韦乖强，赵 慧

(1.山东省煤田地质局第五勘探队，济南 250100； 2.山东省地质科学研究院，济南 250013)

0 引言

在资源整合矿井老窑采空区边界探测中，地面常用的物探方法有瞬变电磁法、高密度电阻率成像法、CSAMT、地震勘探、放射性测量等；煤矿井下探测老窑采空区的物探方法有矿井瞬变电磁法、直流电法、探地雷达、地震波勘探方法等。在诸多方法中，矿井瞬变电磁法是目前矿井应用最普遍的物探方法之一，该方法以其对低电阻率反映敏感、施工便利、距离目标体近、体积效应小、经济高效等优势被广泛应用于煤矿井下的水害探测、老窑采空区边界及积水探测、断层的导含水性、含水岩层富水性评价等，为煤矿井下安全采掘及开展防治水提供了依据。

1 矿井瞬变电磁法

瞬变电磁法(简称TEM)是一种时间域的电磁感应探测方法，在一次脉冲场激发下地质体会激励起感应二次场，若探测位置存在良导体，则二次场衰减慢，反之衰减较快。由二次场的变化所反映的地质体电性分布情况就可以推断探测范围内不良地质体的地质特征[1-10]。

矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应的勘探方法，受井下环境及测量线圈大小限制，其可靠探测距离约为100m，最大不超过150m。据“烟圈”理论可知，早、晚期的瞬变电磁场反映了不同距离地质体的电性特征。矿井瞬变电磁根据不同时间t的感应二次场变化，计算处理后便可获得探测位置由近及远的岩层电性特征[1-3]。

矿井瞬变电磁晚期视电阻率ρs的计算公式为

(1)

式中：C为全空间响应系数，为常数；μ0为真空磁导率，为常数，4π×10-7N/A2；S为发射线圈面积，m2；N为发射线圈匝数，匝；s为接收线圈面积，m2；n为接收线圈匝数，匝;t为测量时间，ms；V/I为观测到的感应二次场，μV/A。求得视电阻率ρs后，便可利用下式进行时-深转换，求取不同延时的对应深度[1-4]。

(2)

式中：Ds(t)为t时刻电磁场传播距离，m；v(ρs，t) 为任意导电介质分布情况下电磁场垂直扩散速度，m/s。

2 矿井概况及探测技术

贵州水城某矿为资源整合矿井，因资源整合矿井开采时间较长,废弃老窑及采空区多,存在老窑采空区资料不祥,积水情况不明等问题。该矿在掘进1202工作面回风巷道时，根据前期收集资料，在1202工作面回风巷道左侧上邦位置存在采空区，为了确定采空区是否存在及与拟掘进巷道位置的距离、含水情况，组织实施了本次探测研究工作。

2.1 地质概况

该矿的1202工作面主采M2煤层，平均煤厚1.7m，结构较复杂，含2～4层高岭土夹矸，顶板岩性主要为粉砂岩，底板岩性为细砂岩。1202工作面回风巷水平标高约为1 380m，巷道高度约2.3m，宽度约2m，回风巷迎头存在地段部分积水，据已知资料显示该工作面左上邦位置存在M5煤层采空区，巷道距离采空区的实际距离不详，从图纸上统计老窑采空区与掘进巷道的距离如表1所示。

表1 老窑采空区边界距离统计表

2.2 地球物理特征

从矿井瞬变电磁法探测实践来看，正常煤系地层岩性主要为泥岩、砂岩及煤层，电阻率一般为20～80Ω·m，视电阻率等值线较为平缓。在地层原始状态下，其电性特征有相对固定的变化规律，当煤层开采并经历一定时间后，顶板垮塌，形成冒落带、裂隙带、弯曲变形带[11-12]，采空区积水可能沿裂隙上升到裂隙带，打破了原有的煤系地层结构，采空区附近的电阻率也会出现明显变化，电阻率的大小因岩层破坏程度、含水程度的不同而不同[6-8]。这些电性变化特征为矿井瞬变电磁法探测老窑采空区边界及富水性评价提供了可靠的地球物理探测前提[4-16]。

2.3 探测技术方案

为查明1202回风巷左侧上邦采空区的边界位置及富水性，对比分析老窑采空区边界和拟掘设计巷道的距离，为巷道安全掘进和防治水工作提供依据。现有采掘平面图显示M5煤层和M2煤层的间距,及迎头位置到采空区的推断距离，分析认为在迎头左侧沿30°方向的平面开展超前探测最为有效，因此在该探测平面内布设了0°、15°、30°、45°、60°、90°、120°七个不同方向的探测角度，以最大限度满足探测距离及反映目标异常的需要，图1为30°方向平面探测示意图。

图1 30°方向平面探测示意图Figure 1 Schematic diagram of updip 30° plane prospecting

图2为垂直方向的探测示意图，该探测平面布置在水平探测平面的90°探测位置，垂向布设，分别布设了上60°、上45°、上30°、上15°、0°、下15°、下30°、下45°、下60°九个不同的探测角度，对比分析两个不同探测平面的异常反映情况，以确定老窑采空区的边界及影响范围。

图2 垂直方向探测示意图Figure 2 Schematic diagram of vertical plane prospecting

本次探测选用多匝小回线共轴偶极装置，基本参数为：回线边长1.5m×1.5m，匝数80匝，频率25Hz,发射电流2.2A。

3 探测成果

图3为1202回风巷迎头左上倾30°方向超前探测平面图。从该成果图可以看出，视电阻率高低差异明显，在1202回风巷掘进方向的左侧上邦方向55m位置，视电阻率相对较低，平均小于10Ω·m，推断该位置岩层破碎、裂隙发育，富含水。图4为垂直方向的探测成果，该图在探测位置正前方55m左右，视电阻率等值线梯度也表现出明显变化，视电阻率值相对较低，平均小于10Ω·m，探测结果说明该区域岩层完整性破坏，裂隙发育、富含水。

图3 30°方向平面视电阻率剖面图Figure 3 Updip 30° plane apparent resistivity section

图4 垂直方向视电阻率剖面图Figure 4 Vertical plane apparent resistivity section

对比分析上倾30°方向平面和垂直方向视电阻率剖面图，推断该低电阻率异常位置为老窑采空区的电性反映，两个不同方向探测成果反映的低阻异常位置吻合较好，说明探测成果反映真实。

该整合矿原采掘平面图显示，探测位置下方存在M5煤老窑采空区(也即上邦采空区)，采空区边界距离拟掘设计巷道约63m，从本次探测成果图5可以看出，推断解释的老窑采空区边界位置整体向拟掘巷道有所偏移(表2)，偏移量平均约8.5m，

表2 老窑采空区边界距离对比统计表

图5 1202工作面回风巷超前探测成果图Figure 5 Working face No.1202 outtake advancedprospecting result

根据本次探测成果和前期收集的采掘平面图对比来看，在1202回风巷上邦的采空区确实存在，且富含水。按照《煤矿防治水细则》的规定，制定专门的水文地质分析报告和水害防治措施，采取探放水等相关措施查清采空区的积水量及补给情况等，综合分析已知M5煤采空区和M2煤层的空间位置关系以及对1202工作面的影响，落实防治水措施，确保安全开采。

4 结论

通过矿井瞬变电磁法对资源整合矿井1202工作面回风巷左上邦老窑采空区的探测成果表明,该方法推断解释的采空区边界比已知采掘工程平面图上的采空区上移了约8.5m，推断其受老窑采空区影响，且该老窑采空区富水。探测实践表明：

1)该方法对于资源整合矿井老窑采空区边界及富水性的探测是一种快速有效的探测方法。

2)结合已知资料制定科学探测方案，最大限度满足探测距离对反映异常目标的需要。结合矿方现有实际采掘资料，运用物探、水文地质、开采技术等专业知识综合分析，能够取得相对可靠的地质成果。

3)该方法的探测成果为煤矿优化开采方案、指导矿井开展防治水提供了依据。