矿井勘探中瞬变电磁法的应用

摘要：在煤矿的生产和建设中，水害是影响矿井安全生产和建设的重大灾害之一。由于水害造成矿井生产停产，甚至淹没矿井的事故时有发生。如果在采前对采区的地质异常体探测清楚，就可以进行治理钻孔的施工，避免因盲目钻探而造成的损失。瞬变电磁法可以有效的减少灾害的发生。

关键词：矿井；瞬变电磁法；陷落柱

中图分类号：TD853.1文献标识码：A

前言

随着国民经济的高速发展，对能源的需求日益增大，煤炭是我国的主要能源之一，综合机械化采煤技术给煤炭工业带来了高产量、高效率、高效益，但采前对采区的地质异常体探测不清，常使综采工作面停产、搬迁屡屡发生，一次搬迁耗资数百万元，每年因水害和工作面搬迁造成的经济损失是巨大的。

1 陷落柱

1.1 概念

陷落柱是煤田中的一种重要地质现象，在矿区普遍分布，是由于煤系地层下伏的奥陶系灰岩顶部岩溶发育，常形成巨大的溶洞，使上覆地层失去支撑，从而在重力作用下不断向下垮落而形成的。

1.2 陷落柱的空间基本形态

1.2.1 陷落柱的平面形状。陷落柱的平面形状有三种：似圆形、椭圆形、长条形。

1.2.2 陷落柱的剖面形状。陷落柱的剖面形状多呈上小下大截锥形，在松散岩层或充积层中，则表现为上大下小的漏斗状，一般分为四种：漏斗状、直筒状、锥状、串珠状。

1.2.3 陷落柱的高度。陷落柱的高度与岩溶的体积、地下水的排泄条件、岩层的物理力学性质及裂隙发育程度有关，岩溶的体积大、地下水排泄条件好、岩层内的裂隙发育则陷落柱的冒落高度就大；反之则小。有的陷落柱冒落到地表，其高度达数百米，也有的只冒落到某一岩层，高度只有数十米。

1.3 陷落柱的类型

根据陷落柱内部岩块压实胶结程度和水文地质条件，可把陷落柱分为两种类型：导水型、不导水型(干陷落柱)。导水型陷落柱又可分为：全充水型和边缘充水型。

陷落柱在形成过程中，是由下而上逐渐冒落的，内部空间多为较周围岩层时代较新的岩块或第四纪的沉积物充填，在层序上有时有一定的顺序，但内部都是一些杂乱无章的碎岩块。

1.3.1 全充水型。对于较新的陷落柱，柱内充填物未被压实，二次胶结程度低，水力联系好，沟通了多个含水层，奥灰水可直导陷落柱上部。这种类型的陷落柱对矿井危害最大，采掘工程一旦揭露就发生突水，突水量大而稳定，如开滦范各庄矿2171工作面揭露的9#陷落柱，最大突水量为2053m3/min，其水量之大为世界之最。

1.3.2 边缘充水型。陷落柱内部充填物压实紧密，风化程度强，二次胶结程度较好，柱内水力联系不好，只是边缘发育次生裂隙充水。采掘工程揭露时一般以滴淋水为主，涌水量不大。如范各庄矿1#陷落柱为边缘充水型。

1.3.3 不导水型(干陷落柱)。对于较古老的陷落柱，内部充填物压实紧密，风化程度极强，二次胶结程度高，有时比周围岩层还坚硬，水力联系差，采掘工程揭露时几乎无水，巷道甚至可穿过柱体。如山西阳泉煤矿发现的大部分陷落柱都属此类。

2 勘探陷落柱富水性的作用

由于陷落柱不同程度地贯穿了奥灰以上的地层，当其贯穿煤系地层时，陷落柱可能成为奥灰水进入矿井的通道。通过对陷落柱的富水性进行勘探，可以为陷落柱的治理提供重要依据，矿井可以有目的地进行治理钻孔的施工，减少因盲目钻探造成的损失，为煤矿创造较大的经济效益。

矿区多数矿井的采区，已进入奥灰含水层承压水头以下的区域开采，而国内同类煤矿奥灰水含水层之水涌人矿坑造成重大损失的事件层出不穷，因此探测陷落柱富水性在矿区煤矿水害防治工作中尤为重要和迫切。

3 瞬变电磁法

瞬变电磁法(Timedomainelectromagneticmeth-ods)，简称TEM，是水文地质勘查中有效的地球物理勘探方法之一，对低阻体反应灵敏，在矿井水文地质中使用价值很大。矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应，这种瞬变响应是来自于回线平面上下(或两侧)地层，所测信号为线框周围全空间岩石电性的综合反映，见图1。

图1 全空间瞬变响应图解

使用中国地质大学(武汉)高科资源探测仪器研究所研制的CUGTEM-4型瞬变电磁仪对某矿W1303工作面的XW7、XW6陷落柱进行了勘探。

3.1 探测方法

采用1.5m×1.5m的多匝正方形回线装置进行测量，发射线圈为4匝，接收线圈为32匝；装置类型采用重叠回线，发射回线边长为3m；叠加次数为15次；采样率为16μs供电电流为50A；探头等效面积为72m2。分别采用顺煤层和向煤层顶、底板方向进行探查。探测方向，见图2。线框摆放方向分别与煤层顶底板成900角(图2(a)和600角(见图2(b)、图2(c))

3.2 测点布置

以XW6陷落柱的勘探为例，由距+450m水平南辅助运输大巷约1109m处开始布设测点，每5m一个，工布设测点49个，每个测点分别进行了顺层、顶板何底板方向的探测，实测147个物理点。

3.3 测道图

多测道图用于定性解释测区的低阻异常，以XW6陷落柱的顺层勘探为例，见图3。22#、23#点的中点（距+45m水平南冀辅助运输大巷约828～830.5m）对应的侧帮地层存在相对富水区；10#、11#点（距+45m水平南冀辅助运输大巷约768～773m）对应的侧帮地层存在相对富水区。

3.4 使用公式

视电阻率计算使用晚期视电阻率公式：

式中：t为观测时间，A为发射回线面积，q为探头等效，V(t)/I为归一化感应电压，?滋O=4?仔×10-7。

3.5 时间-深度转换

瞬变电磁场的探测深度主要由测量时间和地下介质的电阻率来确定。从发射开始到激发最大的涡流所经历的延迟时间t与涡流场最大值所在深度h的关系，根据Kunetz推导的结果：

对上式作如下计算，可得到平面瞬变电磁波的传播速度公式：

利用平面瞬变电磁波速度公式，再根据水平层状地质模型就可以求出时间对应的深度。

图3 多测道剖面

3.6 阻率等值线图

视电阻率等值线图可以直观看出陷落柱的平面形状及低阻异常带，以XW7陷落柱的顺层勘探为例。

XW7陷落柱顺层方向的瞬变电磁法视电阻率等值线断面图，见图4。图中利用35个测点探测的数据，将每个测点探测的数据按坐标绘在平面图上，横坐标为沿巷道距离(m)，纵坐标为相对于巷道侧帮的距离(m)。

图4 XW7陷落柱顺层方向视电阻翠等值线

从图4上可知，横坐标在57.5～100m处，纵坐标在50～80m处存在一个视电阻率值相对较高的异常带，用虚线圈出，该范围内地层可能发育陷落柱，在横坐标85m处巷道内悬挂一铁梯，在图4上显示为低阻，用实线椭圆圈出，视电阻率值为8.7Ω·m，在15～55m范围，该陷落柱左侧各测点所测最深深度均出现一层低阻，为8.5～17.7Ω·m，为弱富水，在30m处，是视电阻率最低处。在100～150m范围，该陷落柱右侧各测点所测最深深度均出现一层低阻，为10.0～16.2Ω·m，为弱富水，在130m为最低处。在155～170m范围，巷道内为高胶带架，受其影响，视电阻率值较小为9.4～11.1Ω·m。

推断该陷落柱为边缘充水型陷落柱。

3.7 勘探结果

通过对陷落柱的富水性进行勘探，可以为陷落柱的治理提供重要依据，矿上可以在指定位置进行治理钻孔的施工，避免因盲目钻探而造成损失。以XW6陷落柱的顺层勘探为例，勘探成果，见图5。

上图中白色长方形区域为相对富水区有三个区。第一个顺层方向的相对富水区在22#和23#点的中点(距+450m水平南冀辅助运输大巷828～830.5m)，深度距左帮距离约66～80m。第二个顺层方向的相对富水区在lO#和11#点(距+450m水平南冀辅助运输大巷约768～773m)，深度在距左帮距离约70～100m。第三个顺层方向的相对富水区在13#点(距+450m水平南冀辅助运输大巷约780.5～785.5m)，深度在距左帮距离约70～100m。

参考文献

[1]程志平．电法勘探教程[M]．北京：冶金工业出版社，2007．