綜合電法勘探在山西東南部煤田采空積水區(qū)中的應(yīng)用

溫建亮，張胤彬

（山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院，山西晉中 030600）

綜合電法勘探在山西東南部煤田采空積水區(qū)中的應(yīng)用

溫建亮，張胤彬

（山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院，山西晉中 030600）

以山西東南部某大型煤礦為例，采用瞬變電磁和直流電法對該礦采空積水區(qū)進(jìn)行探查，通過對已知采空區(qū)視電阻率特征的分析，確定了該區(qū)二種方法的解釋原則，及高低阻異常的閾值。并以采區(qū)100線對數(shù)據(jù)資料進(jìn)行對比分析，以驗(yàn)證二種勘探方法的解釋結(jié)果的一致性。依據(jù)測區(qū)瞬變電磁三維數(shù)據(jù)體切出的3煤視電阻率平面圖，圈定了3煤采空積水區(qū)的范圍。經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，D異常區(qū)為3煤采空積水區(qū)。

煤田采空積水區(qū)；瞬變電磁法；直流電法；綜合勘探

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭行業(yè)在過去的幾十年得到了飛速發(fā)展。隨之而來的是由煤礦開采引發(fā)的煤礦安全問題和煤礦地質(zhì)災(zāi)害問題。目前煤田地質(zhì)災(zāi)害主要是由煤田采空（積水）區(qū)和塌陷區(qū)引起的。煤田采空積水區(qū)的探查是一個復(fù)雜的問題，當(dāng)前主要通過地球物理勘探來探查采空積水區(qū)的位置和影響范圍。

晉東南某煤礦是該區(qū)較大的煤礦，多年的開采及周邊小窯的偷采盜采使其礦區(qū)范圍內(nèi)存在多個采空區(qū)。為探明某采區(qū)內(nèi)采空（積水）區(qū)的分布，受礦方委托對該采區(qū)進(jìn)行地球物理勘查。

1 采空區(qū)地質(zhì)概況

工區(qū)位于晉東南太行山南麓以西，沁水盆地南緣。地貌形態(tài)屬剝蝕、侵蝕山地，以低中山—丘陵為主，溝谷發(fā)育，地形較為破碎。井田主要煤系為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，平均厚136.02 m。井田煤系共含煤15層，其中3、15號為全區(qū)可采煤層，9號為大部可采煤層，其余為不可采煤層，其中主要目的層3號煤層埋深46.68～544.656 m，煤層由東南向西北傾斜。勘探區(qū)位于井田東區(qū)南部，較復(fù)雜的地形給測線布設(shè)帶來相當(dāng)大的困難，而且給地形校正增加了難度。

本測區(qū)地層由第四系、二疊系、石炭系及奧陶系組成。測區(qū)內(nèi)各地層存在明顯的電性差異，地層橫向沉積相對穩(wěn)定，電性差異應(yīng)較小。但同一地層隨富水程度不同，若存在采空區(qū)，則其電性將會存在較大差異，電阻率發(fā)生較大變化。這一電性特征是電法勘測地質(zhì)異常體的前提。

針對采空積水區(qū)的電性特征，本次采用瞬變電磁法和直流電法進(jìn)行勘探。

2 瞬變電磁法

基于測區(qū)的地質(zhì)與地球物理特征，針對本次勘探的地質(zhì)任務(wù)，瞬變電磁法測網(wǎng)密度采用20 m×20 m。

根據(jù)地質(zhì)任務(wù)，本次瞬變電磁法所使用的瞬變電磁施工裝置為中心回線裝置，作業(yè)儀器為美國Zonge公司生產(chǎn)的GDP-32II型電法工作站。經(jīng)施工前試驗(yàn)，確定主要施工參數(shù)如下：

發(fā)射線框邊長，600m×600m；

發(fā)射基頻，8Hz；

發(fā)射電流，18A；

采樣延時，280μs。

為了獲得更好的處理效果，首先，結(jié)合野外填寫的班報對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，對明顯非地質(zhì)體引起的異常個點(diǎn)進(jìn)行校正和剔除、對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。

然后，將整理后的電磁數(shù)據(jù)（V（t）-t），按照瞬變電磁中心回線裝置晚期視電阻率定義公式（1）進(jìn)行處理，并結(jié)合搜集的地質(zhì)資料、測點(diǎn)高程對視深度進(jìn)行校正，形成以點(diǎn)、線號、標(biāo)高、視電阻率組成的基本成圖文件和三維數(shù)據(jù)體。

式中：μ0——真空中的磁導(dǎo)率；

s——接收線圈的面積；

S——發(fā)射線圈的等效面積；

n——接收線圈的匝數(shù)；

N——發(fā)射線圈的匝數(shù)；

t——二次場衰減時間；

V/I——接收到的歸一化的感應(yīng)電壓。

最后，利用成圖軟件繪制視電阻率斷面圖和主要目的層的視電阻率順層切片圖。

考慮到電法勘探成圖所用的“電阻率”為視電阻率，是地下介質(zhì)的綜合反映，并非真實(shí)的電阻率。因此所計(jì)算出來的視電阻率實(shí)際受測區(qū)地質(zhì)狀況、儀器設(shè)備以及勘探方法的綜合影響，是一定條件下的相對值。為對勘探區(qū)的瞬變電磁成果進(jìn)行解釋，需要在本區(qū)內(nèi)已知采空積水區(qū)進(jìn)行前期同等條件的試驗(yàn)，通過已知采空區(qū)視電阻率斷面圖的反應(yīng)與實(shí)際地質(zhì)體賦存狀況的對比，來確定本區(qū)異常的閾值，以此作為瞬變電磁法異常解釋的參考。

資料解釋中遵循由已知到未知、從點(diǎn)到面、從簡單到復(fù)雜的原則，堅(jiān)持定性分析—定量計(jì)算反復(fù)進(jìn)行的過程，將電性成果轉(zhuǎn)化為地質(zhì)成果。

圖1為勘探區(qū)內(nèi)某已知采空積水區(qū)的視電阻率斷面圖，根據(jù)礦方提供的資料，在2680～3 180點(diǎn)處為三號煤層的采空積水區(qū)，視電阻率斷面圖中，點(diǎn)2680～3280區(qū)，700 m深的地方存在明顯低阻區(qū)，與實(shí)際3號煤層采空積水區(qū)基本相符。根據(jù)視電阻率斷面圖低阻區(qū)域與實(shí)際采空積水區(qū)的對比，確定本區(qū)采空積水區(qū)的視電阻率閾值為35～45 Ω·m。

圖1 已知采空區(qū)瞬變電磁視電阻率斷面圖Figure 1 Known gob area TEM apparent resistivity section

圖2為瞬變電磁100測線視電阻率斷面圖，受關(guān)斷時間和延時的影響圖中在表層存在約120 m的勘探盲區(qū)。以視電阻率35～45 Ω·m為界，圖中標(biāo)高580～760 m處、點(diǎn)1080-點(diǎn)1460所圈定的區(qū)域有明顯低阻異常，結(jié)合礦方資料，該低阻異常位于3號煤層底板等高線上方，推斷可能為3號煤層采空積水區(qū)產(chǎn)生的低阻異常。

圖2 瞬變電磁100線視電阻率斷面圖Figure 2 TEM line No.100 apparent resistivity section

3 直流電法的應(yīng)用

瞬變電磁法基本上圈定了低阻異常區(qū)的范圍，為消除電磁礦區(qū)內(nèi)工頻電磁干擾，并對采空積水區(qū)的深度進(jìn)行校驗(yàn)，應(yīng)礦方要求對部分顯示低阻的測線進(jìn)行直流電法補(bǔ)充勘探。所用裝置為對稱四級裝置。直流電法測線布置線與瞬變電磁測線重合。

根據(jù)瞬變電磁異常成果及直流電測深施工試驗(yàn)，本區(qū)采用的直流電測深施工參數(shù)如下：

施工裝置，對稱四極；

供電電壓，96～960 V；

供電周期，15 s；

最大供電極距，2000 m；

最大接收極距，200 m。

圖3為直流電法100線視電阻率斷面圖。受地形影響，地表高程較高的區(qū)域，視電阻率顯示為低阻假異常。在標(biāo)高580～760 m處、點(diǎn)1060～1460所圈定的區(qū)域有明顯低阻異常，與瞬變電磁法所顯示的橫向區(qū)域基本一致。

圖3 直流電法100線視電阻率斷面圖Figure 3 DC electric method line No.100 apparent resistivity section

將整個測區(qū)校正后單條測線數(shù)據(jù)進(jìn)行整合得到全測區(qū)瞬變電磁三維數(shù)據(jù)體，根據(jù)地質(zhì)任務(wù)要求，可以切出任意方向或埋深的瞬變電磁視電阻率平面圖。圖4為3號煤層瞬變電磁擬視電阻率等值線平面圖。圖中分別劃分出了標(biāo)號為A、B、C、D、E、F、G 7塊主要低阻異常區(qū)，推測可能為采空積水區(qū)。

3.4 鉆孔驗(yàn)證

應(yīng)礦方要求對3號煤層異常區(qū)域D區(qū)進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，，在深度為322～328.26 m出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象，同時鉆井液全部漏失，并能聽到井內(nèi)流水聲，視為3號煤采空區(qū)。并提取了底板巖樣和相應(yīng)層位的水樣，進(jìn)行了水質(zhì)全分析。依據(jù)采空區(qū)積水水質(zhì)類型特征，以及本礦已知的3煤采空積水水質(zhì)分析報告，進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)對比分析，本次水樣的pH值為7.95，符合本礦3號煤采空區(qū)積水的水質(zhì)特征，因此推斷本次打鉆提取的水樣應(yīng)為3煤采空區(qū)積水。

圖4 采區(qū)3號煤層瞬變電磁視電阻率平面圖Figure 4 Winning district coal No.3 TEM apparent resistivity plan

4 結(jié)論

（1）煤田采空區(qū)往往伴隨著坑道或圍巖富水區(qū)的水體回灌，使得煤田采空在地球物理上表現(xiàn)為低阻異常特征。電法勘探是基于地下介質(zhì)的電性特征開展的地球物理勘探方法，通過在本測區(qū)煤田展開的電法勘探表明，瞬變電磁法和直流電法能較為有效地識別采空積水區(qū)引起的低阻異常，從而推斷地下采空區(qū)的分布情況。

（2）瞬變電磁法對低阻反應(yīng)敏感，受地形影響小，方法簡便便于施工，但在淺部存在勘探盲區(qū)，導(dǎo)致無法對淺部第四系介質(zhì)的分布進(jìn)行有效勘探。通常在斷面圖上為白化盲區(qū)。

（3）直流電法可以對瞬變電磁法進(jìn)行有效的補(bǔ)充，該方法受工頻干擾較小，其不存在勘探盲區(qū)。

（4）單種地球物理勘探方法有自身技術(shù)的局限性，瞬變電磁與直流電法的相互補(bǔ)充有利于發(fā)揮各自方法的優(yōu)勢，從而提高解釋精度。

[1]溫建亮.瞬變電磁法勘探在煤層采空積水區(qū)的應(yīng)用[J].中國煤炭地質(zhì)，2010，5.

[2]楊鏡明，魏周政，高曉偉.高密度電阻率法和瞬變電磁法在煤田采空區(qū)勘查及注漿檢測中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2014，29（1）.

[3]李有能.綜合物探方法在東都煤田采空區(qū)中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報，2011，03:358-361.

[4]郄衛(wèi)東.瞬變電磁法在探測煤礦采空區(qū)及塌陷區(qū)中的應(yīng)用[J].物探與化探，2012，S1:92-95.

[5]陳衛(wèi)營，薛國強(qiáng).瞬變電磁法多裝置探測技術(shù)在煤礦采空區(qū)調(diào)查中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2013，05:2709-2717.

[6]韓自強(qiáng)，羅姣，劉濤，等.定源回線瞬變電磁法在煤礦富水區(qū)調(diào)查中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2015，04:1705-1711.

[7]薛國強(qiáng)，宋建平，李貅.用瞬變電磁法識別地下電性分界面[J].煤田地質(zhì)與勘探，2003，05:49-5.

Application of Integrated Electric Prospecting on Gob Ponding Area in Southeastern Shanxi Province

Wen Jianliang,Zhang Yinbin
(Shanxi Provincial Coal Geological Exploration,Geophysical Prospecting,Surveying and Mapping Institute,Jinzhong,Shanxi 030600)

In a case study of a large coalmine in southeastern Shanxi,the TEM and DC electric method have been used to detect gob ponding area.Through known gob area apparent resistivity features analysis,has determined interpretation principle of the two methods,as well as high and low resistivity anomalous thresholds.Taking the data of line No.100 in winning district carried out comparative analysis,to verify interpretation results consistency from the two methods.According to prospecting area TEM 3D data volume sliced coal No.3 apparent resistivity plan,delineated coal No.3 gob ponding extent.After drilling verification has determined the anomalous region D is coal No.3 gob ponding area.

coalfield gob ponding area;TEM;DC electric method;integrated prospecting

P631.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.02.16

1674-1803(2017)02-0073-03

溫建亮（1978—），男，山西大同人，工程師，主要從事地球物理勘探與煤田地質(zhì)災(zāi)害探查。

2016-12-13

責(zé)任編輯：孫常長