瞬变电磁法在东沟煤矿水文地质勘探中的应用

曹亚涛

摘 要：瞬变电磁探测技术是探测富水区域的一个简单有效的手段，东沟煤矿基于瞬变电磁仪探测数据成图分析各种水害的水力形态和各种干扰显示，根据掘进巷道所处位置和富水类型，分析富水区影响形态类型。按照影响形态类型和范围，按照瞬变电磁探测有效性、积水量、水压、排水能力、安全距离以及其他灾害的评估，论证富水区域与掘进的安全关系。希望研究结果能够为广大同行提供一定的参考。

关键词：瞬变电磁;东沟煤矿;水文地质勘探

1    东沟煤矿基本情况

1.1  东沟煤矿简介

东沟煤矿位于距离呼图壁县城正南56 km处的天山北麓石梯子小西沟呼图壁林场一带，矿区面积为11.82 km2，生产能力为90万吨/年。矿井划分3个水平，现开采一水平（+1 450 m 以上）划分为一个双翼采区，阶段垂高为136～185 m[1-2]。

井田内共含编号可采煤层5层，由下而上依次为B1、B2、B3、B41、B42。其中，B1、B41为大部可采煤层，其他的B2、B3、B42为全区可采煤层，煤层倾角为10°～15°，倾向10°～25°，现开采最上面的B42煤层。

1.2  含煤岩层和含隔水层简介

含煤岩层为侏罗系中统西山窑组（J2x），为一套为河流相、泥炭沼泽相沉积，由灰色、深灰色砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩、煤层组成，与上覆侏罗系中统头屯河组呈整合接触。

井田共划分6个含（隔）水层（段），分别为第四系全新统坡积透水不含水层、第四系全新统洪冲积孔隙潜水含水层、中侏罗统头屯河组裂隙孔隙含水层、中侏罗统西山窑组裂隙孔隙含水层、下侏罗统三工河组相对隔水层、烧变岩裂隙潜水含水层。其中，中侏罗统头屯河组裂隙孔隙含水层为间接充水含水层，中侏罗统西山窑组裂隙孔隙含水层为为直接充水含水层，位于矿区南部的烧变岩裂隙潜水含水层对老井有较大影响、对新井影响较小。

地质勘探钻孔水文抽水试验的结果：单位涌水量（q）为0.007 54～0.210 00 L/s·m，渗透系数（K）为0.005 81 ～0.255 00 m/d。因此，西山窑组含水层富水性为弱到中等，透水性弱，但局部存在富水异常区域。

矿井充水的主要因素为地层岩性、构造、火烧层、河沟水、大气降水及暂时性地表水流。其中，地层岩性和构造影响较大，火烧区影响新井的能力有限，在工作面临近东沟河时，东沟河存在一定的侧向补给能力。

2    瞬变电磁仪探测结果水力形态显示

东沟煤矿在生产过程中根据富水区积水位置分为顶板砂岩水、采空区水、断层（构造）水。

2.1  顶板砂岩水

顶板砂岩水主要赋存在顶板岩层裂隙或孔隙中，存在形态视裂隙或孔隙分布情况而定。

2.2  采空水

掘进巷道临近采空区积水区，采空区积水需要提前疏放以保证安全生产。采空区水一般都沿煤層走向，以条带状存在，在巷道连续起伏的情况下，也可能以不连续的块状存在。在地质资料、测量数据都清楚的情况下，采空区积水区域易确定形态、位置、积水标高和积水量。

2.3  构造（断层）水

东沟煤矿成煤环境为沉积环境，未发现能形成岩溶地貌的地层，构造水以断层水居多。因为断层含水量不一，不含水的断层在瞬变电磁探测过程中呈现高阻（a）;含水的断层沿着断煤交线易形成条带状视电阻异常区域（b）（见图1）。

2.4  干扰显示

2.4.1  杂物干扰

巷道在掘进的过程中，掘进机、电缆、物料等基本都处于同一位置，每次瞬变电磁探测在某一位置重复出现视电阻异常区域，并且此区域在重叠探测和钻探中无异常，此区域就是由固定物体干扰形成的，在实际中需要经过多次验证后总结[4-6]。

2.4.2  底板积水干扰

现在，瞬变电磁探测设备受技术的影响，线圈没有定向识别的功能，一般探测过程中以法线45°为分界线。0°～45°为向上识别，大于45°为向下识别。当底板存在积水、法线倾角较大时，易识别底板，形成顶板显示视电阻异常区域，出现结果显示顶板存在大面积富水区。

3    影响形态分析

按照层位关系掘进时主要分为采空区水、顶板水（包含构造水）、底板水。

3.1  顶板水（包含构造水）

巷道在掘进过程中，对原有煤岩层结构造成破坏，压力重新分布，在压力等多重因素的影响下产生裂隙，裂隙沟通富水位置造成巷道出、淋、滴水等现象。在巷道顶板岩性为泥质胶结时，严重影响巷道支护质量、支护强度。

按照富水区域与巷道的关系分为以下几种：

（1）当顶板存在富水区，并且顶板裂隙等构造不发育、掘进巷道是平巷时，富水区域主要对正下方造成影响，侧向影响主要由水压、水量、煤岩层性质等决定。

（2）当顶板存在富水区，并且顶板裂隙等构造不发育、掘进巷道是下坡时，富水区域会随着掘进面移动，直到巷道低洼点开始起坡，即“水跟紧下坡掘面”。

（3）当顶板存在富水区，并且顶板裂隙等构造不发育、掘进巷道是上坡时，富水区域有时会在顶、底板同时出水，直至掘进远离富水区。

3.2  采空区水

采空区水一般位于掘进面正上方或斜上方，当掘进巷道与采空区之间裂隙等构造不发育时，采空区主要影响正下或斜下方掘进巷道，对周边影响有限（见图2）。

3.3  底板水

在掘进过程中，巷道存在局部向斜和背斜，在巷道下方含隔水层以互层的形式存在，巷道在局部存在底板水，在瞬变电磁探测过程中显示无高程富水区域，底板以慢渗出水为主（压力过大时，出水形态为股状），如图3所示。

4    安全应用

按照水害处理的程序和以下步骤进行评估：

4.1  瞬变电磁探测的有效性评估

瞬变电磁仪在使用过程中易受到铁器、电缆（电磁场）、积水等影响。在瞬变电磁探测成图后，按照数据成图与水力相态显示进行比对，形成有效的三维图片和需要的切片图片。按照富水层位和煤岩层特性对成图进行分析，如砂岩含水层，在数据成图上尽可能排除干扰项，然后进行验证。

4.2  積水量、水压评估

按照数据成图，预估最大水压，按照积水范围三维长度和煤层裂隙率换算积水量。

4.3  排水能力评估

疏放水钻孔在孔口都安装了截止阀，一般情况下，对排水系统没有太高要求。在考虑掘进安全的情况下，综合考虑经济性，一般要求在最大排水能力下疏放水。即单孔出水量为：

（1）

式中：q—钻孔涌水量，m3/s;c—流量系数，取0.6;ω—钻孔断面积，m2（煤矿防治水细则规定钻孔最大直径为94 mm）;g—重力加速度，9.8 m/s2;H—钻孔出水口的水头高度。考虑钻孔出水时水头高度不断变小，属非稳定流状态，可取探放水最大水头高度的40%～45%计算平均涌水量。

按照公式Q=n×q计算总出水量。

根据《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》，反算出需要的水泵台数、扬程、排水管管径。

4.4  安全距离评估

按照以下公式计算安全距离：

（2）

式中：a—超前距离，m;L—巷道的跨度（宽或高，取其最大者），m;Kp—煤的抗张强度，MPa，取1.15 MPa;P—煤、岩层承受的静水压力，MPa，取值0.1 MPa; A—安全系数，一般取2～5，本设计取5。

4.5  其他灾害的评估

东沟煤矿在生产过程中，伴随水出现瓦斯，往往会出现水大瓦斯高的现象。特别是在向斜轴部存在富水异常区域时，存在的由细砂岩、粉砂岩与炭质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩组成的隔水层，在富水区域煤层气受水力封闭作用而富集，煤层含气量较高。水的存在可以对煤层甲烷向浅部的运移产生一定阻力，减缓煤层气的运移速度。富水区域在受采掘影响疏干后留下裂隙，导致瓦斯从采掘作业处逸出，引发瓦斯“局部异常”。因此，在疏放水过程中一定要注意瓦斯异常涌出和局部超限。

[参考文献]

[1]新疆天地华泰采矿工程技术股份有限公司.新疆准南煤田呼图壁县石梯子东沟煤矿水文地质类型划分[Z].2018.

[2]李玉昆，王松涛，王宝琛.瞬变电磁法在煤矿水文地质勘查中的应用[J].西部探矿工程，2019，31（3）：116-117，121.

[3]王益.瞬变电磁技术在探测红三沟煤矿井田内老窑积水的应用研究[J].能源与环保，2019，41（7）：116-119.

[4]王桀.煤矿水文地质勘查中瞬变电磁法的应用[J].现代矿业，2020，36（2）：14-15，46.

[5]孙林.电阻率测深法在煤矿水害探测中的应用[J].中州煤炭，2016（12）：143-146.

[6]成学光，高鹏飞.瞬变电磁法在煤矿水文地质勘察中的应用[J].煤炭技术，2011，30（7）：124-126.