昊興塬煤業(yè)地面瞬變電磁法探測采空區(qū)及積水區(qū)應用研究

李 璐

（晉能集團臨汾有限公司，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，在一次脈沖磁場間歇期間利用接地電極觀測地下介質(zhì)中引起的二次感應渦流場，從而探測介質(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號煤層，煤層平均厚度1.64m，厚度變化較大，總體呈北東厚，南西?。惶M主采9號、10號、11號煤層，平均厚度分別為1.06m、0.97m、2.64m，9號煤層和10號煤層為全井田大部可采煤層，11號煤層為全井田穩(wěn)定可采煤層。

全井田共分為兩個開采水平，第一水平布置在山西組2號煤層，水平標高為+1150m；第二水平準備布置在太原組11號煤層，水平標高為+1075m，9、10、11號煤層聯(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行開拓系統(tǒng)建設。

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，準確掌握井田內(nèi)富水情況，以此保障礦井兩個開采水平的安全生產(chǎn)和建設。

2.2 測區(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，地形比較復雜。井田總體地勢為中西部高，北部、西南部低。測區(qū)位于井田的中部，測區(qū)內(nèi)地形最高點標高為1506.0m，最低點標高為1240.0m，相對高差為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 探測方法

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

2.4 探測成果資料解釋

通過對勘探區(qū)內(nèi)探測成果資料各測線視電阻率斷面圖和2號煤層及11號煤層視電阻率順層切片圖異常區(qū)域進行分析，同時結(jié)合礦井現(xiàn)有地質(zhì)資料成果進行對比，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，圖中橫坐標為測點號，縱坐標為高程，該測線位于測區(qū)西區(qū)中部，由東向西布置，測線總長為880m，測點距為20m，共45個測點。圖中的水平方向黑線表示2號煤層和11號煤層，圖中右側(cè)電阻率標注（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化帶的反應，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，圖1左下部區(qū)域視電阻率值為140～320Ω·m的阻值，視電阻率呈梯級增高，等值線較為緊密，為奧陶系頂界地層的反應。

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

圖1 西區(qū)25線視電阻率斷面圖

2.4.2 山西組2號煤層順層切片圖分析

山西組2號煤層視電阻率順層切片圖分析（圖2所示），2號煤層厚度變化大，總體呈北東厚，南西薄，全井田穩(wěn)定大部可采煤層。2號煤層在井田的南部、北部及西南邊界進行了開采，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給。根據(jù)以往工作經(jīng)驗，采空區(qū)未積水時，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，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)為標準。

2號煤層視電阻率順層切片圖中反映了該測區(qū)2號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，標準偏差為48.5。參考上述劃分異常的標準，即小于80.62Ω·m的區(qū)域為相對低阻異常區(qū)，大于129.13Ω·m的區(qū)域為相對高阻異常區(qū)，但從本次物探資料與實際地質(zhì)調(diào)查情況看，綜合分析采用大于160Ω·m的標準比較合適本區(qū)。

從圖2看，視電阻率值相對高阻和低阻區(qū)在全區(qū)域均有分布。圖2東北部箭頭所指區(qū)域為兩處低阻異常區(qū)，圖2左部和右部箭頭所指區(qū)域為三處高阻異常區(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，高阻異常3個。

2.5 探測成果分析

根據(jù)全井田地面物探成果，同時結(jié)合礦井實際采掘揭露情況對勘探區(qū)域進行解釋。通過分析得出：山西組2號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號煤層視電阻率順層切片圖

2.5.1 山西組2號煤層物探解釋成果

山西組2號煤層物探解釋成果（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，位于探測區(qū)域的東北部箭頭所指區(qū)域。

2.5.2 太原組9+10+11號煤層物探解釋成果

太原組9+10+11號煤層物探解釋成果（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昊興塬煤業(yè)全井田進行了探測。地面瞬變電磁探測方法通過對視電阻率斷面圖和視電阻率順層切片圖成果資料進行了綜合解釋分析，可以更準確地劃定出2號煤層和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有遺漏。所以通過充分結(jié)合實際采掘活動，對此次物探成果進行進一步的分析研究，讓地面物探起到有效的指導作用，以保障全井田煤礦的安全開采。

圖3 2號煤層物探成果圖

圖4 9+10+11號煤層物探成果圖