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煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 0引言 煤矿深部地质条件恶劣，水文地质条件更加复 杂， 由于缺乏详细的地质资料， 井下深部生产往往会 受到水害威胁， 造成煤矿突水事故， 威胁煤矿生产工 人生命安全， 给煤矿造成不可挽回的损失。旗山煤矿 地处水文地质条件复杂的贾汪区境内，目前正在向 - 1000m水平延伸，在旗山煤矿的开采历史上，曾与 2010 年发生过一起较为严重的突水事故，因此在后 续的生产过程中， 防水、 治水一直是旗山煤矿深部生 产的一项极为重要的工作[1-3]。 本文通过全空间瞬变电磁法可以精确探测采区 内的富水情况，以达到预测预报的目的隐含水体， 使 现场能够安全回采富水区煤炭资源， 为煤矿现场防治 水工作提供借鉴。 1瞬变电磁法的工作原理 瞬变电磁法 （TEM ） 是一种时间域的电磁测深法， 通过敷设不接地的线圈或者接地的电极， 并向其中输 入阶跃的电流， 发射脉冲磁场， 在阶跃电流的间歇期， 由线圈或者接地电极来监测二次涡流场， 通过研究二 次涡流场的时空分布规律来解释工程地质问题。 煤矿 井下瞬变电磁法是全空间相应， 瞬变电磁法工作原理 图如图 1 所示。其发射器产生感应的涡流（图 1 中 T1/T2/T3 所示 ） ，该涡流会以等效涡流环的形式向周 围传播， 地下瞬变电磁法就是依靠不接地的线圈或者 接地的电极来监测二次涡流磁场或者电场的变化， 以 此来探测煤矿地层的地电性质的分布情况。 图 1瞬变电磁法工作原理图 井下瞬变电磁法的视电阻率也是地下空间探测 范围内岩层的综合反应， 其公式如式 1 所示 ρτ μ0 4π t 2πI0a2μ0 / 5t εt ns （）[] 2 3 （1 ） 式中 ρτ为视电阻率， Ω m； μ0为磁率； I0为电流， A； εt为感应电动势， v； a 为回线圈半径， m； t 为采样时 间， s； n 为接受线圈的匝数； s 为接受线圈的面积， m2。 根据其发射线圈的放置位置不同， 其测量的方位 瞬变电磁法在煤矿富水区探测中的应用研究 张 恒 灿 （山西柳林碾焉煤矿有限责任公司 ， 山西 吕梁 033300 ） 摘要 旗山煤矿地处水文条件复杂的贾汪区境内， 南距京杭大运河仅 2km， 2010 年曾发生过一起较 为严重的突水事故， 为保证旗山煤矿后续煤层的安全开采， 解放更多的受水威胁的煤炭资源， 在采区 巷道开拓前， 利用矿井瞬变电磁立体探测技术， 查明含水层位置及对巷道安全的威胁程度， 为煤矿现 场防治水工作提供借鉴。 关键词 断层群 ； 富水区探测 ； 瞬变电磁法 ； 安全生产 中图分类号 TD166文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0086- 04 Application of Transient Electromagnetic in Detection of Water-rich Areas in Coal Mines ZHANGHengcan （Shanxi Liulin Roanyan Coal Mine Co., Ltd. ， Lvliang 033300 , China ） Abstract Qishan Coal Mine is located in Jiawang District with complicated hydrological conditions. It is only 2 km south from the Grand Canal of Beijing and Hangzhou. A serious water inrush accident occurred in 2010. In order to ensure the safe mining of the following coal seams in Qishan Coal Mine and liberate more coal resources threatened by water, the mine transient electromagnetic stereoscopic prospecting was used before the roadway development in the mining area. Measuring technology is used to ascertain the position of aquifer and the degree ofthreat tothe safetyofroadway, which can provide a reference for the prevention and control ofwater in coal mine. Key words Fault group ; Detection ofwater- rich areas ; Transient electromagnetic ; Safetyproduction 86 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 特有所不同[4-5]。 当瞬变电磁仪的放射和接收线圈水平 放置时， 则测量井下巷道正上 （下 ） 方的地层电磁率分 布， 需要测量侧上 （下 ） 方的地层电阻率分布， 只需要 将瞬变电磁仪的发射和接收线圈倾斜放置， 发射线圈 布置如图 2 所示。 （a） 水平方向 （b） 竖直方向 （c） 仰角方向 （d） 俯角方向 图 2发射线圈布置方式 2工程地质概况 徐州矿务集团旗山煤矿位于江苏省徐州市， 井田 走向长 7.5km， 倾斜长 4.5km， 面积 34km2， 核定生产 能力 180 万 t，主采煤层为 3 煤，煤层厚度为 1.8～ 2.38m。 煤层开采深度 - 800～- 1000 m， 三采区内断裂 构造发育程度高，且各断裂构造间相互切割关系复 杂， 易形成水力联系， 三采区内共计有断层 28 条， 占 有该矿区已查明的发育断层的半数以上， 为三灰含水 层形成岩溶富水构造提供了前提条件。 在三采区的南 部存在 D24 断层，横贯整个三采区；采区中南部的 F10 断层， 区域内的延伸长度为 2.7km， 该断层在北半 部错断为上下两盘， 两盘的最大重叠距离在 400m 以 上。断层在三采区内延伸长度和落差均较大， 且其含 水特性未知， 需进一步探测。 根据煤层勘探地质资料显示， 三采区水文条件复 杂， 采区直接充水含水层主要有山西组 3 煤顶、 底板 砂岩含水层， 太原组三灰、 十灰含水层。 3 煤顶板砂岩 含水层的单位涌水量 q0.027 L/s m， 岩溶裂隙发育， 3 煤底板砂岩含水层的单位涌水量 0.0087 L/s m， 岩 溶裂隙相当发育；太原组三灰含水层单位涌水量为 0.00446 L/s m，山西组十灰含水层的单位涌水量 0.006126 L/s m。 煤系地层上覆含水层为第四系含水 层和二叠系下石盒子组，二叠系下石盒子组内裂隙 发育程度高且含水量大；煤系地层下伏含水层主要 是本溪组和中奥陶统石灰岩，中奥陶统石灰岩富水 性中等， 单位涌水量为 0.1575～0.1726 L/s m， 为Ⅱ 级富水区。 3瞬变电磁法的探测任务 三采区在开拓前期， 由地质资料较少， 对三灰含 水层水文地质情况控制程度较低， 因此三采区开拓时 三灰含水层对煤矿安全生产有较大威胁。 为保证三采 区开拓时生产安全， 应用井下瞬变电磁法对三采区两 条上山进行探测。以三采区运输上山为例， 对巷道进行立 体探测， 通过设置仰角 30、 仰角 20、 俯角 30、 俯角 20、水平方向和竖直方向 6 个方位，超前 100m对 F10 断层的进行探测， 以求确定富水位置、 导 水通道等一系列情况。 此次三采区上山矿井瞬变电磁法全空间立体探 水采用的仪器为 TEM- 47 型瞬变电磁仪，回线边长 2m2m， 匝数 64， 此次地质解释主要依据不同方向 电阻率断面图。经过数据采集及资料处理工作后， 我 们得出 F10 断层的瞬变电磁法超前立体探测成果如 图 3 所示。 瞬变电磁法超前立体探测成果图中的 （0,0 ） 点位 置为三采区皮带上山的掘进头位置， 纵坐标表示瞬变 电磁法超前立体探测的距离；除竖直方向的探测图 外，其他 5 副图中横坐标表示掘进头两帮的探测距 离， 正值表示右帮， 负值表示左帮； 竖直方向的探测图 中横坐标表示掘进头前方顶底板的探测距离， 正值表 示底板， 负值表示顶板。 （a） 仰角 30 87 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 （b） 俯角 20 （c） 俯角 30 （d） 俯角 30 （e） 水平方向 （e） 竖直方向 图 3瞬变电磁法超前立体探测反演成果图 瞬变电磁法超前立体探测成果图的解释是依据 不同方位的电阻率， 根据岩层的电性不同， 对本次探 测结果进行解释如下 1 ） 从图 3 （a ） 瞬变电磁法超前立体探测成果图的 探测结果可以看出在掘进头前方左侧， 沿煤层倾斜方 向 25～65m， 存在一个明显的低阻异常区， 异常范围 较大， 且异常偏向左帮， 特别是在 30～45m 电阻率相 对最低， 异常特征明显。 2 ） 从图 3 （b ） 瞬变电磁法超前立体探测成果图探 测成果看出异常分布与仰角 30方向切面相类似， 但范围及含水强度均比仰角 30方向切面结果明显 减弱， 仅在偏左帮 30～45m有较明显的低阻异常。 3 ） 由从图 3 （c ） 及图 3 （d ） 瞬变电磁法超前立体探 测成果图的探测成果看出， 切面偏左帮位置有较弱的 低阻异常， 且异常向深部逐渐增强。 4 ） 从图 3 （e ）瞬变电磁法超前立体探测成果图的 探测结果可以看出在掘进头水平前方异常显示较弱， 仅在偏左帮位置存在一较弱低阻区。 5 ） 从图 3 （f ） 瞬变电磁法超前立体探测成果图探 测结果中可以看出三采区掘进头顶板处低阻异常区 非常明显，三采区掘进头顶板上方 20～40m 范围内 的岩层中仍然含水， 底板深部距迎头 30m～50m的也 存在一低阻异常区。 结合探放水资料综合分析仰角 30、仰角 20 和水平方向的成果图， 可知掘进头前方仰角 30方向 的低阻异常现象主要为煤矿地层的三灰含水层引起， 该低阻异常区与 F10 断层附近的破碎带相连通； 根据 井下瞬变电磁法探测的全空间特征可以判断出， 掘进 头前方俯角 20、俯角 30和竖直方向的低阻异常 主要是由顶板三灰岩层含水引起， 且底板岩层含水相 对较弱。根据本次煤矿井下瞬变电磁法探测结果， 结 合概况的水文地质资料综合进行分析可以得出 该矿三采区皮带上山在掘进头前方沿水平方向 0～20m岩层视电阻率相对较高， 为正常岩层反映； 距 迎头 20m～60m 段， 地层仍存在含水性， 其中 30m～ 50m段含水性略强，水量基本保持现在钻孔出水量； 60m之后岩层含水性减弱。 巷道左侧帮含水性明显比 右侧帮强。主要含水层在掘进巷道的顶板上方， 断层 破碎带与含水地层具有连通性。 4瞬变电磁法的现场验证 为了验证以上结论的正确性， 在此巷道掘进位置 进行了钻孔验证。结果在 3 孔 （孔方位 13， 仰角 0， 深度为 120m ） 19.68m 处出水， 水量约为 45m3/h， 在 20.08 m处出水量增大到 51.4m3/h， 在 30.46m处出 水量继续增大到 70m3/h。在 4 孔 （孔方位 13， 仰角 20， 深度为 80m ） 40.58 m处出水， 水量约 1m3/h。这 个结果与物探预测的结果完全相符。 5结语 （下转第 91 页 ） 88 ChaoXing （上接第 88 页 ） 1 ） 煤矿井下瞬变电磁法因其具有的重量轻、 方向 性好、 工作效率高， 成本较低等优点在煤矿生产中具 有广泛的应用前景。 2 ） 本文通过运用煤矿井下瞬变电磁法， 确定了该 矿三采区皮带上山处 F10 断层的富水位置、 导水通道 等情况， 通过结合该矿的水文地质资料对比和现场钻 孔验证， 与现场地质情况符合度高。 3 ） 瞬变电磁法的探测结果制定制定相应的防范措 施， 确保煤矿在掘进期间的生产安全， 同时该种情况也 为其他煤矿相同地质条件下的生产工作提供借鉴。 参考文献 [1] 郭威,王玉和,刘文.基于瞬变电磁法探测结果的煤层底板 突水数值模拟研究[J].矿业安全与环保,2013,40220- 23. 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