瞬变电磁法在恒昇煤业9304工作面防治水工作中的应用

瞬变电磁法在恒昇煤业9304工作面防治水工作中的应用

刘銮奎

安徽省皖北煤电集团临汾天煜恒昇煤业有限责任公司  山西省临汾市  041000

摘要：随着我国煤炭资源的不断开发，煤矿水害问题日益严重，如何有效防治水害成为煤矿安全生产的关键。本文针对恒昇煤业9304工作面在防治水工作中所面临的难题，探讨了瞬变电磁法在该工作面的应用效果。通过对瞬变电磁法的原理介绍，以及在工作面实际应用中的数据分析和效果评价，证明了瞬变电磁法在煤矿防治水工作中的重要作用。

关键词：瞬变电磁法；恒昇煤业9304工作面；防治水工作应用

1. 工程概况

9304工作面位于三采区中北部。该工作面北部为三采区未开采区域；南部为三采区未开采区域；西部为三采区运输巷；东部矿界外为国有空白区。工作面长1165～1224m，宽240m，煤层底板赋存标高1074.6～1198.3m，煤层一般倾角2～16°，平均倾角8°，可采煤层厚度4.6～5.3 m，平均可采煤层厚度5.0m（净煤层厚度4.7m），可采面积285830m2 左右，地质储量约194.8万t，可采储量约166.7万t。

工作面地表多为沟陵地带（木炭沟、高家坡），山间小路，天然林，工作面西部对应有ZK02地质钻孔（封孔合格），蒲县交通局高家坡煤矿主立井，落底2号煤（已封闭），该面回采将导致山体出现裂缝和地面沉降。

为了保证工作面在回采过程中不受水害威胁，根据《煤矿防治水细则》，恒昇煤业组织地测科对9304工作面存在的水害进行防治。

2. 瞬变电磁法在恒昇煤业9304工作面防治水工作中的应用

2.1探查方法选择依据

从电性上分析不同地层的电性分布规律为：煤层电阻率值相对较高，砂岩次之，粘土岩类最低。由于煤系地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，其导电性特征在纵向上固定的变化规律，而在横向上相对比较均一。当存在构造破碎带时，如果构造不含水，则其导电性较差，局部电阻率值增高；如果构造含水，由于其导电性好，相当于存在局部低电阻率值地质体。

2.2瞬变电磁法基本原理

瞬变电磁法或称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是：于地面或井下设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

在导电率为σ、导磁率为的均匀各向同性大地表面铺设面积为S的矩形发射回线，在回线中供以阶跃脉冲电流，

                              （1）

在电流断开之前，发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场（如图1所示）。在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会即刻消失。由于介质的热损耗，直到将磁场能量消耗完毕为止（见图2）。

图1 瞬变电磁法工作原理示意图  图2 瞬变电磁法感应电磁场转换原理示意图

2.3矿井瞬变电磁法

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相同。由于矿井瞬变电磁法勘探环境的限制，测量线圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般深度在120m左右。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，这种瞬变响应是来自于回线平面上下（或两侧）地层，这对确定异常体的位置带来困难。实际资料解释中，必须结合具体地质和水文地质情况综合分析。但是，矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法相比具有以下几个方面的特点：

（1）由于井下测量环境不同与地表，不可能采用地表测量时的大线圈（边长大于50m）装置，只能采用边长小于3m的多匝小线框，因此数据采集工作量小，测量设备轻便，工作效率高，成本低；

（2）由于采用小线圈测量，点距更密（一般为2～20m），降低体积效应的影响，提高勘探分辨率，特别是横向分辨率；

（3）井下测量装置距离异常体更近，大大提高测量信号的信噪比，实际测量结果说明，井下测量信号的强度比地面同样有效面积的相同装置测量的信号强10～100倍。井下的干扰信号相对有用信号近似等于零（大于30ms时间段），而地面测量信号在衰减到一定时间段（一般小于15ms）就被干扰信号覆盖，无法识别有用异常信号；

（4）地面瞬变电磁法勘探一般只能将线圈平置于地面测量，而井下瞬变电磁法可以将线圈置于巷道底板测量，探查巷道底板下一定深度内含水异常体垂向和横向发育规律，也可以将线圈直立于巷道内，当线圈面垂直巷道掘进前方，可进行超前探查；当线圈面平行于巷道侧面煤层，可探查工作面内和顶、底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律；

（5）由于瞬变电磁法关断时间的影响，与其它物探方法相比，无法探查到更浅部的异常体（浅部20m左右）。

2.4结论及建议

根据9304工作面探测结果，综合矿井地质和水文地质资料分析，本次物探共发现机巷内三处异常区，推测为富水裂隙发育区域；异常分布见表1。

表1 瞬变电磁法探测异常区分布表

（1）本次探测成果显示探测区域内发现三处B级及异常区域，建议进行钻探验证；依据验证钻孔的出水量，及时反馈，以便决定是否需要继续布置钻孔对其他异常区域进行验证，同时完善9304工作面的排水系统，确保施工安全。

（2）建议矿方可将瞬变电磁法探测成果与地质资料、钻探资料相结合，根据现场具体水文地质情况综合分析，进一步增加物探成果资料的准确性。

（3）建议在工作面回采过程中，严格按《煤矿安全规程》和《煤矿防治水细则》组织施工，以保证煤矿的安全生产；施工过程中如出现涌水量突变的情况，应及时撤离人员，并向调度汇报。

结 语：

瞬变电磁法在恒昇煤业9304工作面的防治水工作中发挥了重要作用。通过该方法的运用，可以有效地探测地下水文条件、圈定防水区域、监测防水工程效果、指导井下排水作业和优化防治水方案。这为煤矿的安全生产提供了有力保障，提高了防治水工作的科学性和有效性。在今后的煤矿防治水工作中，瞬变电磁法有望得到更广泛的应用。

参考文献：

[1]王疆涛，舒明辉，李秉强，等.瞬变电磁法在彬州市某煤矿采空区勘查中的应用[J].陕西地质，2020，38（1）：91-98.

[2]祁宁，沈楷宇，李星.瞬变电磁法与沉降监测探查煤矿沉降盆地的应用[J].陕西煤炭，2022（3）：65-68.