昊興塬煤業(yè)地面瞬變電磁法探測(cè)采空區(qū)及積水區(qū)應(yīng)用研究

李 璐

（晉能集團(tuán)臨汾有限公司，山西 臨汾 041000）

1 地面瞬變電磁法勘探技術(shù)

地面瞬變電磁法，是利用大定源中心回線向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間利用接地電極觀測(cè)地下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場(chǎng)，從而探測(cè)介質(zhì)電阻率的一種方法。

2 昊興塬煤業(yè)地面物探工程

2.1 礦井情況

昊興塬煤業(yè)有限公司位于蒲縣東北25km的喬家灣鄉(xiāng)南峪村東，行政區(qū)劃屬喬家灣鄉(xiāng)管轄。井田位于呂梁山脈東麓，為侵蝕中山地貌，山西組和太原組為本井田主要含煤地層。山西組主采2號(hào)煤層，煤層平均厚度1.64m，厚度變化較大，總體呈北東厚，南西??；太原組主采9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)煤層，平均厚度分別為1.06m、0.97m、2.64m，9號(hào)煤層和10號(hào)煤層為全井田大部可采煤層，11號(hào)煤層為全井田穩(wěn)定可采煤層。

全井田共分為兩個(gè)開采水平，第一水平布置在山西組2號(hào)煤層，水平標(biāo)高為+1150m；第二水平準(zhǔn)備布置在太原組11號(hào)煤層，水平標(biāo)高為+1075m，9、10、11號(hào)煤層聯(lián)合布置。目前，昊興塬煤業(yè)生產(chǎn)水平為第一水平，第二水平延伸正在進(jìn)行開拓系統(tǒng)建設(shè)。

通過利用地面物探的手段查明昊興塬煤業(yè)全井田范圍區(qū)域內(nèi)采空區(qū)、采空積水區(qū)、頂板富水異常區(qū)的分布狀況，準(zhǔn)確掌握井田內(nèi)富水情況，以此保障礦井兩個(gè)開采水平的安全生產(chǎn)和建設(shè)。

2.2 測(cè)區(qū)基本地質(zhì)概況

昊興塬煤業(yè)井田范圍內(nèi)溝谷縱橫，梁嶺綿延，地形比較復(fù)雜。井田總體地勢(shì)為中西部高，北部、西南部低。測(cè)區(qū)位于井田的中部，測(cè)區(qū)內(nèi)地形最高點(diǎn)標(biāo)高為1506.0m，最低點(diǎn)標(biāo)高為1240.0m，相對(duì)高差為266.0m。井田內(nèi)賦存地層由老到新依次有：奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)、二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1x)、二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)、第四系(Q)。井田東部展布南北向山梁為地表分水嶺，大小溝谷分別向東西兩側(cè)呈樹枝狀展布，其中較大溝谷有北部的劉家山溝、北中部的石河溝和南部的社凹溝，在劉家山溝、石河溝有人工排水溝渠；井田內(nèi)大氣降水均匯入上述三條溝谷中，一般徑流數(shù)十米至百余米即滲入地表以下，雨季排泄洪水。

2.3 探測(cè)方法

此次昊興塬煤業(yè)地面瞬變電磁勘探采用的是美國(guó)ZONGE公司研發(fā)的GDP-32Ⅱ電法工作站，選用GGT-10發(fā)射機(jī)進(jìn)行供電，工作裝置為大定源中心回線，在回線內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)。該方法具有勘探深度大、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)。工作測(cè)網(wǎng)布置為：線距40m，點(diǎn)距20m，測(cè)線方向東西向垂直于地層走向，共布設(shè)勘探線48條，坐標(biāo)點(diǎn)1949個(gè)，試驗(yàn)點(diǎn)60個(gè)，質(zhì)量檢查點(diǎn)80個(gè)，合計(jì)2089個(gè)瞬變電磁法物理點(diǎn)。

2.4 探測(cè)成果資料解釋

通過對(duì)勘探區(qū)內(nèi)探測(cè)成果資料各測(cè)線視電阻率斷面圖和2號(hào)煤層及11號(hào)煤層視電阻率順層切片圖異常區(qū)域進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合礦井現(xiàn)有地質(zhì)資料成果進(jìn)行對(duì)比，以此確定采空區(qū)及采區(qū)積水區(qū)的分布規(guī)律和分布范圍。

2.4.1 斷面圖分析

以圖1西區(qū)25線視電阻率斷面圖為例，圖中橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)號(hào)，縱坐標(biāo)為高程，該測(cè)線位于測(cè)區(qū)西區(qū)中部，由東向西布置，測(cè)線總長(zhǎng)為880m，測(cè)點(diǎn)距為20m，共45個(gè)測(cè)點(diǎn)。圖中的水平方向黑線表示2號(hào)煤層和11號(hào)煤層，圖中右側(cè)電阻率標(biāo)注（視電阻率320～20Ω·m）過渡表示視電阻率值由高到低的變化過程。

斷面圖縱向上反映視電阻率由淺到深的變化情況，基本呈由低到高的電性特征。圖1中右上角視電阻率值為0～40Ω·m的低阻為第四系地層及基巖風(fēng)化帶的反應(yīng)，圖1右部區(qū)域視電阻率值為40～80Ω·m的阻值為二疊系砂泥巖互層的反映，圖1中部區(qū)域視電阻率值為80～140Ω·m的阻值為煤系地層的電阻率反應(yīng)，圖1左下部區(qū)域視電阻率值為140～320Ω·m的阻值，視電阻率呈梯級(jí)增高，等值線較為緊密，為奧陶系頂界地層的反應(yīng)。

橫向上看，整個(gè)剖面上視電阻率等值線均勻，在920～1060m和1200～1480m樁號(hào)之間2號(hào)煤層層位存在兩處局部相對(duì)低阻異常。其中920～1060m樁號(hào)之間的低阻異常與該礦2007年的采空區(qū)位置對(duì)應(yīng)，1200～1480m樁號(hào)之間的局部低阻異常位于西回風(fēng)大巷的北側(cè)，沒有煤層開采活動(dòng)。根據(jù)礦井掘進(jìn)揭露的情況，該區(qū)域2號(hào)煤層頂板富水性較好，推斷1200～1480m樁號(hào)之間為2號(hào)煤層頂板富水區(qū)。

圖1 西區(qū)25線視電阻率斷面圖

2.4.2 山西組2號(hào)煤層順層切片圖分析

山西組2號(hào)煤層視電阻率順層切片圖分析（圖2所示），2號(hào)煤層厚度變化大，總體呈北東厚，南西薄，全井田穩(wěn)定大部可采煤層。2號(hào)煤層在井田的南部、北部及西南邊界進(jìn)行了開采，存在較大面積的采空區(qū)。上距K8砂巖頂板11.29m左右，因煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，故易接受上部地層水的下滲補(bǔ)給。根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，采空區(qū)未積水時(shí)，視電阻率等值線表現(xiàn)為高阻閉合、半閉合圈；采空區(qū)積水時(shí)，視電阻率等值線表現(xiàn)為低阻閉合、半閉合圈。依據(jù)上述地質(zhì)及水文地質(zhì)資料以及視電阻率等值線的扭曲、密集、變形的形態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)。

2號(hào)煤層視電阻率順層切片圖中反映了該測(cè)區(qū)2號(hào)煤層視電阻率異常電性分布特征。本層的視電阻率值在40Ω·m～360Ω·m，平均視電阻率值為112.9Ω·m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為48.5。參考上述劃分異常的標(biāo)準(zhǔn)，即小于80.62Ω·m的區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)低阻異常區(qū)，大于129.13Ω·m的區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)高阻異常區(qū)，但從本次物探資料與實(shí)際地質(zhì)調(diào)查情況看，綜合分析采用大于160Ω·m的標(biāo)準(zhǔn)比較合適本區(qū)。

從圖2看，視電阻率值相對(duì)高阻和低阻區(qū)在全區(qū)域均有分布。圖2東北部箭頭所指區(qū)域?yàn)閮商幍妥璁惓^(qū)，圖2左部和右部箭頭所指區(qū)域?yàn)槿幐咦璁惓^(qū)，按照上述的高阻、低阻劃分原則，本區(qū)共劃分低阻異常2個(gè)，高阻異常3個(gè)。

2.5 探測(cè)成果分析

根據(jù)全井田地面物探成果，同時(shí)結(jié)合礦井實(shí)際采掘揭露情況對(duì)勘探區(qū)域進(jìn)行解釋。通過分析得出：山西組2號(hào)煤層物探解釋成果為圈定采空區(qū)5處、采空積水區(qū)7處、頂板富水區(qū)3處（圖3所示）；太原組9+10+11號(hào)煤層物探解釋成果為圈定頂板富水異常區(qū)3處（圖4所示）。深色陰影箭頭所指區(qū)域表示推斷采空積水區(qū)，較淺色陰影箭頭所指區(qū)域表示推斷采空區(qū)，淺色陰影箭頭所指區(qū)域表示推斷頂板富水區(qū)。

圖2 山西組2號(hào)煤層視電阻率順層切片圖

2.5.1 山西組2號(hào)煤層物探解釋成果

山西組2號(hào)煤層物探解釋成果（圖3所示），圈定采空區(qū)5處，總面積為2307300m2，位于探測(cè)區(qū)域的西南部及東部箭頭所指區(qū)域；圈定采空積水區(qū)7處，總面積為257634m2，位于探測(cè)區(qū)域圈定采空區(qū)內(nèi)部箭頭所指區(qū)域；圈定頂板富水異常區(qū)3處，總面積為601180m2，位于探測(cè)區(qū)域的東北部箭頭所指區(qū)域。

2.5.2 太原組9+10+11號(hào)煤層物探解釋成果

太原組9+10+11號(hào)煤層物探解釋成果（圖4所示），圈定頂板富水異常區(qū)3處，總面積為341830m2。頂板富水異常區(qū)1：位于工業(yè)廣場(chǎng)西部區(qū)域，面積為71251m2；頂板富水異常區(qū)2：位于工業(yè)廣場(chǎng)北部區(qū)域，面積為48961m2；頂板富水異常區(qū)3：位于工業(yè)廣場(chǎng)南部區(qū)域，面積為221618m2。

3 結(jié) 語

本次勘探采用地面瞬變電磁勘探對(duì)昊興塬煤業(yè)全井田進(jìn)行了探測(cè)。地面瞬變電磁探測(cè)方法通過對(duì)視電阻率斷面圖和視電阻率順層切片圖成果資料進(jìn)行了綜合解釋分析，可以更準(zhǔn)確地劃定出2號(hào)煤層和9+10+11煤層采空區(qū)、采空積水區(qū)和頂板富水異常區(qū)分布情況。但由于地面瞬變電磁探測(cè)技術(shù)存在局限性，一些規(guī)模較小的采空積水區(qū)不足以產(chǎn)生足夠的異常信息，在解釋過程中可能會(huì)有遺漏。所以通過充分結(jié)合實(shí)際采掘活動(dòng)，對(duì)此次物探成果進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究，讓地面物探起到有效的指導(dǎo)作用，以保障全井田煤礦的安全開采。

圖3 2號(hào)煤層物探成果圖

圖4 9+10+11號(hào)煤層物探成果圖