瞬變電磁法探測煤礦采空積水區(qū)

叱舜宇

（山西華冶勘測工程技術有限公司，山西 太原 030000）

煤礦在開采的過程中，地下水會通過礦井的通道進入礦井中，當其水量超過了標準水量的時候，就會造成積水事故，這對于煤礦的開采工作產(chǎn)生不小的影響，還可能從很大程度上造成了施工的利益損失。而瞬變電磁法，就現(xiàn)在而言，可謂是發(fā)展迅速并且應用極其廣泛，在社會大眾的心理有著崇高的地位。順變電磁閥主要用于對煤礦開采過程中，對其二次場進行探測，對滴足與高含量的水體來說，有著非常靈敏的感應，并且極具有很多優(yōu)點，例如體積小、探測施工方便、觀測的分辨率清晰等。所以在煤礦施工過程中有著極其重要的應用價值。他可以在煤礦采空積水區(qū)探測積水情況，并且可以防止很多安全隱患對煤礦施工的開采有很大的意義[1]。

一、理論基礎

（一）瞬變電磁法勘探原理

瞬變電磁法,屬于利用電磁瞬變感應的一類電子探測器,遵循傳統(tǒng)電磁瞬變感應法的原理。其主要是導電介質(zhì)在隨著階躍速度變化的地下電磁場短波激發(fā)所產(chǎn)生的短波渦流激發(fā)效應,即“一次場”。根據(jù)脈沖電磁波的感應渦流定律,脈沖波的電磁波發(fā)射結(jié)束后,大地或火星探測器等目標體在脈沖激發(fā)場磁的作用下,內(nèi)部就會產(chǎn)生電磁感的渦流。渦流還具有中子空間運動特性和中子時間運動特性,其阻力大小與運動目標體的中子空間運動特征和中子電性運動特征、激發(fā)彈性特征等多種因素密切有關,因熱中子損耗的增大緣故渦流會逐漸輕微減弱至完全消失。渦流分布大小雖然不能直接進行測量,但可通過利用專門觀測儀器進行觀測空間渦流運動產(chǎn)生的空間電磁場。

同時，探測特定導電目標的其他微波導電幾何信號埋藏場的規(guī)模占地面積越大、埋藏到的區(qū)域范圍越淺、導電性越好,則二次場的其他微波幾何信號越強、持續(xù)時間越長。研究者對二次場的地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)進行了深入的調(diào)查研究，可以準確性地推測出重要巖質(zhì)結(jié)構(gòu)地層或其他重要地質(zhì)結(jié)構(gòu)活動條件，目標體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特性和各種性質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征[1]。

需要注意的是測量時的遠近場問題：首先場的早晚和遠近是沒有任何直接聯(lián)系的。場的早期與晚期指的是時間維度的變化，其中早期場指的是高頻成分尚未完全衰減的場，晚期場指的是高頻成分衰減完畢只剩低頻成分的場。相對的，近場指的是收發(fā)距遠小于趨膚距離的場，遠場指的是收發(fā)距遠大于趨膚距離的場。場的遠近和早晚是沒有任何聯(lián)系的。如果按照四個維度畫一個xy 軸坐標系的話，四個象限都是存在電磁場的。在遠區(qū)場的早期進行測量，同時在近區(qū)場的晚期進行測量。遠區(qū)場的早期階段，高頻成分還在，因此有很強的分辨能力；到了晚期時只剩下低頻成分。由于遠區(qū)的感應磁場是由空氣中直接向地面?zhèn)鞑サ模谕砥谟斜容^強的渦流現(xiàn)象，相對的而言地層厚度遠沒有渦流范圍更大，且收發(fā)距非常長導致晚期信號弱，因此不具備分層能力。對于近區(qū)場的晚期而言，這時的感應磁場因為是由煙圈效應引起的，具備比較好的分辨能力。反而在近區(qū)早期，一次場影響比較大，而且近區(qū)的一次場衰減更快，導致近區(qū)早期持續(xù)時間非常短，無法得到有效信息[3]。

（二）煤礦采空區(qū)物理特征

煤層采空賦存于不同成片煤層零散分布煤系上部地層中,煤礦的煤層在開采的過程中就變成了采空區(qū),這就導致了煤層中部變空，從而產(chǎn)生了突然的變化，導致原來的煤層狀態(tài)被破壞掉。然而當煤層采空區(qū)面積較小時,且該系煤層上部頂板為網(wǎng)狀塑型變質(zhì)巖石存在缺失,由于煤層殘留剩余煤柱數(shù)量較多,壓力快速轉(zhuǎn)移擴大到剩余煤柱上,不會引起煤層頂板的掉落與變形情況，但是采空區(qū)就相反了，當采空區(qū)的水不充足時，形成了空洞，并且受到地球中的重力影響，產(chǎn)生了掉落現(xiàn)象，頂板因此掉落，形成煤層冒空塌落收縮帶、裂隙收縮帶和彎曲帶。上述原因?qū)е缕涞刭|(zhì)物理形態(tài)特征結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著性的變化,主要特征表現(xiàn)如下為：

1.巖性煤層介質(zhì)采空區(qū)域的冒落導電帶與完整的的地層介質(zhì)相比,巖性介質(zhì)變得疏松、密度大大降低,即使在單位介質(zhì)體積內(nèi)煤層介質(zhì)的導電密度大大降低,同時巖性使得導電傳播于其中的介質(zhì)導電性大大降低,在其導電性上仍然表現(xiàn)為電阻異常;

2.消除煤層積水采空區(qū)長期出現(xiàn)煤層積水漏電情況,由于煤層水晶體是低壓電阻體,與采空區(qū)及完整的的地層積水相比,電性質(zhì)會發(fā)生明顯的變化,電阻的斜率明顯由大變小,由此可見,采空積水區(qū)的渦流電阻值效率明顯提高[4]。

二、實例

（一）四臺礦410 盤區(qū)瞬變電磁探測

大同煤礦集團四臺山煤礦公司目前計劃對410 盤區(qū)11#兩個大型煤窯區(qū)進行開采,調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)上部3#和8#兩個大型煤層小廠對窯進行采空區(qū)下部均存有大量積水的現(xiàn)象,水量不清楚,對下部11#兩個大型煤層的窯區(qū)進行積水開采也可能造成一定量的安全隱患,需盡快對3#和8#兩個大型煤層窯區(qū)的采空積水處理,并進行了對煤層地面污染物排放探測和污水探測區(qū)的表層覆蓋,厚度在可從幾米以上到幾十米之間變化,下覆蓋的地層由老到新為多層石炭灰煤系本溪組、太原組,侏羅系永定莊組、大同組、云崗組、白堊組煤系和金左云組、助馬堡組.主要測量可采用的煤層3#相同煤層埋藏厚度為0.98-1.20m 平均埋藏厚度1.2m 較為穩(wěn)定,埋藏煤層深度間距平均大約為100m 左右,8#相同煤層埋藏厚度1.85-3.83m 平均埋藏厚度3m 較為穩(wěn)定,與3#相同煤層的埋藏層厚度間距約50m 左右[5],埋藏煤層深度間距平均大約為150m 左右,本次重疊瞬變回線電磁儀的測量主要選用名為wdc-2b 的新型重疊瞬變回線電磁儀,采用新型重疊供電回線“∞”字型測量裝置,該字型裝置主要具有輕便、高效、抗干擾能力強的主要特點,線框底部邊長為5m 可可供電額定電流9a 千瓦左右,點距10m

（二）燕子山礦303 盤區(qū)瞬變電磁探測

燕子山礦現(xiàn)對303 盤山礦區(qū)14-3#上部煤層小窯進行采空開采,在工作人員對大港煤層進行開發(fā)的過程中，因其在采空的過程中，煤層上面部分的通道中大量積水，出現(xiàn)了大量的淋頭水，并且范圍不小。同時由于303 盤山礦區(qū)內(nèi)煤層，有大多數(shù)的小窯,這些小瑤在開采的過程中導致其上部的美誠出現(xiàn)了采空的情況，所以非常緊迫的需要對此部分的采空積水進行處理，故而必須對煤層地面地質(zhì)物探資料探測,盡快為14-3#上部煤層安全順利開采出并提交可靠的煤層地質(zhì)物探資料。

對303 盤區(qū)探測務必要以瞬變電磁法為主要指導思路，而把激電測深作為其次要思路進行探測。由此一來，經(jīng)過研究人員大量的探測觀察以及數(shù)據(jù)分析來看，發(fā)現(xiàn)了在區(qū)域內(nèi)存在兩處積水的情況，而在此地區(qū)的上半部分發(fā)生采空積水部分的小窯內(nèi)的基本情況也被有效探測出來了，也就是大約有十一萬九千五百五十米的范圍，出現(xiàn)了采空積水的情況，而具有六萬六千一百七十二毫升的水量，并且經(jīng)過專業(yè)人員的放水措施以后，發(fā)現(xiàn)探測到的數(shù)據(jù)與實際的區(qū)域的數(shù)據(jù)相符合。

（三）西北煤礦

西北某大型煤礦,于2005年5月關閉,老窯積水采空區(qū)具體水源分布地理位置及老窯積水覆蓋范圍情況不詳。由于長期受煤礦局部地下隔水區(qū)土層較薄和地下老窯采空局部積水的嚴重影響,采掘礦井工程和地下礦井安全設施受到嚴重威脅。為有效防止事故的發(fā)生,利用電磁瞬變水流電磁學方法對礦山煤礦煤層井田管理范圍內(nèi)2 號大型煤層井下積水區(qū)和采空區(qū)的水流分布變化情況實時進行電磁探查,為井下水害防治和洪水災害工程設計實施提供技術參考。

白堊火山的地層主要結(jié)構(gòu)是砂質(zhì)泥巖,夾雜一些粘土。侏羅系煤層是一個含鐵的煤層,電阻分辨率大約為700.m～1100Ω.m.三疊系以變質(zhì)砂巖結(jié)構(gòu)為主,電性結(jié)構(gòu)特征為高密度電阻低頻率。

此次在進行勘探活動中，使用的探測儀器是國外公司生產(chǎn)的多功能自動型電輻射探測儀，它具有很強的便捷性，并且在一定程度下防止干擾情況，并且感應的范圍與一般的探測儀相比更大，精確度更高，探測的清晰度也更高。工作回路裝置設計采用一個中心激發(fā)回路總線工作裝置,發(fā)射器的線框尺寸為300mx300m,激發(fā)持續(xù)頻率25hz,激發(fā)持續(xù)電流14 安培,疊加激發(fā)次數(shù)500 次。布置電磁瞬變天線電磁微波測量天線16 條,測點在線測點編號范圍為0～15,點、線距為20mx10m。

圖四、圖五是煤層分析圖。垂向傾斜上視線路電阻比比率的等值趨勢總體為低阻一中高阻二的趨勢,橫向傾斜上視線路電阻比比率值的等值為該線路的走向與實際含鐵和煤物質(zhì)地層基本一致,反映了實際含煤地質(zhì)層位的整體電性變化分布。若煤系不受地層富水組成區(qū)域或地層含高阻導水組成構(gòu)造條件影響,煤系統(tǒng)在地層的含導電性質(zhì)和變化也具有一定的電規(guī)律,反映在地層斷面圖上是因為視地層電阻和頻率而其值相對穩(wěn)定,地層磁性電阻的比率大于等值且測線方向波動明顯,表示該處地區(qū)為煤層積水區(qū)和采空區(qū)。測量軸線各點與測線節(jié)點之間視測線電阻和功率向等值方向變化穩(wěn)定,等值與測線之間無明顯角度波動,表示所在測量軸線上各處無明顯積水區(qū)或采空區(qū)。

圖四

圖五

三、總結(jié)

綜上所述,就目前來看，瞬變電磁法探測采空積水區(qū)可以在很大程度上加強了煤礦事中過程中的安全保障，有著廣闊的應用前景，我國相關研究人員能夠在進行探測的時候使用磁方法，可以在很大程度上對工作起著極其重要的促進作用。