您现在的位置:
卢小龙1
(1.福州华虹智能科技开发有限公司，福建福州350001)
摘 要：煤矿水害是矿井安全生产的重大灾害之一，顶板砂岩、灰岩、泥岩的电阻率差异明显，富水性对砂岩、灰岩的电阻率影响较大。符合瞬变电磁法探测的地球物理依据，因此瞬变电磁法可以利用电阻率值的差异性对工作面顶板及工作面内的富水性进行探测，井下瞬变电磁法在井下的应用将成为最便捷有效的井下物探手段之一。关键词：瞬变电磁法;回采工作面;含水异常体
1引言
煤矿水害是影响煤矿安全生产的重大灾害之一，总结以往的煤矿水害教训和情况分析，造成煤矿水害主要有四种原因[1]：一是因构造情况不清引起的断层与强含水层或岩溶水导通;二是因陷落柱造成的导水;三是煤矿老窑及采空区的积水;四是构造或其他扰动造成的与煤层顶底板含水层导通。
在矿山巷道掘进及工作面回采过程中，含水构造的存在往往伴随有相当程度的地质灾害威胁，因此需要对掘进头前方一定距离及工作面内和顶底板的含水构造进行探测，瞬变电磁法超前探测相对于其他地面物探手段，更为接近探测目标体，具有距离优势，尤其是对含水构造可以做到较为准确的精细探测，从而为水文钻探布置提供了较为可靠的依据，大大降低了水文钻探的施工费用，此外，与其他探测方法比较，瞬变电磁勘探施工方便，工作量小，移动迅速，这也大大减少了人力消耗，从而降低了安全成本，正是适应了这种现实需要，应用瞬变电磁法对掘进巷道及工作面的隐伏含水构造进行探测具有广阔的应用前景[2～5]
2 矿井瞬变电磁法测深的基本原理
瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Methods)，又称时间域电磁法(Time Domain Electromagnetic Methods)，简称TEM或TDEM，它是利用不接地回线或接地线源(电极)向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地线源(电极)观测二次涡流场的方法[6]。
一次电磁场向远处传播范围为一个锥体(图1 a、b)，其中箭头所指方向为探测方向。图1为探测锥体切面示意图，箭头所指方向为探测方向，虚线部分为探测范围，其有效探测范围边界与探测方向为47°夹角[7-8]。
图 1 探测锥体示意图
3 工程实例
3.1 工程地质概况
新峪煤矿六采区在地面的位置为北距旺家原村900m，南距上柱濮村1000m，西为黑坡沟保安煤柱，东为王家庄保安煤柱。6120工作面在井下的位置为，北邻6418工作面(9#煤已采)，南邻6422工作面(9#煤已采)，西至六采区大巷，东为正旺煤业煤矿边界。6120工作面上限标高1052m，下线标高970m，地面标高722-792m;走向长1112m，倾向长189m，面积210168m2。工作面总体为走向为南北、倾向东的单斜构造，煤层在Y8处为一向斜，自切眼到Y11处为下坡，自Y8处以后为上坡。从切眼到Y8点为褶曲且工作面呈波浪状起伏，断层较为发育，运巷Y14点前20m处、Y14点后20m处、Y15点3m处各有一条断层，分别为F1、F2、F3，落差分别为H=1.2m、H=1.3m和H=3m。本工作面在太原组10#、11#煤层下分层中掘进，煤层平均厚度6.73m，直接顶为9#煤底板泥岩，老顶为K2灰岩，底板为铝质泥岩，煤层结构复杂，平均倾角6°。
山西汾西新峪煤业有限责任公司开采已有几十年的历史，在9#煤前期开采过程中形成了很多的采空区，因该煤田K2灰岩厚度较大，区域富水性较强，为9#煤采空储水创造了良好的条件。6120工作面为10#+11#煤合层开采，为了保证6120工作面回采的安全及有效，须对6120工作面上部9#煤的采空区及顶板K2灰岩富水情况进行探查。
3.2 现场布置及数据采集
3.2.1 矿井瞬变电磁装置的选择
矿井瞬变电磁法在装置上选取与地面基本相同，也存在几种不同的装置，同轴偶极、共面偶极、重置回线装置等，根据平探或超前探测等不同的探测目的可以选取不同的装置。由于井下巷道的限制，不可能采用地表测量的大回线装置，只能采用边长小于3m的多匝小回线装置。
另外，由于重置回线装置移动相对方便，对异常体的响应明显且容易辨别，因此，依据“烟圈效应”将重置回线装置放置不同的位置可以对巷道不同位置的异常体进行探测。所以，根据煤层的倾角不同将重置回线装置底板倾斜一定的角度，可对工作面内顶板含水异常体的发育进行探测。本次探测采用多匝数小回线线圈进行探测。
图2为本次探测使用的边长为2m的重置回线装置与底板的相对位置。
如图3所示，根据6120工作面巷道分布情况，将本次探测施工布置在材料巷、运输巷及切眼，向工作面内及顶板进行探测。设计测点间距5m，设计点数
为536个测点，每个测点线框的法线方向为顺层0°、顶板45°两个方向，探测工作面的电性在横向及纵向的变化。
图3 6120工作面施工平面示意图
图4为6120工作面顶板视电阻率综合拟断面图，从图上可以了解切眼、材料巷、运输巷顶板电性的分布情况。从等值线的分布图上可以圈定4个阻值异常区，根据阻值的异常程度将此4个异常区分为一级、二级异常区，如图4所示。
图4 6120工作面顶板视电阻率综合拟断面图
图5 6120工作面顺层视电阻率综合拟断面图
矿方本着“有掘必探”的原则针对采空区阻值异常区进行钻探施工，共分4组钻场进行施工。第一组在6120材料巷C4#点设计1#钻孔，每隔30m一个，共4个，分别为1#～4#，以方位180°，角度10°，孔深50m向上打入9#煤采空区(底板上0.5m开孔);第二组在6120材料巷C12#点设计5#钻孔，每隔10m一个，共20个，分别为5#～24#，以方位180°，角度10°，孔深50m向上打入9#煤采空区(底板上0.5m开孔);第三组在切眼距运巷50m处设计25#钻孔，每隔5m一个，共6个，分别为25#～30#，以方位270°，角度38°，孔深12m向上打入9#煤采空区(底板上1.0m开孔);第四组在切眼落山帮距运巷50m处设计31#钻孔，每隔10m一个，共3个，分别为31#～33#，以方位90°，角度8°，孔深60m打到K2灰岩(底板上0.5m开孔)。
第二组钻孔5#~24#，总计出水大约30~40m3，其余各组钻孔只有少许出水。因在物探施工前已进行了钻探工作，亦在此次物探异常区附近布置了钻孔，已放出水约24000余方水，皆为采空区水。第二组钻孔附近有两条断层且为工作面等高线低洼处，出水为采空区遗留的水源存留在裂隙中的水，第一、三、四组钻孔几乎未出水，这和探测结果中的等级划分也很一致。
4 结论
瞬变电磁技术在新峪矿的应用及验证结果表明，将瞬变电磁的装置进行不同的放置可以对巷道不同位置的异常体进行探测，并且能取得明显的地质效果。因此，瞬变电磁法是一种可以应用在矿井水害探测便捷有效的物探方法，但是，瞬变电磁在井下的应用还存在着一些问题，比如井下人为设施干扰的压制消除、磁场在全空间的传播状态等。随着瞬变电磁法在井下使用的理论机实践水平的不断提高，将会成为最便捷有效的矿井探水物探方法。
参考文献：
[1] 吴有信.瞬变电磁法及其在煤矿水文物探中的应用 [J].西部探矿工程,2006,18(4):66-67.
[2] 牛之琏.时间域电磁法原理 [M].武汉:中南大学出版 社.2007.
[3] 霍全明,王玉海,罗国平.瞬变电磁法在煤矿水害预测防中的应用[M].西安:西北工业大学出版社,1994.
[4] 李金铭,罗延钟.电法勘探新进展[M].北京:地质出版社1996.
[5] 蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京:地质出版社，1998.
[6] 于景邨.矿井瞬变电磁法勘探[M].徐州.中国矿业大学出版 社,2007.10.
[7] 岳建华.中国地球物理学会第 19 届年会论文集: 矿井瞬变电磁法及其应用[ C]. 2003.
[8]李貅.瞬变电磁测深的理论与应用.[M].西安.陕西科学技术出版社,2002.
下一篇