矿井综合物探方法在采空区富水性探测中的应用

房旭辰

（陕西南梁矿业有限公司，陕西 府谷 719400）

0 引 言

我国大部分矿区随着上部煤层可采储量的减少，正在向下部煤层开采。上部煤层开采后留置的大量采空区积水对下部煤层开采带来威胁。煤矿采空区积水探测常采用井下和地面物探方法，井下探测方法不受煤层上覆巨厚地层影响，更接近目标地质体，有利于取得较可靠性的探测结果，成为煤矿防治水技术发展的主要探测方法。近年来，众多学者专家对矿井水害探测方面做了大量的研究并取得了显著成果。徐建兵等通过对瞬变电磁二次场响应物理场特征进行了研究，利用精细化解释技术得到高分辨的视电阻率成果图[4]；于景邨、马莲净等总结现有探测方法对综合物探技术在煤矿防治水工作中的实际应用情况进行深入性研究[5-6]；曾方禄、代凤强等结合地面瞬变电磁法与井下音频电透视探查了工作面顶板上方富水异常区的分布范围及相对强弱[7-8]；苏彦龙、崔江伟、来曾武等人利用矿井瞬变电磁对采空区积水进行探测[9-11]；王贞海利用音频电磁对采空区积水探测[12]。由于物探具有多解性，单一物探方法存在一定的局限性，因此需要两种或多种物探方法对目标体的探测。

南梁煤矿30205 工作面上覆2-2 煤采空区距3-1 煤顶板平均距离35 m，据目前地质资料分析，上覆采空区存在大量积水，回采期间有采空积水沿采动裂隙涌入工作面的风险，威胁安全回采。因此结合音频电透视和矿井瞬变电磁测深技术探测优势，对上覆煤层采空区及其富水性进行探测，并结合工作面水文地质资料圈定异常区，指导井下探放水工作。

1 工作面地质概况

南梁煤矿30205 工作面走向长2 936 m，倾向长300 m。工作面底板标高+1 114—+1 123 m，地面标高+1 156—+1 258 m。开采3-1 煤层，煤层平均厚度1.97 m。工作面上覆2-2 煤20301、20203、20204、20205 工作面采空区。

此外，针对2-2 煤老窑进行明挖治理，其中30205 工作面上覆2-2 煤老窑明挖治理区有2 处，为20204 治理区和2 号治理区。

上述采空区及明挖治理区距3-1 煤顶板平均距离35 m。工作面在采动过程中形成的导水裂隙带导通采空区积水，给工作面安全回采带来威胁。

2 方法原理

矿井瞬变电磁测深技术利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。音频电透视技术主要探查工作面顶底板内部的电性变化，对采长较大的工作面还具有探测工作面内部富水异常体的优势。该技术正在向工作面顶、底板三维立体勘探方向发展，可立体勘探工作面顶底板一定范围内的含导水地质构造，显示直观、效果好。

2.1 矿井瞬变电磁测深原理

矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法一样，采用仪器和测量数据的各种装置形式和时间窗口也基本相同。受矿井勘探环境的限制，测量线圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般勘探深度小于120 m。地面瞬变电磁法为半空间瞬变响应，这种瞬变响应来自于地表以下半空间地层；而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应。如图1 所示。

图1 地下全空间瞬变电磁信号扩散示意图Fig.1 Underground full space transient electromagnetic signal diffusion diagram

由于矿井下测量环境受巷道空间限制，不可能采用地表测量时的大线圈（边长大于50 m） 装置，采用的是边长1.5～2 m 的多匝小线框，观测方式一般采用中心回线（或重叠回线） 观测方式（图2） 或偶极观测方式（图3），以上采集方式可达到与探测目标体的最佳耦合，取得的异常强、形态简单。

2.2 音频电透视原理

采用音频段电磁信号对采煤工作面顶、底板进行透视性探测的方法，叫做矿井音频电透视法（或称矿井音频电穿透法），使用物理参数是视电阻率。根据交直流等值性原理，利用低频交流电磁场的近区，所测交流视电阻率与直流视电阻率具有等值性，在此借用比交流简单的直流视电阻率解释方法进行解释。所以矿井音频电透视法仍然属于矿井直流电法范畴。它以岩石的电性差异为基础，在全空间条件下建场，使用全空间直流电场理论处理和解释。

该方法探测原理是在工作面一个巷道内布置供电电极（A），建立特定电场，等电位面近似球面分布，在另一巷道垂直于巷道走向布置测量电极（M、N）。所测得M、N 两电极之间电位差主要来自工作面内部顶底板，因此所测结果包含了该工作面煤层在内的顶底板的地电信息，通过对地电信息的分析可推断工作面顶底板内部电性异常分布。

在实际工作中，若以异常幅度10%作为异常有效的界限，则音频电透视法的有效勘探深度似“马鞍形”，约为工作面宽度的30%～40%，最大可达50%，如图4 所示。

图4 矿井音频电透视法工作面顶板有效探测深度示意图Fig.4 Working face roof effective detection depth diagram of mine audio electrical perspective method

目前常用的为平行单极—偶极法，主要工作装置如图5、图6 所示，工作布置如图7 所示。

图5 平行单极-偶极装置Fig.5 Parallel unipolar-dipole device

图6 平行偶极-偶极装置Fig.6 Parallel dipole-dipole device

图7 工作面矿井音频电透视工作布置示意图Fig.7 Working layout diagram of ming audio electrical perspective in working face

3 探测成果

3.1 工作布置

矿井瞬变电磁测深在30205 工作面两顺槽施工，起始点为0 号点，采用钢尺测量，间隔10 m，在30205 两条顺槽各布置292 个测点，依次编号0～291 号，每个测点探测4 个方向。探测示意图如图8 所示。

图8 矿井瞬变电磁测深工作布置示意图Fig.8 Working layout diagram of depth detection by mine transient electromagnetic

矿井音频电透视每50 m 一个发射点，每10 m一个接收点，针对每个发射点，在另一巷道与之对称点附近一定区段进行扇形扫描接收，然后交换发射点与接收点位置。每个发射点对应18～32 个接收点

3.2 矿井瞬变电磁测深探测平面异常特征分析

根据30205 工作面水文地质资料，针对工作面顶板上2-2 煤采空区富水性分布情况提取了顶板上35 m 附近的视电阻率低阻异常趋势平面图，如图9所示，图中坐标原点为辅运顺槽与切眼交汇处，横坐标表示工作面走向长度，纵坐标表示工作面倾向长度，坐标负值表示向工作面外帮探测。该图是根据两条顺槽不同角度瞬变电磁法探测纵向高度节点数据网格得出，可以宏观判断异常区分布范围及相对强弱。在该层段共圈定5 处视电阻率低阻异常区（S1～S5）。

S1 号异常区横向位于0～250 m 区段，纵向位于-20～320 m 区段。该异常区分布范围整体相对较小，异常幅值相对较弱，异常区主要分布在工作面两顺槽附近，30205 辅运顺槽一侧较运输顺槽一侧异常区异常幅值强。S2 号异常区横向位于350～1 050 m 区段，纵向位于-20～320 m 区段。该异常区分布范围整体相对较大，异常幅值相对较强。异常区横向分布中心主要集中在30205 运输顺槽一侧，且在运输顺槽一侧异常区未闭合，有向30207 工作面延伸趋势。

S3 号异常区横向位于1 300～1 800 m 区段，纵向位于-20～320 m 区段。该异常区分布范围整体相对较大，异常幅值相对较强。

S4 号异常区横向位于1 800～2 500 m 区段，纵向位于-20～320 m 区段。该异常区分布范围整体相对较大，异常幅值相对较强。

S5 号异常区横向位于2 700～2 850 m 区段，纵向位于200～320 m 区段。该异常区分布范围整体相对较小，异常幅值相对较弱。

图9 30205 工作面矿井瞬变电磁测深探测2-2 煤附近异常分布平面图Fig.9 Anomaly distribution plane near No.2-2 coal seam detected by mine transient electromagnetic depth detection in No.30205 face

3.3 音频电透视探测异常特征平面分析

同样根据30205 工作面水文地质资料，本次音频电透视探测提取了顶板上35 m 层段低阻异常分布来分析2-2 煤采空区富水性分布情况，如图10所示。在该层段共圈定5 处异常区（Y1～Y5）。

图10 30205 工作面矿井音频电透视探测2-2 煤附近异常分布平面图Fig.10 Anomaly distribution plane near No.2-2 coal seam detected by mine audio electrical perspective in No.30205 face

Y1 号异常区主要分布在工作面切眼至巷口方向0～200 m 区段，异常区分布范围较小，异常幅值相对较弱。

Y2 号异常区主要分布在200～900 m 区段，异常区分布范围较大，异常幅值相对较强，且靠近工作面运输顺槽一侧异常幅值较强，视电阻率异常等值线未闭合，有向外延伸趋势。

Y3 号异常区主要分布在1 450～1 800 m 区段，异常分布范围较小，异常幅值较弱，主要分布在工作面运输顺槽一侧。

Y4 号异常区主要分布在1 850～2 150 m 区段，异常分布范围较小，异常幅值相对中等，异常区主要分布在工作面辅运顺槽一侧。

Y5 号异常区主要分布在2 550～2 900 m 区段，异常区分布范围相对中等，异常幅值相对较强。

3.4 探放水工作

依据物探探测成果，对异常区域进行探放水工作，采取整体均匀布孔，局部异常区加密的原则，共施工钻孔共计50 个，见表1。已施工钻孔累计出水量统计如图11 所示。

从已施工钻孔累计出水量统计图和钻孔涌水量统计分析知，S1 和Y1 号异常区范围内共布置6 个钻孔，累计疏放水量312 m3/h；S2 和Y2 号异常区范围内共布置18 个钻孔，累计疏放水量21 110.9 m3/h；S3 号、Y3 号和S4 号、Y4 号异常区范围内共布置11 个钻孔，累计疏放水量11 892.88 m3/h；S5 号和Y5 号异常区范围内共布置4 个钻孔，累计疏放水量442.4 m3/h；非异常区范围内共布置11 个钻孔，累计疏放水量8 916.82 m3/h。

从已施工钻孔累计出水量统计柱状图分析知，大部分钻孔出水都在物探圈定异常区范围内，非异常区出水主要为物探向外帮探测范围受限影响所致。从钻探验证效果分析，顶板物探成果与钻探验证较吻合。

图11 30205 工作面顶板疏放水钻孔累计出水量统计Fig.11 Statistics of cumulative water outflow of roof discharge drilling hole in No.30205 face

表1 30205 工作面钻孔涌水量统计Table 1 Statistics of drilling hole water inflow in No.30205 face

从已施工钻孔累计出水量统计图和钻孔涌水量统计分析知，S1 和Y1 号异常区范围内共布置6 个钻孔，累计疏放水量312 m3/h；S2 和Y2 号异常区范围内共布置18 个钻孔，累计疏放水量21 110.9 m3/h；S3 号、Y3 号和S4 号、Y4 号异常区范围内共布置11 个钻孔，累计疏放水量11 892.88 m3/h；S5 号和Y5 号异常区范围内共布置4 个钻孔，累计疏放水量442.4 m3/h；非异常区范围内共布置11 个钻孔，累计疏放水量8 916.82 m3/h。

从已施工钻孔累计出水量统计柱状图分析知，大部分钻孔出水都在物探圈定异常区范围内，非异常区出水主要为物探向外帮探测范围受限影响所致。从钻探验证效果分析，顶板物探成果与钻探验证较吻合。

4 结 语

本文结合音频电透视与矿井瞬变电磁测深两种物探方法，对南梁煤矿30205 工作面上覆2-2 煤采空区进行进行探测，克服单一物探方法的局限性，查明了影响工作面安全回采的采空区富水，并根据圈定的异常区进行井下探放水工作，验证了物探成果的准确性，为类似工作面防治水工作的设计、实施提供参考。