地面-巷道瞬变电磁法探测采空区积水的应用

李柬谷

(阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西 阳泉 045000)

0 引言

采空区积水是诱发煤矿特大突水灾害事故的主要原因之一。事故调查资料显示：采掘工程资料缺失或不详，致使上部煤层采空积水情况不明，是造成老窑采空区积水透水灾害事故发生的主要原因[1-3]。因此，开采下部煤层必须对上部采空区积水予以查明。目前，我国煤矿水文地质地球物理探测技术主要分地面与井下，地面主要有直流电阻率法、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁测深等；井下主要有矿井直流电法、矿井瞬变电磁法、音频电透视等。受地形、人文设施及探测深度影响，地面水文物探分辨率、勘探精度及可靠性大为降低，虽然能满足水源地勘查的需要，但还达不到煤矿防治水工作的精细勘查要求，只能作为煤矿制定采区防治水规划的参考资料。矿井水文物探技术一是由于靠近目标体，信号响应强，分辨率较高，但也存在一定不足，对于直流电法勘探而言，比较突出的局限性是需要一定的测线长度，如果可施工巷道长度有限，则无法满足勘探深度的要求；二是当岩层破碎且干燥时，电极与岩层的接触常常会带来困难；三是当工作面较宽时在工作面顶板上方中间部位容易形成探测盲区[4-7]。

受井地直流电法勘探与井地瞬变电磁法的启发，提出多层采空区地面-巷道瞬变电磁探测方法[8-11]。地面-巷道瞬变电磁探测，即在井下回采工作面形成后，在地面铺设发射回线建立人工场，在工作面上下两巷及切眼等巷道内布置接收点观测瞬变场的衰减响应，探测顶板上方采空积水情况。该探测方式既能兼取地面、井下物探技术的优点，又能克服两者的缺点。既能利用地面布设较大线圈、增强供电电流实现较大的探测深度；还能利用接收线圈距目标体较近接收信号强，提高分辨率与探测精度，增强“旁视”能力，接收线圈置于巷道中可以避免低阻覆盖层屏蔽作用及地面各种电磁信号影响。同时通过改变地面发射线圈与巷道中接收线圈的相对位置，或者改变巷道线圈中的接收方向，可以实现采空区积水边界纵向、横向上的准确定位，实现精细探查。

1 矿井及81402工作面水文概况

1.1 矿井概况

阳煤一矿位于山西省阳泉市西北和盂县交界处，隶属于阳泉市管辖。井田平面呈一不规则的多边形，井田东西走向长约14.5 km，南北宽约9.8 km，面积为83.612 6 km2。目前开采15#煤层。井田工业广场有专线铁路在阳泉车站与石太线接轨，运距10 km；沿阳煤一矿公路南行2 km经赛鱼口可与太旧高速公路以及307国道线相连，与阳泉、平定、盂县、寿阳等市县结成公路网。

1.2 81402工作面水文地质情况

工作面水文地质条件简单，主要充水因素包括4方面。

地表河流：本工作面地表有杨家峪河、召山河，属季节性河流，在雨季水量充沛。

含水层水：工作面上方K2灰岩、怪砂岩、K3灰岩、K4石灰岩等均属局部裂隙含水层，工作面推进至向斜轴部时，可能会出现顶板淋水，要做好防排水准备工作。

老空水、小窑水、采空区积水：81402回采工作面上方的呈祥煤矿3空区存在积水。经过走访调查，原呈祥煤矿副斜井掘进过程中沿23°坡度掘进至3#煤层后向下进行了延伸，但相关掘进巷道资料不详。3#煤回收封闭时发现副斜井内3#煤至延伸巷道内有巷道积水，由于封闭时间较长，受含水层水量补给，现副斜井内积水可能已与3#煤采空区积水连通，势必会对81402回采工作面回采产生影响。

钻孔：工作面有D258、030号地质钻孔，也是充水因素之一。

2 地面-巷道瞬变电磁探测方案

2.1 试验地点及概况

试验地点：选定在阳煤一矿81402工作面，地面布置1 200 m×600 m与600 m×400 m发射线框。在81402工作面回风巷、尾巷、进风巷内以10 m点距布置测点进行接收，各巷分别有51个测量点。

试验地点概况：阳煤一矿81402工作面开采15#煤，原呈祥煤矿回风斜井与副斜井均位于该工作面上方，并对3#煤层进行了部分开采，形成局部采空区。根据前期调查，其副斜井穿过3#煤层开拓至9#煤层，该副斜井存在积水的可能。15#煤层距9#煤层约100 m左右。

2.2 地面-巷道瞬变电磁法探测方案

基本原理：地面-巷道瞬变电磁法基于传统瞬变电磁方法的基本原理，将接收装置放置在地下巷道中进行数据采集。与传统的瞬变电磁法和矿井瞬变电磁法相比，具有发射功率大、接收环境受地表电磁场干扰小、信噪比高、对采空区探测能力强等优点。地面-巷道观测系统，如图1所示。

图1 地面-巷道观测系统

仪器设备：实验采用美国ZONGE公司GDP32II多功能电法工作站。GPD32电法工作站自带时钟进行同步，采用探头进行接收，满足本次实验研究的要求。施工主要设备包括XMT-32S石英钟、ZT-30瞬变电磁法发射机、接收机和发电设备。

方案设计：在地表分别布置1 200 m×600 m和600 m×400 m的大回线矩形线框，分别在81402回风巷、81402尾巷、81402进风巷布置51个测量点进行数据接收。巷道中接收点坐标如图2所示，测点距离10 m，每条测线长500 m，单条测线51个测量点。3条测线总计153个测量点，每个测量点测量3个分量，物理测量点数为918个。

图2 接收点平面图

3 地面-巷道瞬变电磁法解释方案

3.1 地面-巷道瞬变电磁法资料处理

确定最大幅值点：地面-巷道瞬变电磁感应电动势曲线呈现先上升后下降的趋势，该曲线的最大值点(即极值点)出现的时间近似于瞬变电磁感应涡流环传播到接收点所在位置的时间。首先根据单点感应电动势曲线的趋势确定每个测点的接收信号最大幅值点出现的时间。

绘制多测道曲线图：鉴于地面-巷道瞬变电磁感应电动势曲线的特征，依据传统方法绘制多测道曲线图时将会出现大量的重合，不利于分析处理。因此，依据感应电动势曲线极大值出现的时间，将多测道曲线图分为两部分，分别为上升段和下降段。

一维反演：数据处理的核心内容在于利用相关算法及采区的基本资料进行视电阻率一维反演，从而获得合适的解释数据。

绘制视电阻率剖面图：依据反演结果绘制视电阻率剖面图，作为本次试验的最终解释成果。

3.2 瞬变电磁资料解释

解释依据：试验的主要目的在于探测上部采空区积水以及副斜井位置及积水情况。分析地下目标区域的赋水、导水性主要依据的是断层破裂带和陷落柱与围岩电阻率的变化，断层的电阻率主要取决于断层的破碎程度及其赋水性。赋水断层和导水断层的电阻率远小于不赋水断层和周围不赋水地层的电阻率，这是电法探测含水断层和进行赋水分区的物性依据。岩层赋(含)水性的解释，剖面图上主要是依据视电阻率的横向变化特征，解释原则是赋水地段的异常是低阻反映，赋水性越强则视电阻率越低，平面图上赋(含)水区的解释也是依据视电阻率的平面变化，赋(含)水异常区在平面图上呈现相对低阻。

解释原则：资料解释坚持“水文地质研究与物探资料解释相结合，定性解释与定量解释相结合”的基本原则，采用综合处理与解译技术，减少多解性，提高解释可靠性。

4 试验效果

本次试验的主要目的为查明上覆煤层采空区域充水情况，基于地面-巷道瞬变电磁法的特性，通过地面-巷道瞬变电磁感应电动势曲线、多测道曲线图以及视电阻率剖面图对试验效果进行分析。

4.1 感应电动势曲线

观察重点：感应电动势曲线是观察瞬变电磁原始观测数据的最直接方式，对于地面-巷道瞬变电磁感应电动势曲线，重点观察其上端段趋势以及最大值点即极值点所在位置。

典型感应电动势曲线：图3为典型的地面-巷道瞬变电磁感应电动势曲线，可知地面-巷道瞬变电磁信号整体上呈现先上升后下降的趋势，中间存在一个极大值点。

图3 地面-巷道瞬变电磁感应电动势曲线

回风巷感应电动势曲线：图4为回风巷地面-巷道瞬变电磁感应电动势曲线(Hz)，发射线框1 200 m×600 m，以此为例，可以得出，该地区地面-巷道瞬变电磁信号极大值点出现的时间一般在0.451 3 ms左右。

图4 回风巷地面-巷道瞬变电磁感应电动势曲线(Hz)

4.2 多测道曲线图

分析方法：基于地面-巷道瞬变电磁感应电动势曲线特征，将多测道曲线以0.451 3 ms为界分成两部分，即地面-巷道瞬变电磁上升段多测道曲线图(含0.451 3 ms)和下降段多测道曲线图。以3条巷道各自测量所得的z方向数据为例，通过绘制地面-巷道瞬变电磁多测道曲线图对试验效果进一步分析。

尾巷多测道曲线：图5为尾巷地面-巷道瞬变电磁多测道曲线图(Hz)，由图可知，上升段多测道曲线图在35点附近接收信号出现大幅度波动现象，且在左侧区域，曲线变化较大。从原理上分析为该点上覆地层较周围围岩存在差异；而下降段多测道曲线图各测点信号值基本一致。

图5 尾巷地面-巷道瞬变电磁多测道曲线图(Hz)

4.3 视电阻率剖面图分析及采空区积水位置推测

分析方法：在瞬变电磁法解释过程中，视电阻率剖面图占据着重要的地位，同样，在地面-巷道瞬变电磁解释过程中依旧将视电阻率剖面图作为重要的解释依据。在对接收数据进行一维反演的基础上，绘制地面-巷道瞬变电磁视电阻率剖面图，取3条巷道地面-巷道瞬变电磁视电阻率剖面图(Hz)对试验效果进行分析。

进风巷、回风巷视电阻率：图6、图7分别为进风巷与回风巷的地面-巷道瞬变电磁视电阻率剖面图(Hz)，由图可知，发射线圈在1 200 m×600 m激发条件下获得的视电阻率剖面图中，早期段主要反映巷道上方附近的地电信息，红色区域主要反映巷道顶板走向，50 ohm·m等值线反映相对低阻异常区域，推测为赋水采空区。而发射线圈600 m×400 m激发条件下获得的视电阻率剖面图中，与上述解释一致，但由于接收点在发射回线外侧，反映出的地层倾斜角度过大，且电阻率值相对较大。

a-发射线圈1 200 m×600 m；b-发射线圈600 m×400 m图6 进风巷地面-巷道瞬变电磁视电阻率剖面图(Hz)

尾巷视电阻率：图8为尾巷地面-巷道瞬变电磁视电阻率剖面图(Hz)，由图可知，发射线圈1 200 m×600 m激发条件下获得的视电阻率剖面图中，早期段主要反映巷道上方附近的地电信息，红色区域主要反映巷道顶板走向，50 ohm·m等值线反映相对低阻异常区域，推测为赋水采空区。但24#测点附近存在横向上的相对高阻异常，结合地质情况，推测为相对垂直的薄板状的低阻异常体所产生的影响。而发射线圈600 m×400 m激发条件下获得的视电阻率剖面图中，红色区域主要反映巷道顶板走向，350 ohm·m等值线反映相对低阻异常区域，推测为赋水采空区。但由于接收点在发射回线外侧，反映出的地层倾斜角度过大，且电阻率值相对较大。

a-发射线圈1 200 m×600 m；b-发射线圈600 m×400 m图7 回风巷地面-巷道瞬变电磁视电阻率剖面图(Hz)

a-发射线圈1 200 m×600 m；b-发射线圈600 m×400 m图8 尾巷地面-巷道瞬变电磁视电阻率剖面图(Hz)

采空区积水位置推测：根据3条巷道地面-巷道瞬变电磁探测结果，z方向分量探测结果显示明显为低阻异常区，推测采空区积水位置在8#～28#测点间。

5 结语

采用地面-巷道瞬变电磁法勘探后，认为地面-巷道瞬变电磁法是可行的，相对传统瞬变电磁法，该方法受地形影响较小，对浅部数据地质信息反应较好，所观测的数据质量比较高。3条巷道对采空区积水的位置有反映，与调查采空积水区基本一致，为采空区积水的防治提供了有力的参考依据，可以应用于类似问题的探测。