地面瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)積水調(diào)查中的應用

范曉飛

（山西省煤炭地質(zhì)144勘查院物探公司，山西 臨汾 041600）

1 勘探區(qū)概況

該井田位于山西省鄉(xiāng)寧縣西南邊緣的西坡鎮(zhèn)毛則渠、趙院、要坡底、喬子坡、史家灣、湛泉、鐵尖村、中咀村一帶，行政區(qū)劃屬西坡鎮(zhèn)管轄。井田地處呂梁山脈南端，黃土高原地帶，山區(qū)侵蝕地貌，梁、垣、峁發(fā)育，為溝谷縱橫，地形十分復雜，總的地勢為東北部、西北部高，中部、中南部低，地形最高點為井田北東部山梁上三角點，標高為1094.65 m，地形最低點為井田西南部毛則渠溝谷邊界處，標高為765.00 m，相對高差329.65 m。該地屬中低山區(qū)。

本次勘探區(qū)內(nèi)地面最高點，位于勘探區(qū)40線560點附近，標高978.81 m，地面最低點位于勘探區(qū)中部的溝谷內(nèi)，15線20點附近，標高808.88 m，相對最大高差約170 m。溝谷、梁塬的分布清晰可見。開拓方式為斜井開拓，有主斜井、副斜井及回風斜井三個井口。礦井生產(chǎn)能力為50萬t/a，僅開采山西組2號煤層，煤層埋藏較淺，月平均產(chǎn)量30750 t。區(qū)內(nèi)大部分已采空，采空區(qū)主要分布在井田的西、中、南部。瓦斯、二氧化碳含量低，屬瓦斯礦井，礦井主要涌水為頂板砂巖裂隙水，正常涌水量7 m3/h，最大涌水量15 m3/h[1]。

2 瞬變電磁法的運用

瞬變電磁法又稱時間域電磁法，簡稱TEM，屬于電磁感應類探測方法，遵循電磁感應原理[2]。

2.1 工作方法

山西省煤炭地質(zhì)144勘查院物探公司測量人員優(yōu)先進場開始選點、埋石等控制測量工作。本次測量工作平面坐標采用1980西安坐標系，3°帶高斯投影，中央子午線111°，高程采用1985年國家高程基準。地形圖采用的是甲方提供的1：5000地形地質(zhì)圖。所有物理點均采用RTK動態(tài)實時定位。本次測量采用（RTK）技術作業(yè)，以已知點為基礎建立基準站，流動站以各測線的設計坐標為準，放樣到實地。采用二維測網(wǎng)布設，測網(wǎng)密度為40 m×20 m，即線距40 m，點距20 m，測線沿南北方向布置，由西向東測線編號依次增大。本區(qū)控制面積1.2 km2，瞬變電磁法設計施工網(wǎng)度為40 m×20 m，布設瞬變電磁測線41條，坐標點1353個，質(zhì)量檢查點41個，試驗點30個，總計物理點1424個?？碧絽^(qū)內(nèi)2號煤層埋深為81～286 m，探測目標包括K8砂巖和K2+K3灰?guī)r含水層，本次物探探測深度最淺為40 m左右，最深為330 m左右。

2.2 段試驗過程分析

圖1為TEM9線300～600段試驗收集已知地質(zhì)資料示意圖。從圖中大體可看出460～600段為2號煤層采空區(qū)，300～460段為正常煤層。據(jù)調(diào)查，460～600段采空區(qū)為本礦開采所致，采空區(qū)范圍較準確。試驗位置選取在此目的是為了檢驗瞬變電磁法在采空區(qū)和正常區(qū)的是否存在明顯的電性差異。

圖2為TEM9線300～600號點擬視電阻率等值線斷面圖。圖中橫坐標表示距離，縱坐標表示標高。從圖中大體可看出，淺部盲區(qū)約為40 m左右，埋深在150 m以上擬視電阻率相較低，為二疊系上統(tǒng)地層的電性反映；埋深在150～250 m擬視電阻率相對中等，為煤系地層的電性反映；埋深在300 m以下擬視電阻率隨深度遞增逐漸增大，為奧陶系灰?guī)r的電性反映。圖2中440～600號點之間，2號煤層附近擬視電阻率等值線發(fā)生扭曲變化，擬視電阻率ρτ≤51 Ω·m，擬視電阻率等值線呈下凹趨勢，呈明顯相對低阻異常反映，推斷為2號煤層采空區(qū)。斷面圖較好地反映了地層分布特征，與已知地質(zhì)資料基本吻合。

圖1 TEM9線300～600段試驗收集已知地質(zhì)資料示意圖

圖2 TEM9線300～600段擬視電阻率等值線斷面圖

3 資料分析與解釋

此次勘探成果眾多，筆者特此對TEM2號煤層視電阻率順層切片圖進行分析。圖3為TEM2號煤層擬視電阻率順層切片圖，圖中橙色、黃色、綠色、藍色的過渡表示擬視電阻率由高到低的變化過程。結合前述異常劃分方法和整個測區(qū)內(nèi)2號煤層及附近擬視電阻率情況，統(tǒng)計最小擬視電阻率ρτ為40 Ω·m，最大擬視電阻率ρτ為77 Ω·m，算術平均值為55 Ω·m。標準偏差為6.23，設定52 Ω·m為低阻異常區(qū)的閾值，即為小于該值的區(qū)域為相對低阻異常區(qū)，向異常區(qū)中心方向，擬視電阻率值逐漸降低，異常強度增強，填充顏色也逐漸加深。

如圖3所示，該順層切片圖中共發(fā)現(xiàn)明顯的低阻異常區(qū)4處，編號分別為YC-1、YC-2、YC-3、YC-4。其中，YC-1、YC-4為主要異常區(qū)。各異常區(qū)分析詳述如下：YC-1位于勘探區(qū)西南部，異常范圍中等，異常相對較強；YC-2位于勘探區(qū)南中部，異常范圍較小，此處分布有井下水倉，異常相對中等；YC-3位于勘探區(qū)中東部，異常范圍較大，此處井下分布有多條巷道，異常相對中等；YC-4位于勘探區(qū)西北部，異常范圍較大，異常相對較強。根據(jù)已知地質(zhì)和水文資料可知，該異常區(qū)存在2號煤層已知采空區(qū)，異常反映明顯，低阻圈閉狀等值線形態(tài)與已知采空區(qū)范圍也基本一致。

圖3 TEM2號煤層擬視電阻率順層切片圖

在勘探區(qū)西北部分布有1處相對高阻異常區(qū)，圖中用黑色線框圈定，此處井下分布有多條巷道；在東北部分布有1處相對高阻異常區(qū)，圖中用黑色線框圈定，此處可能為上分層采空導致的異常區(qū)。而2號煤層位于山西組中下部，煤層厚度3.55～8.65 m，平均厚度為6.53 m，北部較厚，南部較薄。煤層頂板大部分為粉砂巖、泥巖，其老頂為一層中－細粒砂巖。底板大部分為粉砂巖和泥巖，個別孔為細粒砂巖。因此，2號煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。

4 結論

作為一項相對應用廣泛的技術，瞬變電磁法具有快速、簡便、測距大、對水敏感、定向性好等優(yōu)勢[3]。它已成為礦井物探技術的重要手段，解決了礦井不明水害威脅影響生產(chǎn)的問題，增強了探測的準確性[4]。本次地面電法勘探完成了合同要求的采集任務和工程量。筆者以為，對物探確定的積水區(qū)和富水區(qū)進行驗證和探放時，建議加強采掘前的水文監(jiān)測和礦井物探工作，地面、井下相結合的綜合物探手段是解決相對復雜地質(zhì)問題的更好選擇。