瞬變電磁法在原煤運輸大巷的應用

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摘要：在煤礦巷道掘進過程中，經常會遇到突水災害!由于富水區與圍巖有明顯電性差異，瞬變電磁法探測富水區具有較好的效果。本文闡述了瞬變電磁法在某煤礦原煤運輸大巷掘進超前探中的應用，物探結果與鉆探驗證相穩合。驗證了“物探先行、鉆探驗證”應用于煤礦防治水的有效性。

關鍵詞：瞬變電磁法；煤巷掘進；超前探

根據《煤礦防治水規定》要求，井下進行探放水作業前，必須先期開展井下超前物探工作，進一步查明礦井生產范圍內的地質、水文地質條件，以指導井下探放水設計，確保礦井生產安全。本次探測依據某煤礦礦井水文地質資料，探測輸送機大巷36#鉆場100m范圍內富含水異常區分布情況，為布置探防水鉆孔設計提供依據。

1礦區煤層地質

礦區含煤地層為二疊系下統山西組和石炭系上統太原組、中統本溪組。山西組厚度17.56～62.35m，平均厚度34.25m，僅在個別鉆孔中偶見1~2條煤線，各煤層均為不可采煤層。太原組厚度63.74～113.48m，平均厚度91.61m，共含煤8層，編號為2、3、4、5、6、7、8、9，煤層總厚18.09m，含煤系數19.7%。其中4、9號煤層為全區賦存、全區穩定可采，5、6號煤層為分叉區賦存、分叉區可采，3號煤層為全區賦存、部分可采，7、8號煤層為零星賦存、零星可采。

2號煤層：位于太原組頂部，上距山西組底部K3砂巖

0.00~7.90m，平均2.16m。煤層厚度1.85~8.28m，平均5.72m；含夾矸0~5層，一般為1~2層，夾矸巖性多為黑色泥巖、炭質泥巖，煤層結構簡單；頂板為砂質泥巖、泥巖，個別孔為中粗砂巖，底板為砂質泥巖、泥巖。井田北部煤層較厚，南部較薄，總體有從北到南逐漸變薄之趨勢。屬穩定煤層，全區賦存，全區可采。由于煤層賦存淺，大部已被民采！遺留大量民采洞。4-1號煤層，其煤層厚度在6.0~8.6m之間，平均厚度6.6m，賦存較穩定。其直接頂為灰白色、中-細粒長石石英砂巖（K3砂巖），厚約0.8~20.4m，平均5.8m，水平層理；直接底板為灰黑、灰白色、粉（細）長石砂巖及泥巖，厚約6.5~12.5m，平均7.8m，水平層理。與4-2煤層間距為6.5~13.2m。4-2號煤層厚度在2.5~3.2m之間，平均厚度2.8m，其直接頂為灰黑色泥巖，厚約3.8~4.4m，平均4.2m；直接底板為灰黑、灰白色、粉（細）長石砂巖及泥巖，厚約6.5~12.5m，平均7.8m，水平層理。頂底板較平整，局部凹凸不平，裂隙不很發育。9號煤層：位于太原組中下部，賦存于井田西部至北部地區。上距8號煤層0.00~17.05m，平均7.74m。煤層厚度1.41~5.72m，平均4.31m；含夾矸0~1層，一般為1層，多為黑色泥巖、砂質泥巖，煤層結構簡單；頂板為泥巖、砂質泥巖，底板為泥巖、炭質泥巖。全區賦存，全區可采。本溪組厚度10.30～34.26m，平均厚度20.17m，僅在個別鉆孔中偶見1~2條煤線，各煤層均為不可采煤層。2礦區水文地質①地表水：地表溝壑發育，但無積水區，只在雨季為過水溝，最大過水量50m3/h。工作面煤層埋深200～273m，掘進期間地表水對施工影響甚微。②煤層頂板砂巖裂隙含水層：工作面上覆山西組地層P1s，厚度40~54m，平均厚48.2m，主要由灰色、灰白色砂巖，灰黑色泥巖、砂質泥巖和粉砂巖組成，是本面開采的主要頂板充水含水層。本組地層埋藏較深，接受上伏含水層組的補給條件差，富水性不均勻，q=0.00015~0.479L/s.m，為極弱富水程度。掘進過程中局部頂板會出現淋水現象，對掘進影響甚微。③煤層底板太原組砂巖裂隙含水層：工作面煤層下伏太原組砂巖含水層，厚度45~64m，平均厚58.0m，主要由灰色、灰白色砂巖，灰黑色泥巖、砂質泥巖和粉砂巖組成，是工作面底板充水含水層。因含水層埋藏較深（為250-300m），補給條件差，補給面積很有限，含水層一般為極弱富水程度，對掘進影響甚微。④煤層底板奧灰含水層：主要是奧陶系馬家溝組含水層，層厚約180m，4煤與其層間距最小為94m。富水性不均一，富水帶不穩定。本井田奧灰水位標高為1054.0m，經實測工作面煤層底板標高最小為1062m，均大于1054.0m，工作面不受底板奧灰承壓水的威脅。礦區內主要可采煤層（4、9號煤層）均處于太原組中。太原組沙巖類孔隙水含水層是煤層頂底板直接含水層，煤層開采后孔隙水通過冒落帶或導水斷裂帶直接進入礦井，是煤層開采的主要充水因素，其充水方式以淋水、滴水、滲水為主。其次在局部地段，如向斜軸部，由于砂巖含水層含水性相對較好，也可能會造成大量局部積水導致涌水現象。該區煤層埋藏較淺，煤層回采后形成的導水裂隙帶在局部有可能與地表溝通，將導致礦井涌水量會明顯增大或突水。另外，由于礦區小煤窯分布較多，盡管多數為充氣小窯，但由于日積月累，一些小窯采空區也可能存在積水，給井下的安全生產帶來嚴重影響。

3礦井瞬變電磁法地球物理原理

在探測富水區的位置及其分布范圍等方面，瞬變電磁法是目前快速、有效的方法之一，其物理基礎是富水區相對于周圍地層有明顯的電性差異。理論上講，干燥巖石的電阻率值很大，但實際上地下巖石孔隙、裂隙總是含水的，并且隨著巖石的濕度或者含水飽和度的增加，電阻率急劇下降，即賦水性的不均勻程度在瞬變電磁參數圖件上反映為電阻率的高低變化；當巖層完整時其電阻率較高，受構造運動或地下水作用的影響，部分地段巖層破碎或裂隙發育，破碎程度及其含水的飽和度越大（砂巖、灰巖富水性增強），巖石的導電性會顯著增強，地層電阻率會明顯降低，斷面圖上會有明顯的低阻異常反映。正常情況下，各層位電性在橫向上是相對均一的。當存在局部低阻異常體（裂隙帶、富水區等）時，在斷面上就會出現局部低電阻率異常區。正常地層的電阻率是依次遞增的，當巖層富水時，其電阻率會降低，和圍巖相比較形成低阻反映。為以導電性差異、電性感應差異作前提的瞬變電磁法探測技術的運用提供了良好的地球物理前提。

4工作布置與技術措施

4.1施工布置

沿9煤帶式輸送機大巷36#鉆場迎頭，布置測線3條（斜向上30°、順層方向、斜向下30°方向），每條測線11個物理點，通過移動發射接收線圈，形成3條測的實測剖面（見圖1）。

4.2施工技術措施

礦井瞬變電磁法勘探裝置類型采用重疊回線組合裝置，邊長1.5m的激發和接收正方形線圈，激發線圈匝數4匝，接收線圈匝數40匝。供電電流檔為50A，供電脈寬10ms，采樣率16μS。每個測點采用30次疊加方式提高信噪比，確保了原始數據的可靠性。

5礦井瞬變電磁法勘探資料處理與解釋

圖2、圖3、圖4分別為本次超前探測迎頭斜向上30°、順層、斜向下30°方向擬視電阻率等值線斷面成果圖。解釋成果示意圖中，藍青色區域表示相對視電阻率低阻區域，黃色、橙色表示相對視電阻率高阻區域，其他顏色表示過渡區。

5.1斜向上30°方向

從圖2可看出，本次探測的迎頭斜向上30°方向100m范圍內以視電阻率ρτ≤40Ω·m劃定3處視電阻率低阻異布置沿9煤帶式輸送機大巷36#鉆場迎頭，布置測線3條（斜向上30°、順層方向、斜向下30°方向），每條測線11個物理點，通過移動發射接收線圈，形成3條測的實測剖面（見圖1）。5.1斜向上30°方向從圖2可看出，本次探測的迎頭斜向上30°方向100m范圍內以視電阻率ρτ≤40Ω·m劃定3處視電阻率低阻異常區，編號分別為XSY-1、XSY-2、XSY-3。其中，XSY-1異常區分布范圍為左側幫0~28°方向，20~100m位置；XSY-2異常區分布范圍為左側幫44~63°方向，80~100m位置；XSY-3異常區分布范圍為右側幫39~48°方向，75~100m位置；3處異常區均解釋為煤層上覆頂板砂巖相對富含水區或裂隙發育區。

5.2順層方向

從圖3可看出，本次探測的迎頭順層方向100m范圍內以視電阻率ρτ≤45Ω·m劃定4處視電阻率低阻異常區，編號分別為SY-1、SY-2、SY-3、SY-4。其中，SY-1異常區分布范圍為左側幫0~15°方向，40~100m位置；SY-2異常區分布范圍為左側幫27~71°方向，30~40m位置；SY-3異常區分布范圍為右側幫58~90°方向，30~40m位置；SY-4異常區分布范圍為右側幫84~90°方向，80~100m位置；4處低阻異常區均解釋為煤層上覆頂板砂巖相對富含水區或裂隙發育區。

5.3斜向下30°方向

從圖4可看出，本次探測的迎頭順層方向100m范圍內以視電阻率ρτ≤35Ω·m劃定1處視電阻率低阻異常區，編號為XXY-1，分布范圍為左側幫0~25°方向，20~100m位置；解釋為煤層下伏巖層相對含水區或裂隙發育區。

6鉆探驗證與結論

①煤礦企業依據《煤礦防治水“三專兩探一撤”規定》，執行“物探先行，鉆探驗證”程序，對物探結果進行了鉆探驗證。驗證結果在瞬變電磁異常部位發現有漏水、冒水、滴水現象。與物探結果基本一致。煤礦企業在繼續掘進前通過注漿的方式進行了露水治理，保障了安全掘進。②嚴格執行《煤礦防治水“三專兩探一撤”規定》，按要求配備防治水專業技術人員、建立專門的探防水隊伍、配齊專門的探放水設備，采用物探、鉆探等方法進行探放水，且在重大險情時必須立即停產撤人是煤礦企業安全生產行之有效的措施。

參考文獻：

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[4]武鐵山，徐朝雷，吳洪飛，等.山西省巖石地層[M].武漢：中國地質大學出版社，1992.

作者：李愛生 王凱飛 霍衛民 單位：中國冶金地質總局第三地質勘查院