矿井瞬变电磁法在杨村煤矿底板富水体探测的应用

第**卷第*期V ol.**No.* 2010年*月***，2010矿井瞬变电磁法在杨村煤矿底板富水体探测的应用张继岭，尚衍峰，狄艳丽(兖矿集团杨村煤矿，山东兖州，272118)摘要：运用矿井瞬变电磁法探测兖矿集团杨村煤矿六采区6601工作面底板含水异常体，划分了五个富水体异常区域，结合工作面底板布置的两个放水孔，综合论证了底板富水异常区域划分的准确性，并得到了位于安全可采区内工作面工业性回采成功的验证，为煤矿底板富水异常体的探测方法提供了思路。

关键词：矿井瞬变电磁法；底板富水异常区；放水孔1 引言华北石炭二叠系煤田下组煤位于含水丰富的奥陶系石灰岩含水层和太原群十四灰岩含水层以上，经常发生底板灰岩突水，据不完全统计，有60%的煤矿不同程度地受到底板岩溶承压水的威胁，85%左右突水事故的水源来自于灰岩岩溶水，受水害的面积和严重程度均居世界各主要采煤国家的首位。

据资料统计，1949～2004年山东省共发生水害事故96起，其中老空水水害事故61起，承压含水层水水害事故23起。

1992年1月，杨村煤矿北邻矿井杨庄煤矿二采区2604面中顺槽掘进迎头发生奥灰突水，突水量为5213 m3/h，淹没矿井；2010年8月，南邻矿井田庄煤矿西翼-256m水平8602中顺槽掘进工作面揭露断层奥灰突水，突水量900m3/h，造成全矿井停产。

煤矿突水事故频繁，造成的经济损失巨大，如何防治底板突水水害是下组煤安全开采的首要考虑问题。

岩溶含水层的富水性是决定底板突水水量大小和突水点是否持久涌水的基本条件，因此查明煤矿底板富水异常区是防治底板突水水害的先决条件，目前，矿井瞬变电磁法探测煤矿富水异常区中发挥的作用越来越大，但在实际探测过程中，巷道空间、变化多样的支护条件及家属体对矿井瞬变电磁场的分布规律产生较为复杂的影响，由于这些规律认识不清，使得矿井瞬变电磁法的探测精度大为降低，因此，为了提高矿井瞬变电磁法在探测含水异常体上的精度，在杨村煤矿六采区6601工作面底板布置了两个放水孔，综合确定底板富水异常区域，并得到了位于安全可采区内工作面工业性回采成功的验证，为煤矿底板富水异常体的探测方法提供了思路。

2 杨村矿区6601工作面地质及开采条件6601工作面北到北许庄村庄保护煤柱，南至田庄村庄保护煤柱，西邻6602工作面(设计)，东靠六采区皮带集中巷。

工作面主采16上煤层。

工作面走向长706m，倾斜宽150m，巷道标高：－190～－243m，对应地面标高：＋41.20～＋42.32m。

6601工作面对应地面北到北许庄村庄保护煤柱，南至田庄村庄保护煤柱，西邻6602工作面(设计)，东靠六采区皮带集中巷。

该面煤层厚度变化为1.09～1.72m，平均1.28m，为暗亮煤，煤层结构复杂，含夹石1～2层，夹石岩性为炭质泥岩、黄铁矿结核层，厚度0.02～0.44m 。

可采性指数为1，煤厚变异系数为16.69%，属于稳定可采煤层。

6601工作面为单斜构造，地层走向NE ～SW ，倾向SE 。

煤岩层产状较平缓，倾角5～14°，平均8°，断层影响地段最大为14°左右。

根据三维地震勘探资料与实际揭露，6601工作面主要构造为下巷FIV-5(H ＝0～5m)正断层，该面地质条件中等。

3 矿井瞬变电磁法工作原理瞬变电磁法是在发射回线电流的作用下，周围地质介质中产生了过渡过程的感应电磁场（一次场），该场在良导介质内产生涡旋的交变电磁场（二次场），其结构和频率在时间与空间上均连续地发生变化，通过所接受的地质信号研究这一变化规律，可以了解沿探测方向地层介质的变化情况。

即在导电率为σ、导磁率为μ的均匀各向同性大地表面敷设面积为S 的矩形发射回线，在回线中供以阶跃脉冲电流，⎩⎨⎧≥<=000)(t t I t I （1） 在电流断开之前（0<t 时），发射电流在回线周围与大地空间中建立起一个稳定的磁场，见图1；在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。

一次磁场的这一剧烈变化通过导电介质传至回线周围的巷道围岩中，并在围岩中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会即刻消失。

由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将迅速衰减，由它产生的磁场也随之迅速衰减，这种迅速衰减的磁场又在其周围的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流（二次场）。

这一过程继续下去，直至矿井巷道围岩的欧姆损耗将磁场能量消耗完毕为止。

这便是矿井中的瞬变电磁过程，伴随这一过程存在的电磁场便是矿井的瞬变电磁场。

事实上，矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法基本原理相同。

所不同的是，矿井瞬变电磁法是在井下巷道围岩内进行，瞬变电磁场呈全空间分布，见图2。

4 装置介绍及现场数据采集目前，矿井瞬变电磁法经常使用的工作装置形式主要有重叠回线和偶极—偶极两种。

重叠回线装置形式地质异常响应强、施工方便，但线圈间存在较强的互感，一次场影响严重；偶极—偶极装置收发线圈互感影响小，消除了一次场影响，但二次场信号弱，不易于地质异常体识别。

本次矿井瞬变电磁法勘探采用重叠回线装置，采用多匝2m×2m矩形回线，发射线框40匝，接收线框60匝。

采样时窗为：1 34，叠加次数：64，时间采用标准时间序列。

4.1 装置参数的设计矿井瞬变电磁法在井下巷道中采用多匝数、小回线测量装置，参数选择是否合理直接影响测量结果。

其装置参数主要有：回线边长大小、回线匝数、叠加次数、终端窗口和增益等。

回线边长与匝数的选择由地质探测任务决定。

线圈边长越小，其体积效应也越小，纵、横向分辨率也愈高；但边长太小，就会影响到发射磁矩，使得勘探深度大大降低。

由于井下施工空间有限，回线边长不能太大，否则不便于施工。

信号的强弱可通过选择中心探头的档位和调整发送电流的大小进行控制。

在回线边长确定的情况下，回线匝数愈多，发射磁矩愈大，接收回线感应信号也愈强，相应探测深度加大，但会增加装置移动的难度。

叠加次数、终端窗口、增益等其它参数，正式工作前可通过试验加以确定。

总之，矿井瞬变电磁法在实际测量中，可根据探测任务的要求和井下实际人文设施情况，选择合理的回线边长大小和回线匝数，既能有效完成探测任务，又能够提高实际探测的工作效率和减小测量中的劳动强度。

4.2 测点布置及勘探工作量矿井瞬变电磁法在煤矿井下巷道内进行，测点间距2～20m之间。

根据多匝小线框发射电磁场的方向性，可认为线框平面法线方向即为瞬变探测方向。

因此，将发射接收线框平面分别对准煤层顶板、底板或平行煤层方向进行探测，就可反映煤层顶、底板岩层或平行煤层内部的地质异常，见图3。

其线框所在平面与顶底板夹角视探测要求与煤层倾角而定。

图3 瞬变电磁法探测方向示意图探测测点布置于6601工作面的上巷与下巷，测点点距10m ，探测方向分别为D1、D3（探测装置与底板成60°角）、D2、D4（探测装置与底板成30°角）方向，见图4。

6601工作面上巷、下巷进行了底板方向的探测，如图4中D1、D2方向，发射与接收装置均与底板成D1（60°角）以及D2（30°角）两个方向的探测，实现了对6601工作面底板赋水性探测，完成物理测量点146个，数据采集点292个。

探测完成物理测量点总计146个，数据采集点总计292个。

图4 瞬变探测D1(60°)方向、D2（30°）方向示意图5 探测成果分析5.1 划分富水异常区的依据矿井瞬变电磁法视电阻率值的影响因素主要是：勘探体积内岩石的电阻率、探测系统与异常体的相对位置及周围人文设施的干扰等。

而岩石电阻率的大小主要与岩石性质及其含水性有关，相同岩石在含水情况下其电阻率可减小数倍。

考虑到工作面小范围内岩性横向变化较小且排除了人文设施（如铁轨、锚网、皮带架等）影响，则视电阻率值的大小及横向变化即可认为是岩层含水性的反映。

6601工作面底板主要含水层为十下灰岩含水层、十三灰岩含水层、十四灰岩含水层及奥陶系灰岩含水层，灰岩在不含水的情况下电阻很高，而当灰岩充含水时电阻值将急剧下降，通过断面图的横向对比分析，并参考以往探测经验，可以确定富水异常区。

对每个异常区的富水性进一步确定，还应综合考虑到异常区的范围大小、视电阻率最小值大小、地质构造及水文地质条件等因素，把那些异常范围大、视电阻率值很低及发育断层构造带的异常定为强富水区；把那些异常范围小、视电阻率值较低及无构造的异常定为弱富水区；介于中间的异常区定为中等富水区。

5.2 异常区的划分6601工作面底板的主要含水层为十下灰岩含水层、十三灰岩含水层、十四灰岩含水层和奥灰含水层，其中十三灰岩含水层距工作面底板30m，十四灰岩含水层距工作面底板46m，奥灰含水层距工作面底板50m，据此分别在距底板30m、40m、50m位置为本次探测做水平切片，图5为在距底板30m、40m、50m位置的水平切片的视电阻率等值线图。

经过对瞬变电磁原始数据的处理分析，得出图5视电阻率成果图。

根据各巷道底板探测视电阻率等值线断面成果图本身横向对比及不同巷道之间的平面对比分析，结合水文地质资料，剔除人文干扰后本次探测主要存在5处低阻异常区，见图5。

从工作面停采线到切眼依次编号为1～5，分析如下：异常区Y1：图5中650～710m范围内的低阻区域表明，在上巷660～700m,下巷670～710m(此处距离为距切眼的距离，下同)之间，在存在富水区域，纵向分布为30～80m左右，图5 距底板30m、40m、50m位置的水平切片的视电阻率等值线图主要对应的充含水层为十三灰岩、十四灰岩、奥陶系灰岩。

该富水区由上而下范围逐渐扩大，为中等富水异常区；异常区Y2：图5中520～570m范围内的低阻区域表明，在上巷520～540m，下巷550～570m 之间，存在富水区域，纵向分布20～40m左右，主要对应的充含水层为十三灰岩、十四灰岩，为中等富水异常区；异常区Y3：图5中350～420m范围内的低阻区域表明，在上巷370～390m，下巷340～380m 之间，存在富水区域，纵向分布30～100m左右，主要对应的充含水层为十四灰岩、奥陶系灰岩。

该富水异常区范围由上而下逐渐变大，为中等富水异常区；异常区Y4：图5中100～160m范围内的低阻区域表明，在上巷100～140m，下巷100～180m 之间，存在富水区域，纵向分布30～80m左右，主要对应的充含水层为十三灰岩、十四灰岩、奥陶系灰岩，该异常区为中等富水异常区。

异常区Y5：图5中0～40m范围内的低阻区域表明，在上巷20～50m 之间，存在富水区域，纵向分布30～80m左右，主要对应的充含水层为十三灰岩、十四灰岩、奥陶系灰岩，该富水异常区为弱富水异常区。

6富水异常区论证矿井瞬变电磁法确定了6601工作面五个富水异常区，为了论证其探测含水异常体上精度在6601工作面底板布置了两个放水孔6601-2与6601-3（如图6所示，其中图中的3个区域A、B、C为矿井瞬变电磁法预测的部分富水异常体）。