瞬變電磁法在某煤礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用

沈禮鋒，梁開華，郭延名

(山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東泰安271000)

隨著地下煤炭資源的持續(xù)開采，越來越多采空區(qū)的形成引發(fā)了越開越多的地面沉陷、水資源破壞等問題，特別是采空區(qū)充水，威脅著煤礦開采安全。因此，盡快查明煤礦采空區(qū)的情況刻不容緩。瞬變電磁法在煤田采空區(qū)探測中，因其分辨能力強(qiáng)，工作效率高，受地形影響小等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。

1 瞬變電磁法方法原理

煤層賦存于成層分布的煤系地層中，地下的煤層被采出后，在巖體內(nèi)形成一個(gè)有一定規(guī)模的空間，使周圍的應(yīng)力平穩(wěn)狀態(tài)遭受破壞，產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，采空區(qū)頂板在上覆巖層壓力的作用下，發(fā)生變形、斷裂、位移、冒落，形成的冒落帶、斷裂帶、變形彎曲帶，其影響范圍比原采空區(qū)要大，且直接影響其電性分布狀，形成一個(gè)高阻電性體與圍巖電性形成較明顯的差異。在地下水的充填及地表水沿裂縫向采空區(qū)滲漏，其電阻率將明顯發(fā)生變化，形成一個(gè)低阻電性體，也與圍巖電性形成較明顯的差異。若埋藏很淺，在電阻率斷面圖中，呈相對高阻反映，若埋藏相對較深，由于電法工作的體積效應(yīng)，在電阻率斷面圖中，與周圍相比相對高阻反應(yīng)不甚明顯。對于采空區(qū)來說:若地下水侵入、充水則二次渦流場衰減慢，歸一化的二次電位相對較高，在多測道電壓剖面圖上表現(xiàn)為“峰值異?！保跀M視電阻率斷面圖上表現(xiàn)為低阻異常;若不充水則二次渦流場衰減快，歸一化的二次電位相對較低，在多測道電壓剖面圖上表現(xiàn)為“谷值異常”，在擬視電阻率斷面圖上表現(xiàn)為高阻異常。這樣就為本次探測含水層富、含水行及充水采空區(qū)提供了前提條件。對比區(qū)內(nèi)地層的物性差異，尋找低阻異常區(qū)就能揭示采空區(qū)富水分布和含水地層富、含水情況。

2 采空區(qū)地球物理前提

地層中的煤層被開采以后，在地下巖層間形成一定的空間，采空區(qū)上方巖層在重力作用下發(fā)生塌陷，造成煤層上覆巖體失去原有平衡狀態(tài)而發(fā)生一定程度巖移，破壞了巖石的完整性、連續(xù)性，致使巖層破碎和出現(xiàn)大量的空隙和裂隙，故該處電阻率會偏高于完整巖石處的電阻率，不明顯時(shí)則會出現(xiàn)視電阻率等值線的波動(dòng)，明顯時(shí)表現(xiàn)出相對的高阻特性;而采空區(qū)域的空隙被水或泥質(zhì)所充填后，該處的電阻率將明顯低于周圍完整巖石的電阻率，表現(xiàn)出一定的低阻特征。我們則可以依據(jù)這種特有電性異常反映來劃分采空區(qū)。

3 典型實(shí)例

3.1 工區(qū)概況

本區(qū)位于新鄭市龍湖鎮(zhèn)張溝村境內(nèi)，為查明采空區(qū)積水對礦井可能造成的安全隱患程度，決定對礦區(qū)范圍內(nèi)采空區(qū)積水狀況進(jìn)一步探查、控制，采空區(qū)積水邊界，為煤礦安全生產(chǎn)提供物探依據(jù)。

3.2 地質(zhì)地球物理特征

由已知資料可知，勘查區(qū)地層由老到新為:奧陶系中統(tǒng)馬家溝組(O2m)、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)二疊系上統(tǒng)山西組(P1sh)、下石盒子組(P1x)、第三系(R)和第四系(Q)。測區(qū)上部黃土覆蓋層較薄，中部含水層組視電阻率較低，下部奧陶系視電阻率較高。黃土電阻率值最低，ρ值在15～25Ω·m之間;煤層自身電阻率較高，但由于受頂?shù)装搴皫r影響，電阻率值較低，約為20～30Ω·m之間，是本次探測目標(biāo)層;灰?guī)r電阻率最高，ρ值在50Ω·m以上。本次勘探的目標(biāo)地質(zhì)體為采空區(qū)，由于煤礦開采時(shí)間較長，且地表有裂隙和塌陷，因此地表雨水和地下水會侵入煤礦采空區(qū)及塌陷區(qū)，電阻率表現(xiàn)應(yīng)為低阻異常。

3.3 工作方法

野外觀測使用加拿大GEONICS公司的PROTEM57瞬變電磁儀，采用大定源方式，布設(shè)發(fā)射線框大小選擇240 m×240 m，采樣頻率選擇25 Hz，供電電流選擇14 A。測點(diǎn)位于發(fā)射框內(nèi)，觀測時(shí)發(fā)射部分不動(dòng)，發(fā)射電流等所有參數(shù)不變，接收部分(主機(jī)和接收線圈)在發(fā)射框內(nèi)沿測線移動(dòng)。采用框內(nèi)測量，線距40 m，點(diǎn)距20 m，測點(diǎn)與發(fā)射框邊的最小距離為40 m。觀測dBx/dt，dBy/dt，dBz/dt三個(gè)分量，在工作過程中嚴(yán)格按儀器說明和規(guī)范進(jìn)行操作。

瞬變電磁法測量在野外記錄的是發(fā)射框中瞬態(tài)變化的電流在地下產(chǎn)生的瞬變電磁場dB/dt，數(shù)據(jù)處理就是根據(jù)dB/dt計(jì)算體現(xiàn)地下地層物理性質(zhì)的是電阻率ρs。

3.4 瞬變電磁試驗(yàn)

在全面開展勘查工作之前，在已知采空區(qū)及未采空區(qū)進(jìn)行了方法有效性試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)區(qū)布置一條測線進(jìn)行試驗(yàn)工作，得出試驗(yàn)測線視電阻率等值線斷面圖(圖1)。結(jié)合已知資料，標(biāo)出了二1煤底板的位置。上部地層視電阻率值較高，中部由于巖石顆粒較小，在視電阻率上為低阻表現(xiàn)，煤層基底視電阻率值最高。在圖中點(diǎn)標(biāo)高100附近位置處等值線視電阻率阻值較低，根據(jù)已知資料，該處煤層均已開采，該低阻異常是采空區(qū)在斷面圖上的電性反映。由此表明，瞬變電磁法測量在該區(qū)是有效的，可以較好地探測到低阻帶充水采空區(qū)。

圖1 試驗(yàn)測線視電阻率等值線斷面圖

3.5 效果分析

3.5.1 測線異常區(qū)

圖2 20線視電阻率等值線斷面圖

以測區(qū)內(nèi)20線視電阻率等值線斷面圖(圖2)為例，標(biāo)高120～180 m之間電阻率較低，推斷為富水砂、泥巖地層，在標(biāo)高－100～－20 m為二1煤層，在測點(diǎn)1 150～1 300間有一U型低阻異常帶，電阻率值為15Ω·m左右，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，推斷該異常為采空區(qū)反映。

從電阻率等值線來看，測線西部異常中心深度較淺，東部較深，表明異常所處的深度西淺東深，與煤層傾向北東的特征相吻合，由此可知，該測線的綜合異常反映了采空區(qū)(煤層)的傾向特征，這一特征也應(yīng)證了異常為采空區(qū)的反映。

3.5.2 水平異常區(qū)

為更好的了解二1煤層深度上的異常情況以及采空區(qū)范圍，在二1煤層順煤層作水平切面(圖3)。可以看到，由于受二1煤層開采影響，在二1煤層順層切片圖上，在測區(qū)西部及南部，煤層埋藏較淺，老窯采空區(qū)較多，在采空區(qū)范圍較內(nèi)，視電阻率阻值較低，在東北部由于煤層埋藏較深，煤層沒有開采，所以在二1煤層視電阻率順層切片圖上，該處視電阻率阻值較高。

3.5.3 綜合異常成果解釋

綜合測線斷面圖以及水平切片圖，電阻率整體上西部較低，東部較高，其富水性淺部較深部為強(qiáng)，由于煤層開采及斷層充水的影響，因此測區(qū)地層的富水性規(guī)律性較差，整體上淺部地區(qū)地層的富水性大于深部地區(qū)地層的富水性，測區(qū)西部區(qū)域的低阻異常較明顯，反映了該處老空區(qū)富水性較強(qiáng)的特點(diǎn)，如圖4所示。

4 結(jié)語

勘查實(shí)踐表明，瞬變電磁法可以快速獲得淺部至中、大深度地層的電性信息，能夠較好的解決采空區(qū)探測等地質(zhì)問題，是一種經(jīng)濟(jì)、快速、行之有效的地球物理方法，極具廣泛的應(yīng)用前景。

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