需要多個(gè)人員的相互配合，工程量大。為了有效探測(cè)頂板采空區(qū)充水范圍，華陽二礦21501工作面運(yùn)用瞬變電磁勘探方法對(duì)煤層頂板的采空區(qū)積水范圍進(jìn)行了探查，探查結(jié)果與實(shí)際情況吻合，表明了瞬變電磁勘探方法的有效性。

1 工作面概況

華陽二礦21501 工作面開采8 號(hào)煤，厚度為2.5～4.45 m，平均3.9 m，傾角2°～12°，平均6°，局部增大至15°以上，21501 工作面位于礦井470 水平8 號(hào)煤15 采區(qū)，工作面標(biāo)高+421—+545 m，走向長1 722 m，傾斜長200.7 m，面積345 605 m2，地表位于長吉嶺村以北、曹梁村以東，土垴山一帶，地形溝谷縱橫；地面標(biāo)高為+880—+1 077 m，埋藏深度370～650 m，從地形圖和井上下對(duì)照?qǐng)D上觀察，對(duì)應(yīng)地面無建筑物和河流。21501 工作面北部為8 號(hào)煤13 采區(qū)邊界，西部為井田邊界，東部為8 號(hào)煤15 采區(qū)準(zhǔn)備巷，南部為尚未掘進(jìn)的21502 工作面；21501 工作面西部上部為鴻泰煤礦3 號(hào)煤3206、3204、3202 工作面采空區(qū)；東部上部為3 號(hào)煤15 采區(qū)準(zhǔn)備巷及15 采區(qū)局部采空區(qū)。工作面頂?shù)装鍘r層如圖1 所示。

圖1 21501 工作面煤層頂?shù)装鍘r性綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam roof and floor lithology in No.21051 face

2 采空區(qū)充水探查技術(shù)研究

2.1 充水條件分析

21501 工作面主采8 號(hào)煤層，其上部為鴻泰煤礦3 號(hào)煤3206、3204、3202 工作面采空區(qū)，3 號(hào)煤層與8 號(hào)煤層之間的間距平均為46 m，略大于計(jì)算得到的導(dǎo)水裂隙帶高度43.8 m，由于3 號(hào)煤的3206、3204、3202 工作面采空區(qū)部分地段地勢(shì)低洼，可能存在積水，當(dāng)8 號(hào)煤層的21501 工作面開采形成的導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通上覆采空區(qū)時(shí)，有可能會(huì)造成突水事故，威脅工作面的安全生產(chǎn)和職工的生命健康安全。

2.2 瞬變電磁探測(cè)技術(shù)原理

瞬變電磁探測(cè)技術(shù)主要是通過發(fā)射和接受電磁感應(yīng)信號(hào)，分析電磁感應(yīng)信號(hào)的變化，進(jìn)而判斷探測(cè)空間中的電阻率變化特征。煤系地層中各個(gè)巖層的形成條件、物質(zhì)成分、沉積物顆粒大小等不同，造成巖石具有不同的電阻率特性，并且采空區(qū)的塌陷和壓實(shí)程度以及相對(duì)低洼處的含水性程度等有所差異，也會(huì)引起巖層的電阻率特性發(fā)生變化。瞬變電磁探測(cè)通過識(shí)別低阻異常區(qū)進(jìn)而判別老空區(qū)充水性特征。

通常情況下，電磁場(chǎng)的產(chǎn)生主要有兩種技術(shù)手段，一是通過運(yùn)用回形線圈通電發(fā)射電磁波產(chǎn)生磁源；另一種是將接地電極固定于所要探測(cè)的地點(diǎn)，將接地線圈供電產(chǎn)生電流源，通過供電與停電產(chǎn)生磁源，進(jìn)行探測(cè)。由于回形線圈探測(cè)方法設(shè)備集中程度高，操作簡單，此次探測(cè)選用回形線圈探測(cè)方法，如圖2 所示。

圖2 YCS360A瞬變電磁儀片F(xiàn)ig.2 No.YCS360A transient electromagnetic instrument

2.3 探測(cè)實(shí)施過程

根據(jù)21051 工作面和上覆3 號(hào)煤層3206、3204、3202 采煤工作面的相對(duì)位置關(guān)系和巖性、充水等條件，選用多匝重疊回線裝置（圖3），發(fā)射線框和接收線框均為1.8 m×1.8 m 矩形回線，發(fā)射頻率為5 Hz。

圖3 瞬變電磁重疊回線裝置方式示意圖Fig.3 The diagram of transient electromagnetic overlapping loop device

依據(jù)物探目的，利用瞬變電磁技術(shù)在21051 工作面上順槽通尺1 050～1 230 m 段（3 號(hào)煤層3206、3204、3202 工作面下部） 每隔10 m 布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)位置布置如圖4 所示。

圖4 探測(cè)范圍Fig.4 Detection range

探測(cè)方向分別朝內(nèi)幫仰角60° （α=60°，α為探測(cè)方向與水平方向夾角，以水平向上為正，如圖5 所示）、頂板仰角90°（α=90°）、外幫仰角60°（α=60°） 3 個(gè)方向進(jìn)行掃描探測(cè)。通過多條測(cè)線物探結(jié)果的縱深和平面特征綜合分析，判斷工作面頂板巖層的賦水性，圈出相對(duì)富水區(qū)的位置和范圍等。

圖5 瞬變電磁探測(cè)方向示意圖Fig.5 Transient electromagnetic detection direction

2.4 探測(cè)結(jié)果分析

此次21051 工作面上覆采空區(qū)瞬變電磁勘探成果資料處理和解釋工作采用儀器配套的瞬變電磁處理軟件并結(jié)合水文地質(zhì)資料、物探經(jīng)驗(yàn)等完成。

資料處理按照如下步驟進(jìn)行：①對(duì)每個(gè)探測(cè)方向采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、整理，剔除錯(cuò)誤和多余的數(shù)據(jù)；②利用專業(yè)軟件對(duì)每個(gè)探測(cè)剖面的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，按順序通過多種校正、轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過正、反演計(jì)算，形成繪圖數(shù)據(jù)文件；③最后用專業(yè)繪圖軟件進(jìn)行處理，形成瞬變電磁勘探視電阻率斷面圖。最后成果如圖6～圖8 所示。

圖6 頂板仰角90°視電阻率探測(cè)結(jié)果Fig.6 Apparent resistivity detection results of elevation angle 90°in roof

圖8 頂板外幫仰角60°視電阻率探測(cè)結(jié)果Fig.8 Apparent resistivity detection results of elevation angle 60°in roof external side

視電阻率探測(cè)成果圖（圖7～圖9） 中等值線值為視電阻率值。視電阻率值越小，表示巖層可能越為破碎、裂隙發(fā)育或采空區(qū)賦水性相對(duì)越強(qiáng)，視電阻率值越高，主要表示頂板采空區(qū)中存在不含水切未被壓實(shí)的裂隙發(fā)育區(qū)。

圖7 頂板內(nèi)幫仰角60°視電阻率探測(cè)結(jié)果Fig.7 Apparent resistivity detection results of elevation angle 60°in roof internal side

此次探測(cè)資料分析解釋時(shí)，以視電阻率值小于10 Ω·m 作為相對(duì)低阻異常區(qū)界限，以視電阻率值大于100 Ω·m 作為相對(duì)高阻異常區(qū)的界限，即可以認(rèn)為視電阻率值小于10 Ω·m 的低阻區(qū)作為采空區(qū)的充水區(qū)域，將視電阻率值大于100 Ω·m 的高阻區(qū)作為采空區(qū)的未被壓實(shí)的區(qū)域。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，在21051 工作面上順槽外邦仰角60°處存在低阻異常區(qū)（編號(hào)S5-1），具體位置為橫向上位于21051 工作面上順槽通尺1 109～1 140 m，縱向上位于21051 工作面上順槽上幫21～46 m，垂向上位于21051 工作面煤層頂板上方40～48 m 范圍內(nèi)。

3 鉆探驗(yàn)證與疏放

為保證21051 工作面安全生產(chǎn)，根據(jù)瞬變電磁探測(cè)結(jié)果，結(jié)合工作面實(shí)際情況，在上順槽通尺1 080 m 處布置鉆場(chǎng)，安設(shè)鉆機(jī)，對(duì)S5-1 低阻異常區(qū)進(jìn)行鉆探探查，共設(shè)計(jì)了3 個(gè)鉆孔，如圖9所示。

圖9 鉆孔布置平面圖Fig.9 Drilling hole layout plane

合計(jì)鉆探進(jìn)尺165 m，共計(jì)疏放水量為27 821 m3，鉆孔探放水見表1。通過鉆孔疏放3 號(hào)煤層采空區(qū)的積水，最終水量均小于1 m3/h，認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到了疏放干凈的標(biāo)準(zhǔn)，通過鉆孔驗(yàn)證，證明此次瞬變電磁探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，疏放效果明顯，保證了21051 工作面的安全開采。

表1 異常區(qū)鉆孔參數(shù)及疏放水成果Table 1 Drilling hole parameters and drainage results in abnormal area

4 結(jié) 語

通過分析華陽二礦21051 工作面與上覆3 號(hào)煤層3206、3204、3202 工作面采空區(qū)的位置關(guān)系，結(jié)合瞬變電磁儀探測(cè)的特點(diǎn)，對(duì)21051 工作面上覆采空區(qū)進(jìn)行探查，在上順槽探測(cè)出橫向上通尺1 109～1 140 m，縱向上上幫21～46 m，垂向上煤層頂板上方40～48 m 存在低阻異常區(qū)，認(rèn)為可能為采空區(qū)充水所致。經(jīng)過在上順槽通尺1 180 m 處施工頂板探查鉆孔，累計(jì)疏放出27 821 m3采空區(qū)積水，確保了工作面的安全回采，驗(yàn)證了瞬變電磁探測(cè)的準(zhǔn)確性。