煤矿水文地质勘查瞬变电磁法研究

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摘要:瞬变电磁法对一些低阻体反应较强，在煤矿井下水文地质勘察中有广泛应用。采取该方式可测定含水构造、地下溶洞等不规则水体，规避煤矿开采风险。针对煤矿开采中采空区积水及含水层分布，分析了瞬变电磁法在某煤矿水文地质勘查中的实际应用效果，为煤矿开采合理发展奠定坚实基础。

关键词:煤矿;水文地质勘查;瞬变电磁法

矿井突水对煤矿生产影响较大，威胁煤矿生产安全，造成严重的经济损失。因此，掌握煤矿区域水文地质构成，可为煤矿开采保驾护航［1］。瞬变电磁法(TransientElectromagneticMethod)依靠不接地回线，并向下方发射脉冲磁场，发射多股脉冲磁场，通过线框/接地电极对涡流场进行科学观察，可降低测算仪器噪声、控制误差、提高勘查速度。当下，瞬变电磁法在煤矿开采中应用尤为广泛。本研究以某矿井为例，分析瞬变电磁法在煤矿水文地质勘查中的应用，供相关研究参考。

1工程概况

某煤矿位于我国山西地区，矿区有数十年的开采历史，开采场地不断西移，深度不断增加，存在一定的地表裂缝及地表塌陷。矿井水患严重，地质构造复杂，在对该煤矿进一步深入开采过程中，发现第四系底砾层水对矿井造成破坏，水流侵入矿井，用水量大大增加，达到30m3/h，且煤矿区域发生了一定面积的塌陷现象。为确保煤矿开采稳定性及持续性，本研究采用瞬变电磁法对矿区水文地质特征进行深入勘查，地面瞬变电磁勘探区域位于矿区北部，勘探面积为1．8km2。

2矿区地质特征分析

2．1地层特性。井田位于长治盆地北部中低山黄土峁梁区，第四系黄土大面积覆盖，属黄土侵蚀地貌。黄土被沟壑切割成近SN向长条状黄土梁，面平坦，梁坡平缓，井田内地势变化不大，地形总体呈中部高、南北低的趋势，本次地面瞬变电磁勘探区内海拔最高点位于测区东南部1620#线的640点，标高约1063m，最低点位于测区西北部660#线1520#点，标高约941m，相对高差约122m。勘查区域含煤地层为古生界二叠系上下石盒子组、山西组，在该煤层上方部分主要是新生界松散层对其进行覆盖［2］。通过现场地层钻孔勘查，并分析已有的历史地质资料，得到以下结论:在该煤矿中，发现其古生界上部地层从上往下分别为本溪组、太原组(石炭系)以及二叠系山西组、下石盒子组、石千峰组。2．2水文地质特征。2．2．1第四系含水/隔水层。矿区第四系厚度为72．64～52．14m，东部较薄，西部较厚，由东向西逐渐增加。岩性以黏土、粉砂、砂黏土、粗粒砂为主。(1)潜水含水层。厚度为34～49m，最高埋深达到58．50m，最低埋深达到36．24m，土质主要为浅黄、灰黄色粉砂，有少量粗砾，降水补给上以大气自然降水为主，东南位置的奥陶系灰岩含水层也为煤矿提供水分补给。(2)隔水层。最大厚度为25．01m，最小厚度达12．38m，平均19．32m。隔水层由砂质黏土(紫红色、黑褐色)粉砂质黏土组成，有钙质结核、砂礓存在。该地层具有较强的可塑性，测试其黏滞系数达到19．38。隔水层各黏土分布稳定，隔水效果良好。(3)底部含水层。含水层最大厚度为6．15m，最小厚度为3．59m，整体为棕褐色砾石，以泥质接触胶结在一起，导致含水层自身缺乏分选性。但是含水层自身具有一定的稳定性，补给上通过东南部奥陶系灰岩含水层进行补给。2．2．2二叠系含水层。二叠系含水层最大厚度为620m，对含水层进行多次钻孔勘测，最终判断二叠系含水层为主要的含煤地层［3］。矿区主要以山西组B2煤层为开采区域。对风氧化带含水层、主采煤层B2顶底板砂岩裂隙含水层进行研究发现，其对煤矿开采稳定有直接影响，对该矿矿坑充水造成了较大影响。(1)对风氧化带而言，最高厚度为25m，最低厚度也达到20m，风氧化带自身强风化裂隙发育，风氧化带对第四系底部含水层的实际组成有严重影响。(2)山西组B2主采煤层的顶板砂岩、裂隙含水层最大厚度较大，材质上以泥岩、细砂岩为主，但实际上分布具有稳定性，具有强烈富水性，对煤矿开采发生矿坑涌水有重要影响［4］。B2主采煤层内部顶板砂岩、裂隙含水层的实际厚度等参数，容易受到采动裂隙深度的影响，一般厚度达到12m，材质上主要是泥岩、粉砂岩，其自身含水层较弱，且其反应出的富水性并不强。2．2．3石炭系石炭系太原组含水层最大厚度达到150．55m，由灰岩、泥岩、粉砂岩、砂层和具体的煤层共同组成，灰岩较多，高达13层，且灰岩自身厚度达到整体太原组的35．85%，对应的岩溶裂隙进一步发育，发现揭露钻孔部分多出现漏水现象，影响采煤正常进行。太原组含水层表现出强烈的富水性，在石炭系顶部灰岩及主材层间存在一定的距离，距离范围为45～50m。2．2．4奥陶系。奥陶系整体厚度约253m，对应的岩性以灰色中厚层状灰岩及豹皮灰岩浅灰色薄层白云质灰岩为主，层间裂隙充填石膏，厚度为200～300m，含水微弱。2．2．5矿坑充水的影响因素。(1)充水水源。砂岩裂隙水、第四系底部含水层及石炭、奥陶系岩溶裂隙的含水层都对煤层进行充水，采煤层自身含水层也为煤矿形成了一定的充水水源补给。(2)充水路径。该矿开采中，充水以断层破碎带导水，形成的冒落带高度导通风氧化带含水层，含水层导致大量水涌入矿坑中［5］。(3)突水点。矿区中断层具有导水性，断层面及破碎带的承压水极易进入开采工作面中，影响煤矿开采稳定。矿区中不同地层存在不同的倾斜角，大倾斜角最高可达到40°～50°，此外，对矿区东南部奥陶系灰岩露出部位地层的详细研究，认为该部分地层趋于直立。大气自然降水及第四系含水层为奥陶系提供水源供给，奥陶系岩溶孔隙及第四系底部含水层形成了水力联系。

3矿区电性分析

针对煤矿开采区域实际地质情况及地质结构，将该区域分为数个单独电性层段:主要是新生界地层和煤系地层，其中新生界地层视电阻率最低，为数十欧姆，其次是煤系地层，其视电阻率高于新生界地层，又在石炭、奥陶系地层之下，为数十欧姆;石炭、奥陶系地层视电阻率最高，岩性为石灰岩、钙质泥岩，视电阻率为440～700Ω•m。煤矿开采中，采空区上部岩层受重力影响，将发生塌陷，导致煤层上覆岩体失去稳定性，有部分岩移出现，岩层发生破碎，失去完整性及连续性［6］。煤矿采空上部区域电阻率将呈现出高阻特性，且存在视电阻率等值线波动现象。若采空区空隙由泥质填充后，对应的电阻率具有低阻特征，可根据该现象划分不同的采空区。

4数据采集及资料解译

瞬变电磁法技术上以不接地回线/接地电机间的方波电流，向规定部位地下部分循环发射电磁场，同时，以线圈检测地下地质特征并记录，形成二次涡旋电磁场后，可进一步分析该区域电磁场的时空特点，便于分析地质构造，划分不同的开采区域［7］。本研究选用PROTEM67D瞬变电磁勘探系统，600m×600m单匝矩形回线为发射框，线圈实际接收面积达到200m2，运行需保证2．5Hz频率、18A电流及增益23dB。工程测试设置30条测试线，物理点在788个以上，控制两线间隔40m，两点间距20m，有效控制面积为0．61km2。本研究采用TEMIXXLv4．0软件处理数据。矿区80#线视电阻率断面如图1所示，图中虚线为预测的地层实际分界线，粗实线是开采完成的B2煤层。320～480m处黑色椭圆虚线中的低阻异常区为地质勘探之后的积水采空区域，对应的视电阻率在25Ω•m以下，且具有低阻性。通过该断面图对F4、F4－1断层进行详细分析，发现其低阻反映明显，由此可见，两条断层中破碎明显，具有一定的导水性。图180#线视电阻率断面(单位:Ω•m)矿区52#线视电阻率断面如图2所示。分析该图可知:该线煤层并未经过开采，虚线位置为预测地层分界线，其电性分层明显，在480#点附近，发现视电阻率表现为低阻反映，粗实线区域发现第四系水深入到煤矿开采层中，导致低阻异常。

5结语

对某矿通过进行电法勘探，发现了3个积水采空区，积水采空区最大面积达到0．014km2。在未开发的煤层区域，发现有两个富水区，面积达到0．015km2。该矿开采区域组成结构复杂，地层存在较大的图252#线视电阻率断面(单位:Ω•m)倾斜角度，推测解译出的断层有2条，分别为F4、F4－1，为正断层，且破损严重，NNE走向，两断层位于富水区附近，易形成上覆地层及导水通道。

参考文献

［1］杜贤军．瞬变电磁法在煤矿断层导水性勘查中的应用［J］．山东国土资源，2017，33(4):59-62．

［2］关勇．瞬变电磁法在煤矿水文地质灾害调查中的应用［J］．机械管理开发，2017，32(10):126-128．

［3］刘洋．综合物探技术在煤炭矿井水文地质中的应用研究［J］．山东工业技术，2017(9):72-73．

［4］宗伟琴．两种物探技术在金凤煤矿北部采区水文地质勘探中的应用［J］．神华科技，2018，16(4):14-20．

［5］徐剑锋．大定源回线装置在矿井水文地质勘查中的应用［J］．科技资讯，2017，15(7):62-63．

［6］王佳岑．瞬变电磁法在矿井下的应用和疑难问题探讨［J］．低碳世界，2017(16):272-273．

［7］朱晶浅谈瞬变电磁法超前探测在同家梁矿的应用［J］．矿业装备，2018(4):66-67．

作者:王桀 单位:山西潞安环能上庄煤业有限公司