华东办事处 卢小龙 阮福平

    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，而富水性对砂岩、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，因此可以采用瞬变电磁法对工作面顶板富水情况进行探测。通过对3405工作面顶板砂砾岩富水性探测及验证结果可知，矿井瞬变电磁法是一种便捷有效的井下物探手段，能够为煤矿顶板防治水工作提供一定的技术支撑。
    关键词：瞬变电磁；防治水；回采工作面；物探
    水害是煤矿最常见的影响安全生产的重大灾害之一[1]，煤矿工作面回采过程中，顶板岩层富水的存在往往伴随有相当程度的地质灾害威胁，因此需要对工作面和顶底板富水情况进行探查，矿井瞬变电磁法采用的是一种非接触式的施工方式，可利用多种施工装置和多方向探测来满足探测目的，以达到能够对目标体进行针对性的探测。因为煤矿巷道的特殊性，空间狭小，条件艰苦，存在大量的铁器等影响因素，所以探测难度大。瞬变电磁法具有施工灵活便捷有效，工作量小，大大降低人员的投入和安全成本，适应了矿井的这种施工条件，应用瞬变电磁法对回采工作面的隐伏含水体进行探测具有广阔的应用前景[2～8]。本文通过对3405工作面顶板砂砾岩富水性探测的成果及后期验证情况，证实采用矿井瞬变电磁法可较为准确的对煤层顶板富水情况进行判断。
1 方法原理
    瞬变电磁法属时间域电磁感应方法，时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods) 或称瞬变电磁法(Transient electromagnetic methods)，缩写为TEM，是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。其探测原理是：它利用不接地回线(磁源)或接地线源(电偶源)向地下发送一次脉冲磁场(通常称为一次场)，在其激发下，地下地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场(通常称为二次场)。由于二次场包含有地下地质体丰富的地电信息，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次场(或称响应场)，通过对这些响应信息的提取和分析，从而达到探测地下地质体的目的。显然，所研究的是响应场与时间的关系，故称之为时间域电磁法。

图1 良导体瞬变电磁感应原理图图                                 图2 全空间电磁场“烟圈”扩散示意图

2 工程实例
    3405工作面是新安煤矿主要回采工作面，位于34采区北翼，开采山西组3煤层，工作面材料巷长1201m，运输巷长1154m，倾斜长110.6～201.8m。工作面煤厚平均8.0m，可采面积168140㎡，储量161.0万吨，煤层底板标高-640.6～-725.3m。3煤厚度3.2～10.5m，平均8.0m，根据两巷揭露情况，煤层结构复杂，该面3煤大部分含有一层或两层深灰色泥岩夹矸，范围较广，厚度不稳定，厚约0.1～4.6m。基本顶为细砂岩，浅灰色带黄褐色，铁质浸染，薄层状，厚层状，凝灰质基质，底式结构，长石岩屑，杂砂岩，含炭屑，显缓波状层理，平行层理，斜层理，夹泥质条带，裂隙发育，并有少量错动，充填泥钙质。厚度9.0～33.7m，平均28m。在该区段内，侏罗系底部砾岩下距3煤9.0～53.0m，由开门点至切眼，3煤与侏罗系底部砾岩间距呈逐渐减小趋势。
    根据工作面导水裂隙带高度观测试验可知，顶板导水裂隙带高度是采厚的10.08倍(含冒落带高度)。该面3煤厚3.2～10.5m，则导水裂隙带高度为32.3～105.8m。工作面区域3煤上距上侏罗统一段砂砾岩约9.0～53.0m，3煤上距上侏罗统二段砂砾岩约121.3～163.5m，因此导水裂隙带能够到达上侏罗统一段砂砾岩含水层。3煤层顶板砂岩含水层为3煤层基本顶板。因此，对工作面有影响的顶板含水层为3煤顶板砂岩含水层和上侏罗统一段砂砾岩岩溶裂隙含水层。
2.1 现场数据采集
    本次探测共采用了3个探测方向对顶板含水层富水性进行探测，根据综合柱状图及水文地质报告结合本次瞬变电磁的探测目的在3405工作面材料巷和运输巷布置测线，材料巷测线共69个测点从0#～68#，每个测点分别为顶板45°、顶板30°、顺层3个方向；运输巷测线共65个测点从0#～64#，每个测点分别为顶板45°、顶板30°、顺层、3个方向(如图3、图4所示)。实现工作面上下双巷测试数据的之间的充分覆盖，以加强对工作面内顶板富水区的捕捉能力。每一个测点的点间距为10m，测线长度为1320m。

图3 3405工作面现场瞬变电磁测点布置图

图4 3405工作面瞬变电磁探测方向示意图

2.2 探测成果分析
    瞬变电磁数据处理：数据处理时建立统一坐标系，以3405工作面运输巷切眼拐点为平面坐标原点，沿工作面走向为x轴正方向，沿工作面倾斜方向为y轴正方向，为每个数据采集点建立坐标，并形成给定的数据格式文件，然后进行联合反演，获得工作面内岩层的电性参数，采用Surfer软件形成电阻率等值线图。
    图5为3405工作面联合反演不同深度视电阻率切片图，为了解影响3煤开采含水层的电性特征，把运输巷和材料巷两巷的数据进行联合反演，制作了3煤上100m、3煤上80m、3煤上60m、3煤上40m、3煤上20m、3煤上10m、3煤上0m切片图来了解3煤顶板砂岩含水层、侏罗系砾岩含水层的富水性。对于3煤顶板砂砾岩含水层富水区的划分：以3煤上0m～40m切片为准，视电阻率小于15Ω.m的区域定为强富水区。
    根据不同深度视电阻率联合反演切片可看出，工作面顶板方向存在4个富水异常区，即YC1、YC2、YC3、YC4。由3405工作面顺层切片、工作面顶板10m、20m、40m深度切片，3煤顶板砂岩、侏罗系砾岩含水层存在三个富水异常区，综合分析在X=20～90m、Y=70～90m区域内、X=140～230、Y=60～90m区域内、X=370～450m、Y=70～110m区域内，此范围内为3煤砂岩重点防治区域，由于砂岩和砾岩岩层厚度发育不均一，推测这三个异常区受砂岩和砾岩含水层的共同影响，并存在上下的水力联系，此范围内为断裂构造水、砂砾岩含水层重点防治区域。由3405工作面顶板60m、80m、100m深度切片可知，3煤顶板侏罗系砂砾岩含水层存在一个富水异常区，综合分析在X=240～290m、Y=40～110m区域内，推测受顶板砂砾岩岩含水层影响，富水性较弱。

图5 3405工作面联合反演不同深度视电阻率切片示意图

2.3 验证情况
    针对瞬变电磁探测成果中提供的4个顶板富水异常区以及现场所施工的钻机窝情况，对每个异常区域施工2个探放水钻孔，钻孔具体布置如下（见表1物探异常区验证钻孔参数一览表）：

表1 物探异常区验证钻孔参数一览表

    1、在运输巷Ⅰ号钻机窝(即导15点后10m处钻机窝)内施工1＃、2＃钻孔，设计高度为穿透侏罗系底部砾岩，用来验证Ⅰ号富水异常区。
    2、在运输巷Ⅱ号钻机窝(即导13点后25m处钻机窝)内施工3＃、4＃钻孔，设计高度为穿透侏罗系底部砾岩，用来验证Ⅱ号富水异常区。
    3、在材料巷导17点处的钻机窝内施工5＃、6＃钻孔，设计高度为穿透侏罗系底部砾岩，用来验证Ⅲ号富水异常区。
    4、在运输巷Ⅲ号钻机窝(即导11点后15m处钻机窝)内施工7＃、8＃钻孔，设计高度为穿透侏罗系底部砾岩，用来验证Ⅳ号富水异常区。
打钻测得涌水量结果如下：运输巷Ⅰ号钻机窝：10.6+21.8=32.4m³/h；运输巷Ⅱ号钻机窝：20.3+5.7=26.0m³/h；材料巷钻机窝：13.6+5.6=19.2m³/h；运输巷Ⅲ号钻机窝：11.0+10.5=21.5m³/h。
3 结论
    通过对3405工作面瞬变电磁法对工作面顶板、顺煤层富水性的探测，与打钻验证情况对比可知：
    (1)矿井瞬变电磁法能够对煤层顶板防治水工作提供有效的技术支持，对水文钻孔的设计及施工有一定的指导作用，增强煤矿防治水的针对性，降低了煤矿防治水的工作量，提高了回采工作面的安全性。
    (2)实践证明，矿井瞬变电磁法在井下施工时受到现场环境的影响较大，如锚杆网支护、轨道、矿车、隔爆水袋、巷道内带电线缆等，这些都会降低原始数据的信噪比，且该方法受体积效应影响也较大，要充分发挥其作用，提高其适用能力，应采用直流电法、电透视法、无线电波透视法等物探方法来补充瞬变电磁法探测的不足，加强导水构造的探测，这样才能为防治水工作提供更精细化的防治措施。
参考文献
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