利用三維地震及瞬變電磁法探查老窯、采空區(qū)及陷落柱

張昭 河北省煤田地質(zhì)局物測地質(zhì)隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000

目前，為了提高煤礦安全生產(chǎn)系數(shù)，國家要求煤礦企業(yè)兼并重組，這些重組后的煤礦采空區(qū)分布及含水情況比較復(fù)雜，必須對(duì)其進(jìn)行探測，以保證煤礦安全生產(chǎn)、防治地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生和解決煤礦間越界開采等問題。

三維地震勘探技術(shù)，探測煤層構(gòu)造和地質(zhì)體精度高，可以查明落差5m以上的斷層、查明直徑大于20m的陷落柱、可查明采空區(qū)邊界，被廣泛應(yīng)用于探查煤礦地質(zhì)構(gòu)造的一門成熟技術(shù)。

瞬變電磁法可查明構(gòu)造含水情況，如煤礦采空區(qū)、陷落柱含水情況、深部不規(guī)則水體等。

將兩種方法結(jié)合起來即可對(duì)煤礦采空區(qū)、陷落柱邊界及含水情況做出探測，為煤礦開采提供技術(shù)保障。

下面以山西北祖煤礦三維地震及瞬變電磁綜合勘探為例，說明利用三維地震及瞬變電磁法探查老窯、采空區(qū)及陷落柱時(shí)的具體應(yīng)用。

1 地質(zhì)概況及地震地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)概況

測區(qū)內(nèi)地層由老到新為奧陶系、石炭系、二疊系、第三系及第四系，含煤地層為太原組和山西組，地層總厚度182.75 m，共含煤層（線）5～9層，煤層總厚度23.99 m，總含煤系數(shù)為13.13%。其中主采煤層4煤、9煤煤層間距0.38m～4.66m，平均1.50m。且在測區(qū)內(nèi)合并為4-9煤，煤層厚度13.20m～15.78 m，平均14.38m。

1.2 地震地質(zhì)條件

勘探區(qū)位于洪濤山脈的西側(cè)，為典型的黃土丘陵地貌，黃土沖溝發(fā)育，地表最大相對(duì)高差169.76m。區(qū)內(nèi)大部分由黃土覆蓋，基巖零星出露于沖溝內(nèi)。沖刷切割較為普遍，地形比較復(fù)雜；淺層大部為黃土，局部含卵礫石，測區(qū)東部部分區(qū)域淺層基巖風(fēng)化破碎嚴(yán)重。黃土覆蓋區(qū)不利于激發(fā)層位的選取，基巖和風(fēng)化帶不利于成孔；煤層的頂?shù)装宥酁槟鄮r、砂巖，與煤層波阻抗差異較大，能夠形成能量強(qiáng)、連續(xù)性好的煤層地震反射波，主要可采煤層4煤與9煤煤層間距小，因此4煤與9煤形成一組復(fù)合反射波（即T4-9）。

2 工作方法

2.1 工作原理

首先利用三維地震圈定老窯、采空區(qū)及陷落柱的范圍，再利用瞬變電磁法對(duì)其范圍進(jìn)行確認(rèn)，以確定其賦水性，排除老窯、采空區(qū)及陷落柱對(duì)煤礦開采的威脅。

三維地震激發(fā)方式采用井中高爆速炸藥激發(fā)，60Hz高頻檢波器，BOX無線遙測數(shù)字地震儀接收。電法采用瞬變電磁法（簡稱TEM法）尋找低阻異常區(qū)，儀器采用加拿大產(chǎn)V8多功能電法儀。

2.2 三維觀測系統(tǒng)的基本參數(shù)

本區(qū)主采煤層4-9煤的埋藏深度為150m～210m，觀測系統(tǒng)定為：12線6炮制重點(diǎn)激發(fā)的束狀觀測系統(tǒng)，每線40道，道間距10m，線間距20m，偏移距10m，CDP網(wǎng)格5m×10m，縱向最大炮檢距200m，橫向最大炮檢距170m，最大非縱炮檢距262.48m。

2.3 瞬變電磁法（TEM法）的基本參數(shù)

瞬變電磁法（TEM法）屬于時(shí)間域電磁感應(yīng)法，它利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖場，在一次脈沖磁場間歇期間利用回線或電偶極接收二次場，該二次場是有地下良導(dǎo)地質(zhì)體受激勵(lì)引起的渦流所產(chǎn)生的非穩(wěn)電磁場。根據(jù)二次場衰減曲線的特征，就可以判斷地下地質(zhì)體的電性、規(guī)模、產(chǎn)狀等。

通過對(duì)本區(qū)瞬變電磁野外試驗(yàn)的綜合分析，確定本次電法基本施工參數(shù)為：發(fā)送線框邊長選用120m×120m；發(fā)射頻率選用單頻25Hz；發(fā)射電流大于6A；固定增益選用22。測網(wǎng)布設(shè)采用點(diǎn)距40m，線距40m，即基本測網(wǎng)密度為40m×40m，另外在礦方提供的采空區(qū)上加密成20m×40m。

3 取得的成果

山西朔州山陰中煤順通北祖煤業(yè)有限公司北祖煤礦經(jīng)三維地震及瞬變電磁綜合勘探后，勘探區(qū)內(nèi)60%區(qū)域有不同程度的開采現(xiàn)象，在勘探區(qū)西部還發(fā)現(xiàn)一長軸大于320m的陷落柱，陷落柱經(jīng)礦方驗(yàn)證實(shí)際存在；部分采空區(qū)富水性很強(qiáng)。

圖1是采空區(qū)在時(shí)間剖面中的顯示；圖2是陷落柱在時(shí)間剖面中的顯示；圖3是視電阻率斷面圖，依據(jù)鉆孔資料確定目的層所對(duì)應(yīng)的電性層位，結(jié)合定性圖件和已知地質(zhì)資料分析含水巖層、導(dǎo)水構(gòu)造的打至范圍，再通過綜合分析及結(jié)合計(jì)算的視電阻率正反演解釋結(jié)果，最終解釋含水層、導(dǎo)水構(gòu)造的位置和深度；圖4是本區(qū)綜合解釋成果圖，區(qū)中灰色部分為三維地震圈定的采空區(qū)，黑色部分為瞬變電磁圈定的富水異常區(qū)。

圖1 采空區(qū)在時(shí)間剖面上的顯示

圖2 X1陷落柱在時(shí)間剖面上的顯示

圖3 D8線視電阻率斷面示意圖

圖4 綜合解釋成果圖

4 結(jié)語

實(shí)踐證明，利用三維地震勘探和瞬變電磁法勘探相結(jié)合的技術(shù)，能有效的解決煤礦采空區(qū)、陷落柱邊界及含水情況等問題。為煤礦安全生產(chǎn)提供地質(zhì)技術(shù)保障。

[1]陸基孟等.地震勘探原理及資料解釋[M].北京:石油工業(yè)出版社,1991.

[2]蔣邦遠(yuǎn).瞬變電磁法勘探[M].北京:地質(zhì)出版社,1998.

[3]張昭等.山西朔州山陰中煤順通北祖煤業(yè)有限公司三維地震及瞬變電磁綜合勘探報(bào)告[R].河北邢臺(tái):河北省煤田地質(zhì)局物測地質(zhì)隊(duì),2004.