大定源回线装置在矿井水文地质勘查中的应用

徐剑锋

摘 要：该煤矿的地质灾害主要有瓦斯、水害、火灾等，其中水害是在影响煤矿生产安全中最为严重，煤矿在掘进或工作面回采过程中，岩层的天然平衡被破坏，周围水体通过断层、陷落柱、隔水层和岩层薄弱处进入采掘工作面而形成的突水事故。该文介绍了瞬变电磁大定源回线装置勘查方法对鑫和煤矿水文地质勘查的主要成果，圈定了矿区不同位置采空区可能积水的低阻区域，为以后矿山安全生产提供了一定的科学依据。

关键词：大定源回线装置 水文地质勘查 应用

中图分类号：P631 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（a）-0062-02

鑫和煤矿位于河南省陕县王家后乡（原柴洼乡）龙潭村境内，地表属低山丘陵区地形，区内地势沟谷较发育，整体地形自北向南呈高-低-高-低-高的“W”趋势。为查明该矿范围内小煤矿采空区的分布特征及赋水性，评价断层的赋水性及影响范围，在该矿使用瞬变电磁大定源回线装置进行有针对性的勘测，取得了显著效果，为鑫和煤矿水文地质条件提供了依据。

1 瞬变电磁大定源回线装置的工作原理及前提条件

瞬变电磁法是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，来解决有关地质问题的时间域电磁法。瞬变电磁法有以下特点：（1）把频率域的精度问题转化为灵敏度问题，加大功率和提高灵敏度就可以增大信噪比，加大勘探深度；（2）在高阻围岩区地形起伏不会产生假异常，在低阻围岩区，由于多道观测，早期道的地形影响也较易分辨；（3）可以采用同点组合进行观测，由于与勘探目标的耦合紧密，取得的異常响应强，形态简单，分层能力强；（4）对线圈位置、方位或收发距要求相对不高，测地工作简单、工效高；（5）有穿透低阻的能力，探测深度大；（6）剖面测量和测深工作同时完成，提供了较多的有用信息，减少了多解性。

有限导电地质体瞬变电磁响应可以用一个具有电阻和电感的回线上的响应相等效，回线中的感应电压v2（t）正比于二次磁场的时间导数：

v2（t）∝

式中：τ为衰减的时间常数。

大定源回线装置是瞬变电磁测深的一种装置形式，基于瞬变电磁法工作原理，该装置发射线框边长为数百米甚至千米的矩形回线，采用小型线圈（或探头）在回线内部逐点测量，适用于煤田深部水文勘查。

2 勘查区的地电情况及地质环境预想分析

勘查区位于区内第四系覆盖层粘土、亚粘土地层电阻率一般为5～16 Ω·m；煤系地层电阻率一般为10～100 Ω·m；寒武系、奥陶系、石炭系灰岩电阻率一般为100～1 000 Ω·m。

如果地下存在空洞洞穴，其电阻率要视其是否充填而定：若为无充填的岩溶空洞，其电阻率理论上可视为无穷大，若其为后期第四系泥水充填物充填，则其电阻率相对于围岩为低阻，其与外围地层存在较大的电阻率差异。一方面塌落带由于后期充填等因素使得其相对于围岩电阻率较低，与原岩存在着明显的电阻率差异，采空区及塌落段由于存在空隙其视电阻率较四周围岩偏高。瞬变电磁法对低阻体反映良好，故采用先进的瞬变电磁技术方法找出工作区内地下隐伏采空区、积水区及其影响范围和其空间位置是行之有效的。

3 探测布置方法及探测成果

根据该项目探测目的设计参数勘探深度达到300 m。布设南北向剖面32条，单剖面长400～960 m；剖面间距40 m；点距40 m。剖面总长20 480 m，坐标点物理点544个，质量检查点28个，总有效物理点572个。野外工作布置如图1，回线内200～320 m范围内观测，接收线圈在发射线框内距框80～200 m范围内按线逐点移动测量。

由沿二1煤层底板切片视电阻率等值线图可以看出：在测区西北部、北中部及东中部的蓝色低阻区域（视电阻率值在15Ω·m以下）为推测一是煤层上部基本没有砂岩、只有第四系覆盖或煤矿采空积水区的大体范围（黄虚线圈定的区域），其中在矿区范围北中部采空区内可能积水。其测区中部红色圈定的高阻区域推测为：一是坍塌的采空区；二是F2断层以南的无煤基岩区。由图2F1～F4所在的位置可以看出，断层通过的区域视电阻率不低，说明该断层不含水，由于断裂带不含煤没有开采的原因。主、付井及矿部所在的区域除两个水仓外，没有发现大的水体存在。

4 勘查成果结论及建议

4.1 结论

此次的瞬变电磁工作共完成剖面32条。通过对此次工作成果图的综合分析，圈定了矿区不同位置采空区可能积水的低阻区域，为以后矿山安全生产提供了一定的科学依据：（1）圈定了测区内北部煤层之上覆盖层砂岩较薄或新生界直接压煤，不排除采空区可能积水的低阻范围；圈定了测区北中部采空区可能积水的范围。（2）圈定和证实矿区中部的F1断层的存在，该断层走向近南北、倾向西的正断层。证实矿区南缘的F2断层的存在，该断层走向近东西、倾向北的正断层。证实矿区东缘的F3断层的存在，该断层走向北东25°左右、倾向北西的高角度正断层。（3）推测矿区深部灰岩岩溶不甚发育，其断层深部赋水性较差。该测区北中部采空区积水，西北部和北部采空区可能积水。F1断层在矿区中部通过、F2断层在矿区南部边缘、F3断层处在矿区东部边缘，F4断层反映不明显；断层的水文地质条件对区内采矿活动应无大的影响。

4.2 建议

（1）测区北中部小煤矿开采的采空区内发现较为明显的老空水存在，测区西北部、北部采空区也可能有积水，建议将存量水疏干；或地下工程避开该区域施工。为安全起见，首先采用地质工程进行探水验证，若发现存量水将其疏干。（2）断层带上虽未发现明显含水特征，但F2断层的断距较大，地下施工至少要保留30余米的安全距离。（3）在煤矿开采时尽可能不要动底板。施工要采用边探边采、探采结合的方式进行，以确保生产安全。

参考文献

[1] 杨宏智，吕小红，王丽.瞬变电磁法在老煤矿采空区勘察中的应用[C]//中国地球物理学会第二十七届年会论文集.2013：94.

[2] 李建慧.基于矢量有限单元法的大回线源瞬变电磁法三维数值模拟[D].中南大学，2011.

[3] 孙二峰，郭峰伟.瞬变电磁法在煤矿井下探水中的应用[J].技术与市场，2015（9）：126.