瞬變電磁法在煤層采空區(qū)勘探中的應(yīng)用
——以山西柳林碾焉煤礦為例

王偉明，李 勇，向 琳，王俊茹，劉穎倩，邵崇建，栗曉軍（.成都理工大學(xué)（油氣藏國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），四川成都 60059；.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河北石家莊 0565；.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北邯鄲 056000）

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瞬變電磁法在煤層采空區(qū)勘探中的應(yīng)用
——以山西柳林碾焉煤礦為例

王偉明1，李 勇1，向 琳1，王俊茹2，劉穎倩1，邵崇建1，栗曉軍3
（1.成都理工大學(xué)（油氣藏國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），四川成都 610059；2.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河北石家莊 052165；3.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北邯鄲 056000）

摘 要：山西柳林碾焉煤礦在巷道開(kāi)挖過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)煤壁出現(xiàn)掛汗以及巷道滲水等相關(guān)現(xiàn)象。初步認(rèn)定為采空區(qū)遭到一定程度的破壞，并產(chǎn)生滲漏水現(xiàn)象。為探明本區(qū)內(nèi)采空區(qū)的分布范圍及其積水情況，針對(duì)該區(qū)進(jìn)行瞬變電磁法勘探。運(yùn)用加拿大鳳凰公司研發(fā)生產(chǎn)的V-8多功能電法系統(tǒng)參與勘探，通過(guò)勘察結(jié)果數(shù)據(jù)的解譯表明：工區(qū)內(nèi)絕大部分電阻率剖面表現(xiàn)為高阻異常，說(shuō)明區(qū)內(nèi)采空區(qū)不存在大規(guī)模水體或者說(shuō)沒(méi)有發(fā)生大面積漏水。電阻率剖面只有局部表現(xiàn)出低阻異常，范圍較小。分析得出在西南區(qū)極小區(qū)域存在由于地形較低使得地下水以及地表水沿順層向采空區(qū)滲漏，但是并不能夠?qū)ΦV井的正常生產(chǎn)造成危害。本次勘探成果可以為解決礦山建設(shè)和礦藏開(kāi)采中的一些地質(zhì)方面的問(wèn)題提供地球物理依據(jù)，進(jìn)一步為礦山開(kāi)采提供安全保障，增加社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁；采空區(qū)；電阻率；礦山開(kāi)采；含水情況

0 引言

為了確保本次勘探任務(wù)的質(zhì)量，我們通過(guò)收集、整理并分析了山西柳林碾焉煤礦的基礎(chǔ)資料，并對(duì)井口及井下巷道和采空區(qū)做了詳細(xì)的測(cè)量。主巷道的測(cè)量采用J2經(jīng)緯儀，利用三角測(cè)量加密控制。首先測(cè)量近井點(diǎn)的接觸測(cè)量，然后再逐點(diǎn)測(cè)量井下導(dǎo)線點(diǎn)，用以滿足規(guī)范要求，確保質(zhì)量可靠。次要巷道和回采工作面，采用半儀器的測(cè)量方法，能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，并將測(cè)量結(jié)果繪制成采掘工程平面圖和井內(nèi)對(duì)比，為礦山生產(chǎn)和建設(shè)提供依據(jù)。根據(jù)煤炭銷售的需要，進(jìn)行了商品煤樣采樣化驗(yàn)工作，由縣、市、省質(zhì)檢部門(mén)以及用戶定期或不定期地進(jìn)行抽樣化驗(yàn)，但只是按商品煤的要求進(jìn)行采樣化驗(yàn)，對(duì)煤質(zhì)全面了解不夠。該礦井下涌水量不大，在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)礦井涌水量及其變化進(jìn)行了觀測(cè)，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)涌水量及時(shí)向地面抽排，確保了煤礦生產(chǎn)安全。該礦產(chǎn)公司的相關(guān)部門(mén)也做了大量的工作，并制繪了采掘工程平面圖，很好地表現(xiàn)出2010年井下巷道以及構(gòu)造等實(shí)際分布情況，資料較準(zhǔn)確，精度較高。

本次勘探任務(wù)嚴(yán)格遵守以下中華人民共和國(guó)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及安全要求執(zhí)行：《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》（GB/ T18314—2001）、《地面瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》（DZ/ T0187—1997）、《物化探工程測(cè)量規(guī)程》（DZ/ T0153—95）［1］。

1 勘探區(qū)概況

勘探任務(wù)區(qū)位于山西省柳林縣，整合后井田南北延伸4km，東西橫跨3km，面積6km2?？碧絽^(qū)位于柳林縣縣城20km，交通運(yùn)輸條件較為便利。

該煤礦位于鄂爾多斯聚煤盆地東緣的河?xùn)|煤田中段東邊緣。區(qū)域出露地層由老到新順次為：太古界界河口群，呂梁超群，元古界野雞山群，長(zhǎng)城系，古生界寒武系中、上統(tǒng)，奧陶系下、中統(tǒng)，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，二疊系上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組，三疊系下統(tǒng)劉家溝組、各尚溝組，三疊系中統(tǒng)二馬營(yíng)組、銅川組，新生界上第三系上新統(tǒng)，第四系中上更新統(tǒng)，全新統(tǒng)。老地層（界河口群-長(zhǎng)城系）出露于三交詳查區(qū)東、東北部的棗林、漢高山、關(guān)帝山、峪口、張子山及起云山一帶，早古生代地層出露于煤田邊緣地帶，晚古生代含煤地層出露于離石煤盆及黃河?xùn)|緣臨縣一柳林一帶，中生代地層沿黃河分布于河?xùn)|煤田西側(cè)，新生界地層廣泛出露［2］。

區(qū)內(nèi)含煤地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，太原組地層為一套海、陸交互相含煤巖系，為本區(qū)主要含煤地層之一，巖性主要為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、中粗粒砂巖、灰色石灰?guī)r及煤層。從沉積特征看，太原組含煤地層形成于海進(jìn)過(guò)程中，聚煤作用形成于濱海平原上，海侵之初將潛水面抬升，致使濱海平原沼澤化，大面積沼澤分布，堆積了泥炭層，海侵的發(fā)生為泥炭層埋藏保存創(chuàng)造了條件［3］。該組中共發(fā)育有五層灰?guī)r，為地層對(duì)比的主要標(biāo)志層，共發(fā)育有6、7、8、9、10號(hào)五層煤，其中8、9號(hào)為全區(qū)可采煤層，其余為零星可采或不可采煤層。山西組地層也是主要含煤地層之一，為一套陸相含煤沉積地層，其含煤地層形成于海退過(guò)程中，聚煤作用發(fā)生于海退造成的三角洲平原環(huán)境中，該組總共發(fā)育有3、4、5號(hào)煤，其中4號(hào)煤層為可采煤層，其余在本區(qū)為零星可采或不可采煤層，該組其它巖性為長(zhǎng)石石英砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等組成。

2 施工依據(jù)

2. 1 探測(cè)方法理論

地下的掩埋煤層被開(kāi)采后，在地下巖層內(nèi)部會(huì)遺留一定規(guī)模的采空區(qū)，圍巖與采空區(qū)的電阻率理論上是無(wú)窮大的。但是隨著長(zhǎng)時(shí)間變化，上覆巖層就會(huì)在各種力的作用下產(chǎn)生裂隙或者陷落空間，地下及地表水就會(huì)趁機(jī)進(jìn)入，因而會(huì)改變采空區(qū)的電阻率，即出現(xiàn)相對(duì)高阻或低阻異常區(qū)［4］。

一般情況下，地下水位沒(méi)有漫過(guò)采空區(qū)的將會(huì)在電阻率圖上表現(xiàn)相對(duì)高阻特征（圖1），地下水位高出采空區(qū)之后會(huì)表現(xiàn)出相對(duì)的低阻特征（圖2），將研究區(qū)內(nèi)地層地球物理差異進(jìn)行對(duì)比，運(yùn)用綜合資料解釋方法可以圈定煤層采空區(qū)的位置及規(guī)模和探明采空區(qū)是否有滲水現(xiàn)象的產(chǎn)生。

如果在地層完整的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行勘探測(cè)量，因?yàn)闆](méi)有采空區(qū)，依據(jù)《地面瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》指導(dǎo)意見(jiàn)，結(jié)合該區(qū)的實(shí)際地質(zhì)特征，電阻值高于170Ω·m為高阻異常，低于120Ω·m的為低阻異常。電阻率斷面電性特征表現(xiàn)為正常（圖3）。

2. 2 測(cè)區(qū)地層電性特征

根據(jù)收集到的地質(zhì)資料可知，區(qū)內(nèi)與本次勘探相關(guān)的地層從上到下一般為新生界地層、三疊系地層、二疊系地層、石炭系地層以及奧陶系灰?guī)r地層。正常情況下，縱向上新生界表層視電阻率較高，向下趨于線性減??；二疊系上石盒子組的頂部是泥巖以及砂質(zhì)泥巖混生主，呈低阻特征；下部上石盒子組的地層以砂泥巖互層，地層電阻率表現(xiàn)中低阻，以砂泥巖為主的下石盒子組和山西組地層，電阻率表現(xiàn)為低阻；以灰?guī)r為主的石炭系和奧陶系地層，地層的電阻率表現(xiàn)為較高阻。因而研究區(qū)內(nèi)整套地層的電阻率縱向上表現(xiàn)為為高～低～中～高型，為HA型［5］。

2. 3 施工難點(diǎn)與對(duì)策

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，本次工作存在的施工難點(diǎn)及針對(duì)措施為：

（1）區(qū)內(nèi)有數(shù)條高壓線對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量會(huì)帶來(lái)較大干擾，在高壓線附近數(shù)據(jù)采集工作中，將與甲方協(xié)商，盡量在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中斷電以減小干擾影響，提高采集數(shù)據(jù)的信噪比。

（2）本區(qū)是標(biāo)準(zhǔn)的黃土高原地貌，地表溝壑發(fā)育，地形交錯(cuò)復(fù)雜，對(duì)數(shù)據(jù)的采集和最終結(jié)果的解釋將會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此數(shù)據(jù)的正確處理是完成本次勘探任務(wù)的關(guān)鍵保障所在［6］。

3 工作方法

3. 1 瞬變電磁勘探原理

磁性源TEM法是經(jīng)過(guò)在地表鋪設(shè)的不接地回線通入脈沖電流，當(dāng)回線中的穩(wěn)定電流突然切斷后，根據(jù)電磁感應(yīng)理論，發(fā)射回線中電流突然變化必將在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)稱為一次場(chǎng)。當(dāng)一次場(chǎng)在周圍傳播過(guò)程中，如遇地下良導(dǎo)電的地質(zhì)體，將在其內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流，又稱渦流或二次電流［7］。導(dǎo)電地質(zhì)體并不是非線性分布的，因而脈沖電流從峰值躍變到零，一次場(chǎng)就會(huì)瞬間消失，而產(chǎn)生的渦流場(chǎng)并不會(huì)隨著消失，它表現(xiàn)為一個(gè)瞬變的過(guò)程，這個(gè)瞬變過(guò)程的快慢與地下導(dǎo)體的地球物理特征參數(shù)相關(guān)聯(lián)，地質(zhì)體如果具有良好的導(dǎo)電性，則體現(xiàn)出較長(zhǎng)的瞬變過(guò)程。渦流場(chǎng)瞬變的過(guò)程中在周圍的三維空間內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的瞬變磁場(chǎng)，則稱為二次磁場(chǎng)。利用已經(jīng)架設(shè)好的接收線圈可以得到二次磁場(chǎng)的分布形態(tài)并且以感應(yīng)電壓表現(xiàn)出來(lái)，再通過(guò)對(duì)感應(yīng)的二次場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和解釋，地下異常的地質(zhì)體就會(huì)完整的浮現(xiàn)出來(lái)，目標(biāo)異常體的電性特征以及空間分布都可以被獲取到?？碧竭^(guò)程中因?yàn)闆](méi)有一次場(chǎng)的前提下觀測(cè)純二次場(chǎng)的相對(duì)異常響應(yīng)，所以可以獲得更加直接、明顯的保真度較高的原始數(shù)據(jù)［8］。

3. 2 技術(shù)思路

根據(jù)瞬變電磁勘探原理，確定的技術(shù)思路如下：

（1）以地質(zhì)任務(wù)、地理、地質(zhì)信息為依據(jù)，分析以往勘探資料及方法技術(shù)存在的問(wèn)題。對(duì)表、淺、深層電性地質(zhì)條件進(jìn)行分析研究，根據(jù)現(xiàn)有資料科學(xué)制定施工方案，使施工方案設(shè)計(jì)合理具有針對(duì)性，并在施工過(guò)程中根據(jù)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析研究，及時(shí)調(diào)整施工方案。

（2）依據(jù)地質(zhì)任務(wù)的要求和電性地質(zhì)條件，有針對(duì)性的進(jìn)行各種采集參數(shù)的論證［9］。

（3）在工區(qū)附近已知地質(zhì)資料區(qū)進(jìn)行各種采集參數(shù)的充分試驗(yàn)，針對(duì)不同的電性地質(zhì)條件下的參數(shù)做采集工作。

（4）切實(shí)做好電性差異地層的調(diào)查工作，為電法數(shù)據(jù)處理及解釋提供準(zhǔn)確的參數(shù)。

（5）貫徹采集、處理、解釋一體化的指導(dǎo)思想，確保地質(zhì)任務(wù)的完成。

利用礦區(qū)已有的測(cè)量控制點(diǎn)作為基礎(chǔ)控制測(cè)量的起算數(shù)據(jù)，坐標(biāo)采用1954年北京坐標(biāo)系統(tǒng)，高程采用1956年黃海高程系，高斯投影，中央經(jīng)線111°。

此次勘探任務(wù)以《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》GB/ T18314—2001做為施工依據(jù)，采用中海達(dá)的V8 GPS RTK系統(tǒng)作為支持［10］。V8 CORS RTK系統(tǒng)是新一代基于CORS技術(shù)的RTK GPS系統(tǒng)，系統(tǒng)采用超長(zhǎng)距離RTK技術(shù)，第三代GPS衛(wèi)星L5信號(hào)接收技術(shù)。系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)量標(biāo)稱精度為平面±（5mm + D×1ppm）；高程：±（10mm + D ×1ppm）。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量標(biāo)稱精度為平面：±（1cm + D×1ppm）；高程：±（3cm + D× 1ppm）。

測(cè)量工作任務(wù)中要求點(diǎn)位誤差小于±0. 4m，高程誤差小于±0. 4m，質(zhì)檢點(diǎn)不少于原始測(cè)點(diǎn)總數(shù)的4%。

3. 3 工作裝置及測(cè)網(wǎng)

1.工作裝置

依據(jù)本次勘探的地質(zhì)任務(wù)及各種TEM裝置的特點(diǎn)，結(jié)合以往類似工作經(jīng)驗(yàn)，擬采用大定源回線裝置，框內(nèi)觀測(cè)方式。該裝置具有勘探深度大、橫向分辨率高的特點(diǎn)［11］。

2.測(cè)網(wǎng)網(wǎng)度

本次瞬變電磁勘探在甲方劃定的約1. 96km2面積內(nèi)擬定測(cè)網(wǎng)為40×20m。

3. 4 布置工作量

1號(hào)勘探區(qū)布置測(cè)線31條，測(cè)點(diǎn)651個(gè)。2號(hào)勘探區(qū)布置測(cè)線29條，測(cè)點(diǎn)1944個(gè)。

全區(qū)共計(jì)布置測(cè)線60條，測(cè)點(diǎn)2595個(gè)，按相關(guān)規(guī)范要求，檢查點(diǎn)不應(yīng)少于總工作量的3%計(jì)算，設(shè)計(jì)檢查點(diǎn)78個(gè)。

4 成果解釋

4. 1 數(shù)據(jù)處理

工作采集的TEM數(shù)據(jù)在處理前，我們首先用專業(yè)預(yù)處理軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理或預(yù)校正，嚴(yán)格判定數(shù)據(jù)質(zhì)量，避免不合格數(shù)據(jù)的影響，然后對(duì)其進(jìn)行整理，轉(zhuǎn)換成專用數(shù)據(jù)處理軟件所匹配的順序以及格式［12］；第二，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波以消除或解除干擾信號(hào)的影響，重新識(shí)別信號(hào)的變化規(guī)律，科學(xué)地突出有用地質(zhì)信息；第三，用軟件計(jì)算得出視電阻率和視深度數(shù)據(jù)［13］；最后，基于本區(qū)地質(zhì)特征，通過(guò)有關(guān)測(cè)量、地質(zhì)以及鉆孔資料做科學(xué)的地形與高程校正處理等過(guò)程，繪制出視電阻率擬斷面圖及相關(guān)圖件（具體流程見(jiàn)圖4）［14］。

4. 2 資料解釋

勘探結(jié)果解釋時(shí)要嚴(yán)格遵循已有原則：通過(guò)已知得到未知、由點(diǎn)及面、先簡(jiǎn)單后復(fù)雜、做到局部到全區(qū)并且兼顧的原則［15］。收集研究區(qū)的地質(zhì)、地球物理資料必須要做到周全并豐富，考慮各種因素對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響要面面俱到，遵守地球物理的科學(xué)定律，分析斷面的參數(shù)和地質(zhì)斷面的聯(lián)系時(shí)要細(xì)致徹底，一切手段符合科學(xué)規(guī)律［16］。

4. 3 成果分析

通過(guò)嚴(yán)格地?cái)?shù)據(jù)解譯發(fā)現(xiàn)僅在西側(cè)地形較低位置發(fā)現(xiàn)了一條低阻帶（圖5），低阻異常區(qū)域最低值達(dá)到90Ω·m。并且分析得出僅在西南角一處小區(qū)塊內(nèi)有滲漏現(xiàn)象，通過(guò)安全評(píng)估檢驗(yàn)認(rèn)定其不影響安全生產(chǎn)。同時(shí)圈定了富水區(qū)和含水區(qū)的位置、范圍和形態(tài)，圈定了區(qū)內(nèi)采空區(qū)范圍。結(jié)果表明，富水區(qū)主要存在于西部地理位置較低處，并且認(rèn)定為地下水和地表水順層侵入。

5 結(jié)論

通過(guò)本次勘探任務(wù)，基本確定了研究區(qū)內(nèi)礦井出現(xiàn)煤壁出現(xiàn)掛汗以及巷道滲水等相關(guān)現(xiàn)象的主要原因?yàn)榈叵滤偷乇硭槍忧秩?，不?huì)對(duì)礦井的正常生產(chǎn)造成危害。另外也圈定了煤層采空區(qū)含水情況以及采空區(qū)地下范圍。瞬變電磁法在本次勘探任務(wù)中起到了巨大的作用，證實(shí)了瞬變電磁法的廣泛運(yùn)用給人類的生產(chǎn)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)利益。此方法可以在確保生產(chǎn)安全的前提下，給生產(chǎn)實(shí)踐提供可行性建議。希望這項(xiàng)技術(shù)在其他方面得到更好的利用和發(fā)展。

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Application of Transient Electromagnetic Method in Mining Goaf about Coal Seam——Taking Nianyan Coal Mine（Liulin，Shanxi）as an Example

Wang Weiming1，Li Yong1，Xiang Lin1，Wang Junru2，Liu Yingqian1，Shao Chongjian1，Li Xiaojun3
（1. Chengdu University of Technology，State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Chengdu 610059；2. Shijiazhuang University of Economics，Shi Jiazhuang 052165；3. Hydrology Geology Bureau，China National Administration of Coal Geology，Handan 056000）

Abstract：There was tunnel seepage phenomenon in the excavation process of in coal tunnel wall of Nianyan coal mine in Liulin，Shanxi. Preliminary estimate was that the goaf had been damaged to some extent，and caused the leakage. To explore in the area of the mining goaf and the water situation in the region，the transient electromagnetic method exploration was used. The V-8 multi-function electrical system，developed by Phoenix Company of Canada，was used in the exploration. Observation data could be interpreted that the majority of high resistivity means no large water leakage. Low resistivity anomaly is partial. Water leakage is in a small area in the southwest，and does not harm the normal production. Some geophysical data can be provided，and will be beneficial for the society and economy.

Keywords：transient electromagnetic method；goaf；resistivity；anomaly；water

中圖分類號(hào)：P618. 110. 8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8047（2016）01-0066-06

收稿日期：2015-07-05

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41372114）

作者簡(jiǎn)介：王偉明（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榕璧胤治雠c成藏動(dòng)力學(xué)。