物探方法在煤矿防治水中的应用研究

物探方法在煤矿防治水中的应用研究

陈长青石延京

潞安新疆煤化工（集团）有限公司二矿，839003

摘要：水害对煤矿安全生产会产生极大影响，煤矿防治水的关键在于准确找到矿井水异常区。物探技术是煤矿地质探测的主要手段之一，文章结合多年工作实践，在阐述物探方法的基础上，分析物探方法在煤矿防治水中的具体应用，以某煤矿勘测为例详细剖析物探方法的应用方法，以此提升煤矿地测工作水平，助力于煤矿企业高质量发展。

关键词：煤矿；防治水；物探方法

我国95%的煤矿是地下开采，随着煤矿开采力度的不断增加，水害成为影响煤矿安全开采的主要因素之一。尤其是近些年，底板石水或顶板涌水事故频繁。物探方法是水文勘探的最有效手段，但是物探各方法受本身技术特点及应用环境的影响，其所获得的勘探效果差异较大，因此需要结合不同的地质环境等因素而选择合适的方法技术，以此提升地测工作水平，降低水害。

一、物探方法的概述

物探是指通过研究和观测各种地理物理层场的额变化探测地层岩石、地质构造等地质条件。物探是煤矿地测的主要手段，结合实践调查，物探技术包括以下几种：一是瞬变电磁法。瞬变电磁法属于时间域电磁感应法，其主要是利用不接地回线或接地电源向地下发送一次脉冲场，在一次脉冲磁场间歇期间利用回线接受二次场，根据二次场衰减曲线特征判定地下物质体的电性、规模等，以此判定岩石的厚度，需要注意的时该方法测定的主要是岩石的电阻率，当地质构造异常时，局部区域的电阻率会非常低，表明该区域存在导电矿物质过高或者积水现象；二是三维地震勘探法。三维地震勘探法目前在煤矿防治水方面的应用相对较少，其更多是应用于早期的煤田地质勘探。属于一种面积采集技术，利用岩层的界面对地震波的反射和投射的差异测量岩层构造。利用炮点网络和检波点网络的合理组合获得分布均匀的地下数据点网络及所要求的的覆盖次数。一般三维数据体的信息点越密集，所获得的信息量就越丰富，就能反映出煤矿深部的断层、异常体；三是无线电坑透法。其主要是利用岩石对电磁波能量吸收的不同勘探地质构造的方法。例如当岩石电阻率较低时，其会吸收电磁波，当电磁波出现衰减后极有可能是由于岩石区域出现积水导致的，因此根据接受信号的强度可以找出异常体的区域位置及范围。

二、物探方法在煤矿防治水中的具体应用

1.瞬变电磁法的应用

瞬变电磁法在煤矿防治水方面发挥巨大作用，是当前地测使用的常规方法。基于其工作原理，其在探测小窑采空区、构造、陷落柱是否富水等方面具有巨大的应用价值。

（1）陷落柱勘测

陷落柱是由于岩溶在长期受地下水溶蚀作用并在地质构造力和上部覆盖岩层的重力下导致溶洞坍塌形成的圆形或不规则的椭圆形的柱状体。陷落柱给煤矿开采工作会带来巨大影响，其不仅会破坏开采煤层、降低开采效率，而且还存在一定的安全隐患。由于陷落柱破坏了底层沉淀层的次序，导致陷落柱与煤层的接触边界出现密度、电性等物性的差异。为此可以使用瞬变电磁法进行探测，当出现陷落柱后，瞬变电磁检测的电阻率会出现下降，尤其是当陷落柱在650-740m直接新生界下部时，电阻率值就会出现明显扭曲下降趋势。当然在使用瞬间电磁法勘测陷落柱时需要考虑无线电会探测信号造成的干扰因素，为此需要通过增加叠加次数的方式降低游离的干扰信号。同时还要充分考虑延迟时间对探测深度的关联性问题，例如低延时能够增加对较浅地层的探测能力，但是其会影响较深地层的探测能力。所以在具体探测时需要考虑延迟时间因素。例如在使用发射电流5.5A，叠加次数为512次，增益10的条件下需要延迟120us。

（2）采空区勘测

完成煤矿开采后，开采区域会形成采空区，一般采空区没有填充处理。根据调查采空区由于受降雨或者其他原因影响会形成积水，尤其是大量矿井积水会渗透到采空区，给整个煤矿地质的稳定性带来安全隐患。利用瞬间电磁法能够快速勘测采空区，其主要是根据电阻率变化情况判断。采空区因岩体垮落破碎，其电阻率会出现明显增大的现象，但是当采空区完全充水后，电阻率就会出现降低，可见通过瞬间电磁法能够判断采空区岩层结构及积水情况，从而有效规避采空区。

2.地面三维地震技术的应用

煤矿在开采或者开采结束后，煤层与周围岩体处于相对稳定的状态。一般情况下，煤层与周围岩体存在明显的波阻抗差异。例如当煤层厚度大于1m时，其便可以形成良好的反射波。为此可以利用波阻抗对煤层进行勘测，正常的煤层会在勘测仪器上显示反射波，但是当煤层地质构造出现异常后，反馈到勘测仪器尚德反射波就会异常，例如当煤矿地质存在陷落柱、煤层采空等现象后，在地震事件剖面上表现的反射波就会中断或者消失，因此可以通过地面三维地震技术对特殊地质构造进行勘测。由于陷落柱体是由大小不均、排列杂乱无章 的上覆 地层塌陷物充填胶结而成，其填充物成分比较复杂，尤其是陷落柱顶部围岩多煤系地层的砂岩、泥岩，其沉积稳定，所以在地测中利用传统的物探方法难以勘测，而三维地震勘测技术则可以很好解决，根据反射波快速定期异常体。

三、物探方法在煤矿防治水中的应用案例

1.煤矿测区地质概括

某煤矿总面积为11.12km2，地形呈现西北高东南低之势，井田范围内没有大的河流、水库等，根据调查降水为矿井充水的主要源头。该测区内含煤地层的厚度达到130.44m，共10层煤。煤层结构较为简单，顶板的岩体主要为泥岩、粉砂岩。由于井田1号煤层开采多年，存在较大面积的采空区，其中1个采空区有积水。

2.确定物探方法

通过对该测区地质环境的调查，该测区覆盖井田中部，测区最高海拔为1247m，最低处1005m，高差达到242m。为了有效识别采空区积水现象，遏制水害，经过多次论证采取瞬变电磁法与地面三维地震技术相结合的综合物探方法进行勘测。在测区设置46条瞬变电磁测线，线距40m、点距20m。同时利用勘测仪器对相关反射波进行监测，以此推断采空区积水异常区域及采空区。

3设计勘测参数

本次勘测选择为IGGETEM-30A瞬变电磁仪，数据采用重叠回线进行采集，回线参数为20 m x 20 m x 5匝。经过对此实验，最终确定时基40 ms、增益10、采样道46道、接收延时120 ps、叠加次数512次、发射电流5.5A。

4.物探结果

瞬变电磁法主要采取瞬变电磁多测道曲线来描述二次感应电压不同延时沿测点的变化，电阻率变化小时图像变化较为平稳。通过对瞬变电磁图像的分析，在560-640m、780-860m 和1150m 处感应电压比周围测点高，并且利用地面三维地震对测区煤层进行波阻抗的分析，同样发现该区域的反射波组出现中断现象，推断可能是含水异常区。

为了验证物探结果，对所测异常区进行定向钻进验证，结果表明其有水涌出，表明瞬变电磁与地面三维地震相结合的物探结果可信度较高。

四、结语

总之，煤矿水害是影响煤矿安全的重要隐患。在煤矿地测中要合理利用物探方法，勘测采矿区内富水情况，为煤矿开采提供精准数据，以此降低涌水等安全事故，提升煤矿开采工作效率。

参考文献：

【1】穆海斌.物探方法在煤矿防治水中的应用[J].山西冶金2023(5):226-227,245.

【2】孙坤.综合物探方法在煤矿防治水中的应用分析[J].当代化工研究 2021(15):51-52.

【3】林建功，张磊，肖勇.综合物探方法在探测煤矿采空区积水中的应用[J].煤炭与化工 2023(1):72-75.

【4】李旭.综合物探技术在煤矿防治水中的应用[J].能源与节能 2023(2):216-218.

作者简介：陈长青（1977—），男，湖北省鄂州市，本科，助理工程师，研究方向：地测防治水。