瞬变电磁法在矿井水文地质探测中的应用研究

2022-08-03周凯文

山西冶金 2022年3期

周凯文

（晋能控股煤业集团云岗矿地质测量部，山西大同 037017）

矿井开采中的水文地质灾害是引起煤矿安全事故的主要灾害之一，不仅影响煤矿的安全生产，还会给工作人员和社会经济带来损害，再加上矿井水文地质情形复杂，因水害造成的安全事故发生频率相对比较高[1]。而矿井煤巷掘进作为煤层开采的关键环节，就必须事先对开采掘进工作面进行地质探查。一般在煤巷掘进前方出现的含水现象包括陷落柱含水、断层破碎带含水、采空区含水和岩溶富水等。因此，在矿井水文地质中，查明水源、水量以及涌水通道显得尤为重要，这就需要借助于矿井探查手段，而瞬变电磁法因具有施工便捷、方向性强、对含水区域敏感以及探测距离远等特点而被广泛应用[2]。矿井瞬变电磁法的基本原理是利用法拉第电磁感应现象，属于物理探测方法，是将地面瞬变电磁法引入矿井测量，利用煤巷有限的空间进行数据采集，电磁场是全空间响应。接收线圈收到的信号来自于周围全空间围岩体的综合反映[3]。本文主要采用瞬变电磁法对矿井巷道掘进工作面进行超前探测。

1 瞬变电磁法在矿井水文地质探测中的应用研究

通常，矿井煤层充水源头主要来自于地表水、采空区积水、深部奥灰水以及顶板以上砂岩与灰岩岩溶裂隙水，充水通道主要包括构造断层破碎带、裂隙以及煤层开采造成的顶板导水裂隙。现如今，老空突水已经成为矿井的最大水害威胁，其次就是底板深灰水和顶板裂隙水，因此，一般采用瞬变电磁法进行钻孔布置超前探水作业[4]。

1.1 矿井裂隙水探测实例分析

矿井局部地段存在节理、顶板破碎以及断层构造发育，如果出现上覆岩含水现象，则裂隙含水并发育，此时，视电阻率等值线图上呈现出等值线波动幅度增大，且存在不连续、小范围低阻异常区，区域视电阻率变化也比较大。

以某矿井下裂隙水探测为对象，探测区位于该矿轨道巷掘进工作面，并从掘进头朝上50°开始至朝下50°，以每10°的变化区间设置测线，共计11 个测线点，应用瞬变电磁法探测掘进头前方以及顶底板含水体情况，得到如图1 所示的视电阻率等值线图。

图1 因断层出现的视电阻率等值线图

从图1 可以看出，在探测前方100 m 以内，处于掘进头前方偏底板位置90 m 周围存在小范围低阻异常区域，出现探测异常可能是因含水体的原因，并进行验证，再打孔90 m 后出水，表明低阻异常确实是因裂隙水引起的。

1.2 老空区积水实例分析

采空区在充水的情形下，视电阻率等值线在较大范围内出现低电阻，且视电阻率具体大小和含水情况相关，同时，低阻异常连续性也较好；如若含水较大时，不容易穿过电磁波，呈现为等值线图上深部全部是低阻异常。

以某矿采空区为对象，探测区位于该矿回风巷掘进工作面，并从掘进头朝上50°开始至朝下50°，以每10°的变化区间设置测线，共计11 个测线点，应用瞬变电磁法探测掘进头左右帮以及前方含水体情况，得到下页图2 所示的视电阻率等值线图。

从图2 中可看出，位于探测前方90 m 以内，处于掘进头正前方48～90 m 范围内、右帮60 m 之后，存在着较大的异常区范围，此时，电阻率值较小，因此，可以推断是富含水区域。并对此处探测位置进行打钻孔验证，在打正前方50 m 以及右侧30°前方65 m 位置处均出水，表明验证准确。

图2 采空区出现积水时的视电阻率等值线图

1.3 不充水陷落柱实例分析

一般情况下，陷落柱或大断层在不充水的前提下，破碎比较严重，对比于周围的岩石，导电性能也大大降低，呈现出高阻异常，因此，在视电阻率等值线图上表现为紫红色区域，且电阻率较大。

以某矿不充水陷落柱探测为对象，探测区位于该矿轨道巷掘进工作面，并从掘进头朝上50°开始至朝下50°，以每10°的变化区间设置测线，共计11个测线点，应用瞬变电磁法探测左右帮以及前方陷落柱含水体情况，得到图3 所示的视电阻率等值线图。

图3 不充水陷落柱的视电阻率等值线图

从图3 可以看出，在探测前方95 m范围内，不存在低阻异常区，并通过打钻孔验证，探测位置确实无异常。

1.4 充水陷落柱实例分析

因岩石破碎比较严重，在充水的前提下，陷落柱或大断层的导电性能相比于周围岩石将有大幅提升，呈现出低阻异常，因此，在视电阻率等值线图上表现为绿色或蓝色区域，且电阻率比较小。

以某矿充水陷落柱探测为对象，探测位于该矿回风巷掘进工作面，并从掘进头朝上50°开始至朝下50°，以每10°的变化区间设置测线，共计11 个测线点，应用瞬变电磁法探测前方以及左右帮含水体情况，得到图4 所示的视电阻率等值线图。

图4 充水陷落柱的视电阻率等值线图

从图4 可以看出，在探测前方90 m 以内，出现一处异常区，处于掘进头正前方40～90 m 之间、左帮45 m 至右帮60 m 之间，存在着较大的异常区范围，且电阻率值较小，因此，可以推断是富含水区域。并对此处探测位置进行打钻孔验证，在打正前方46 m 以及右侧20°前方51 m 处位置均出水，探测验证是直径20 m 的导水陷落柱，表明验证准确。