采中积水探测及处理

1.采中积水的探测1．1瞬变电磁法（采空区积水探测方法的研究何学明西安科技大学能源学院，西安）1.1.1综合探测技术原理综合利用瞬变电磁法和电阻率剖面法探测采空区分布范围及积水的物理基础是采空区或富水区相对于周围地层都有明显的电性差异。

在正常情况下，各层位电性在横向上是相对均一的。

当存在局部异常体，如岩溶洞穴、煤矿采空区、断层、裂隙带等并有导电性水体存在的区段则出现局部低电阻率异常区；若采空区等没有充水时，表现为相对高阻异常区。

1.1.2探测准备工作1）探测仪器的选取。

瞬变电磁仪采用TEM-6瞬变电磁仪，直流电剖面法采用DZD-6A 多功能直流电法仪。

2）测区范围的选定。

测区范围应根据工作任务和测区的地质及地球物理工作程度合理确定，应主要考虑以下因素：探测目标的大小、埋深及与围岩的电性差，为了保证所得异常的完整性，周围要有一定范围的正常背景场，以便分析对比；测区范围应尽可能覆盖部分已知区。

3）测网布置。

①井下测点布置。

瞬变电磁法测点布置：在已知的一层采空区布设试验线，选取了4个试验点（段），分别为S1、S2、S3、S4，工作量同时覆盖采空区和正常地层。

选用测区内人为干扰小、具有代表性的测区中部已知钻孔DB1作为试验点S1和东南部已知钻孔DB4作为试验点S2。

选用跨过已知采空区的S25线1号点-32号点作为试验段S3和S29线1号点-32号点作为试验段S4。

电阻率剖面法测点布置：电剖面在跨过已知采空区的P25线做了一条试验线。

②野外测点布置与检测。

野外定点定线测量是地面瞬变电磁勘探野外施工的基础工作，目的是为电法勘探布设合格的测点测线，及时提供设计测点实地位置及高程。

测点分布见图1。

瞬变电磁测线方向为NE40.5°。

布置测线77条，坐标点为1 875个，检测点为104个，试验点工作量132个，计物理点2 111个。

测线总长度35.96km，实际控制面积1.42 km2。

电阻率剖面测线77条，坐标点3 673个，检测点164个，试验点63个，计物理点3 900个。

通过对整个测区实地踏勘，确认东坡矿工程部提供的3个已知点标石保存完好。

经过检测，其纵向误差最大5 mm，最小4 mm；横向误差最大6 mm，最小误差5 mm。

在这些已知点的基础上作为测区首级控制点。

本次施工要严格按《煤炭电法勘探规范》（MT/T898 -2000）及本区《设计》进行，严格按ISO9001：2000质量认证体系要求施工：全区瞬变电磁物理点，甲级率达到80%以上，合格率为100%；电阻率剖面物理点甲级率达到80％以上，合格率为100％。

1.1.3瞬变电磁法试验及数据处理瞬变电磁法试验过程中需要注意如下几点：①在同一点用同样参数进行2次重复观测，比较所得数据的一致性，判断仪器稳定性；②通过实验选择瞬变电磁仪上不同的发送电流值、采样时窗和数据叠加次数，以得出正确的数据；③在已布置好的井下测点S1、S2、S3、S4位置分别进行试验，工作量同时覆盖采空区和正常地层。

TEM -6型瞬变电磁仪的发送电流有75A、100A、125A、150A、200A、250A等6种选择模式；采样时窗有19.41 ms和41.08 ms两种选择模式；数据叠加次数有1次叠加、2次叠加、4次叠加和8次叠加4种叠加方式。

实验过程与结果分析如下。

1）S1位置试验。

在S1点（DB1孔）进行仪器稳定性测试，该测点上各采样道总的平均均方相对误差12.798 4%，小于《煤炭电法勘探规范》限差要求（总的平均均方相对误差小于15%），说明仪器稳定性良好。

通过对比不同对比试验，根据电流衰减曲线稳定性情况选择发送电流为300A，采样时窗为41.08ms，叠加次数为4次叠加。

S1点实验所得电阻率分层图见图2。

从图2 S1点实验所得电阻率分层图中可以看出，反演曲线主要电性标志层和钻孔主要标志层大体一致，只是反演深度比实际钻孔深度偏大，经过计算，在此孔的解释系数为0.85。

2）S2位置试验。

在S2点（DB4孔）同样选择发送电流为300A，采样时窗为41.08 ms，叠加次数为4次叠加。

S2点实验所得电阻率分层图见图3。

进行仪器稳定性测试，该测点上各采样道总的平均均方相对误差12.381%，，说明仪器稳定性良好。

从图3中可以看出，反演曲线主要电性标志层和钻孔主要标志层大体一致，只是反演深度比实际钻孔深度偏大，经过计算，在此孔的解释系数为0.92。

通过S1试验点（DB1孔）、S2试验点（DB4孔）对不同参数进行的试验，可以看出，选择供电电流为300A，叠加次数为4次叠加，采样时窗为41.08 ms的参数，不仅能达到勘探深度的要求，并且目的层（煤系地层）电性分层明显（见图2、图3），因此采用以上施工参数即可满足本次电法野外施工的需要。

3）S3位置试验。

①不同地质条件下单支曲线电性特征。

依据二次电位值的变化，间接分析地下地质体的电性特征。

从理论上讲，二次涡流场的衰减速度与岩石的电阻率有关，电阻率高，衰减速度快，对应的二次电位值相对低；电阻率低，衰减速度慢，对应的二次电位值相对高。

含水岩层的电阻率低，因而含水区域对应的二次电位相对高于不含水的区域。

并且由于水的激发激化影响和低阻集流效应，在含水部位的二次电位值，可能出现负值或后一测道的二次电位值等于甚至高于前一测道的电位值。

图4是S3位置不同地质条件下单支衰减曲线的对比图。

从图中可以看出：煤层采空区不积水条件二次电位最低，煤层采空区积水条件二次电位最高，煤层未开采条件下二次电位居中。

②采空区电性特征。

根据矿方提供的已知采空区，分别在S25线和S29线布设了二条试验线，试验线均跨越采空区延伸到正常地层。

图5是S25线多测道剖面图。

图6是抽取的S25测线25-26测道归一化二次电剖面图。

根据资料处理解释，25-26测道为9＃煤层的电性反映，两测道在24号测点相交，根据已知资料，在24号点即为采空边界。

图7是S25线1号点—32号点归一化二次电位多测道剖面图，从图中可看出，S25线1号点—24号点之间二次电位出现明显的异常反映。

经视深度转换，第25—26测道为9#煤层的电性反映，见图7。

结合矿方调查的已知资料，分析为采空异常区。

4）S4位置试验。

①不同地质条件下单支曲线电性特征。

图8是S4位置不同地质条件下单支衰减曲线的对比图，从图中可以看出：煤层采空区不积水条件二次电位最低，煤层采空区积水条件二次电位最高，煤层未开采条件下二次电位居中。

②采空区电性特征。

图9是S26线多测道剖面图。

图10是抽取的S29测线25—26测道归一化二次电剖面图。

根据资料处理解释，25—26测道为9#煤层的电性反映，两测道在21号点测点相交，据分析，在21号点即为采空边界。

图11是S29线1号点—32号点归一化二次电位多测道剖面图，从图中可看出，S29线1号点-21号点之间二次电位出现明显的异常反映。

经视深度转换，第25-26测道为9#煤层的电性反映，见图9。

结合矿方调查的已知资料，分析为采空异常区。

1.1.4电阻率剖面法试验及数据处理电剖面在跨过已知采空区的P25线做了一条试验线，完成试验点63个。

1）仪器稳定性试验。

利用DZD-6A直流电法仪在同一点多次重复观测的数据，其相对误差均在0.5%以内，说明仪器稳定性良好。

2）直流电剖面试验是在跨越已知采空区的P25线对2个目的层（4#、9#煤层）极距已知采空区进行不同极距对比试验表明，选择供电极距300 m和400 m目的层（煤系地层）电性特征相对比较明显，因此供电极距能满足要求，实验结果见图12。

1.1.5小结结合本测区钻孔资料分析，通过电测法试验能根据电性差异和电阻率变化分析出地下煤层局部采空后采空区积水情况，并将采空区范围及采空积水范围绘制在4＃煤层底板等高线平面图上，见图13。

结论1）在本区利用瞬变电磁法对采空区范围及积水情况进行探测是可行的，并且效果比较明显；采用电阻率剖面法受地形起伏影响较大，勘探效果不太明显，但对瞬变电磁具有参考价值。

2）通过综合分析电勘探法的结果和矿上已掌握的资料，基本查明了采空区的分布范围及积水情况：采空区分布在西部测区，而东南部测区内不存在煤层被采空的现象。

3）本次勘探对采空积水的分析解释均为静态和定性解释，随着开采采空塌陷的影响范围和积水范围可能进一步扩大。

为保证井下采煤的安全，应加强采掘前的矿井水文物探工作，特别是在生产场地接近异常部位时应边探边掘，随时观察记录水文地质条件变化情况，以便实施针对性更强和更有效的防治水技术措施。

1.2老空积水区的确定方法(煤矿采空积水综合防治技术研究张中华)1.2.1资料调查分析法在分析、预测采掘工作面可能遇到的采空积水问题时，要结合上部煤层开采的实际水文地质资料，分析研究工作面水文地质情况，从而更准确地了解现采掘区域的情况，当发现有突水隐患时，有针对性地提出预测及防治方法。

在采掘上下 2 个煤层时，详细记录上层煤开采工作面的水文地质情况并填绘到矿井充水性图上，这样，在采掘下部煤层时能够参照并分析水文地质特征，根据分析所得到的结果及时地预测、预报，采取井下或者地面探放方法消除积水隐患。

在实践中，煤层采空区的低洼处易形成老空区积水，可利用煤层底板等高线图，探放上层煤的积水区，消除开采下层煤时的突水隐患。

1.2.2物探法利用现有的物探手段，主要有瞬变电磁法（TEM）、直流激电测深、高密度电法勘探等，针对物探异常区初步预测积水区位置、边界、积水量。

对老空水探测，还有地质雷达、三维地震、电阻率法等探测方法。

①上部采空区有积水的情况下，利用地质雷达方法探测出下部采空区采动裂隙带的范围，从而设计出合理的保护煤柱宽度，预防下部工作面突水的发生。

②利用三维地震方法解释老窑采空区，一方面是从己知资料出发，在反射波对比的基础上，选择显著性的主干剖面；另一方面在剖面上，分析反射波同相轴的消失、扭曲、突变等异常现象，最后圈定出老窑采空区。

③为了探查出矿区地下水地质体的分布及其导含水条件，可以采用地磁探测技术观察地下地质体中的电性分布规律。

阳泉矿区采用频率测深(CSMT) 技术和瞬变电磁场(TEM) 勘探技术对采空区的积水边界进行了探测；神华集团活鸡兔矿利用自动电阻率法成功探测出12205 工作面采空区溃沙溃水通道；河北金牛能源公司东庞矿采用直流电探测技术探测某个工作面积水小煤窑采空区。

三维地震和瞬变电磁场能够确定采空区的积水边界。

另外，煤层及采空区等地质条件探测一般应用三维地震探测技术，而采空区和煤层上下地层积水范围的探测应用电磁探测技术。

1.2.3钻探法钻探技术，作为最基础的采空积水区探查手段，曾经受到了极大地限制，但最近十几年来，国内外钻探技术有了很大的发展，发展出适用于各种工作场合的钻机。

因此，应用钻探技术，不管在地面用钻机还是井下坑道钻机，均可实现“随钻测斜，自动纠偏”。