基于瞬變電磁法在晉牛煤礦采空區(qū)積水的探測應(yīng)用

李 高 鵬

（太原煤炭氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司地質(zhì)測量部，山西 太原 030006）

0 引 言

大規(guī)模、高強(qiáng)度的礦產(chǎn)資源的開采在帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對(duì)環(huán)境造成的破壞也日益凸現(xiàn)。到目前為止，幾乎全國各地都存在因煤炭資源的開采而引發(fā)的眾多礦山地質(zhì)環(huán)境問題，這些問題在造成大量的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡的同時(shí)，還嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。煤礦采空區(qū)積水問題是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要問題之一，由于前期小煤窯的亂采亂挖，導(dǎo)致煤礦在兼并重組后，不能準(zhǔn)確的判斷采空區(qū)分布及積水情況，因此，采用瞬變電磁法對(duì)采空區(qū)積水分布狀態(tài)進(jìn)行研究，就成為當(dāng)前礦山地質(zhì)環(huán)境治理的首要任務(wù)[2,3]。

1 工程概況

晉牛煤礦為2009 年兼并重組整合礦井，井田屬于霍西煤田，位于山西臨汾市西部。井田內(nèi)小煤窯主要分布在2 號(hào)、9+10+11 號(hào)煤層露頭線一帶，沿煤層露頭分布。2 號(hào)煤層小煤窯36 處，9+10+11 號(hào)煤層小煤窯12 處。井田內(nèi)2 號(hào)煤層?xùn)|部和東南部區(qū)域已開采完畢，目前開采9+10+11 號(hào)煤層為厚煤層，厚4～9m，采用放頂煤采煤方法開采。

本次勘查區(qū)為井田東部，面積共計(jì)約1.38km2，針對(duì)勘查區(qū)內(nèi)老窯、小窯2#及9+10+11#采空區(qū)積水情況進(jìn)行探測?？碧椒秶c礦區(qū)相對(duì)位置見圖1。需針對(duì)礦井下部采空區(qū)積水情況進(jìn)行探測，以便采取合理的探放水方案，保證礦井安全生產(chǎn)。

圖1 勘探范圍與礦區(qū)相對(duì)位置圖

2 瞬變電磁法工作原理及參數(shù)

2.1 工作原理

不同巖性具有不同的導(dǎo)電性能，泥巖電阻值較低，依次增高的有粉砂巖、中粗砂巖等，灰?guī)r在致密完整時(shí)，電阻率相對(duì)較高，如其中存在大量裂隙，并充水、巖溶存在，會(huì)發(fā)生明顯的電性差異。當(dāng)下部處于未采區(qū)時(shí)，電阻率相對(duì)顯示是巖性電阻率，當(dāng)下部是采空區(qū)且積水時(shí)，由于水的良好導(dǎo)電性，采空區(qū)積水處電阻率明顯增高，這是瞬變電磁法進(jìn)行采空區(qū)及積水范圍探測的前提。

2.2 設(shè)備儀器及工作參數(shù)確定

本次瞬變電磁法施工選用的試驗(yàn)儀器為西安煤科院生產(chǎn)的TEM-6 型大功率瞬變電磁儀。野外數(shù)據(jù)采集使用5m×5m 的單匝方形發(fā)送回線、接收使用中心探頭（T50- 等效面積為100m2）裝置進(jìn)行，供電瞬間脈沖電流可達(dá)1500A，保證勘探深度及深部數(shù)據(jù)的信噪比。

根據(jù)具體地質(zhì)條件及工程經(jīng)驗(yàn)，為了滿足本區(qū)勘探目的，最終參數(shù)定為：

3 采空區(qū)積水探測

3.1 瞬變電磁法測點(diǎn)布置

線、測點(diǎn)的布置，以“由南向北、由西向東”的順序統(tǒng)一布署，測線號(hào)從南到北由小到大編設(shè)，測點(diǎn)號(hào)從東到西由小到大編設(shè)，線距40m，點(diǎn)距20m，勘查區(qū)面積1.38km2，設(shè)計(jì)測線共計(jì)28 條，共設(shè)計(jì)測點(diǎn)1 855個(gè)，實(shí)際完成測點(diǎn)1 785 個(gè)。在進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集之前，進(jìn)行了充分試驗(yàn)工作，包括單點(diǎn)試驗(yàn)和有效性線試驗(yàn)。

經(jīng)限差統(tǒng)計(jì)計(jì)算后，按勘查區(qū)91 個(gè)檢查點(diǎn)，1～45 道進(jìn)行計(jì)算，檢測總的相對(duì)均方誤差為±5.88%，符合技術(shù)規(guī)范中不超過±15%的要求。按上述評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，勘查區(qū)1 785 個(gè)物理點(diǎn)中甲級(jí)品1 482 個(gè)，占物理點(diǎn)總數(shù)的83%；乙級(jí)品303 個(gè)，占物理點(diǎn)總數(shù)的17%，無廢棄點(diǎn)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

瞬變電磁儀器首先在野外測得歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢值△V（t）/I，每個(gè)觀測點(diǎn)測得：采樣時(shí)間、發(fā)射電流、窗口寬度、歸一化感應(yīng)二次場、轉(zhuǎn)換得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。將測得合格數(shù)據(jù)收集進(jìn)行處理分析，采用專用軟件轉(zhuǎn)換得到ρt（視電阻率）和ht（視深度）等參數(shù)，再根據(jù)地形高程信息可以獲得等值線圖，然后采用ρt（視電阻率）和ht（視深度）可以構(gòu)制沿測點(diǎn)和測線的視祖率ρs 擬斷面圖和綜合切片圖，及可以在圖上直觀的分析沿測線斷面的視祖率及電性分布特征。

3.3 數(shù)據(jù)成果分析

3.3.1 擬斷面圖異常特征。

在ρs 擬斷面圖上，可以直觀的看出地層巖性電阻率的變化，當(dāng)下部為未采區(qū)時(shí)，電阻率呈現(xiàn)變化穩(wěn)定狀態(tài)，等值線呈層狀分布，變化平緩。當(dāng)下部存在采空區(qū)時(shí)，視祖率增大，采空區(qū)積水時(shí)，視祖率降低，等值線發(fā)生扭曲變形，可以直觀確定出視祖率變化的空間賦存情況。

整個(gè)測區(qū)電阻率值由西向東基本均勻變化，在垂向上，測區(qū)地層視電阻率由淺到深呈相對(duì)高阻—低阻—高阻的變化特征，在各條測線上都得到了明顯的反映。

斷面圖上，電性層位表現(xiàn)比較明顯。依據(jù)本次數(shù)據(jù)反演模型，淺地表，以黃土層為主，平均視電阻率值在40Ω·m 左右，局部礫石層有所增大，最大達(dá)80Ω·m；其下是石炭系含煤地層，以砂巖、泥巖、灰?guī)r及其互層為主，視電阻率值增高，平均在120Ω·m；其中，根據(jù)試驗(yàn)線數(shù)據(jù)采空積水區(qū)視電阻率值小于60Ω·m（或表現(xiàn)為同層明顯的低值閉合或半閉合圈）；再往下是以灰?guī)r為主的奧陶系地層，視電阻率一般＞150Ω·m。當(dāng)然，在煤層埋深變化明顯或有構(gòu)造分布的測區(qū)，視電阻率變化規(guī)律會(huì)略有差異，且視電阻率為接收到的電壓信號(hào)的反演值，與真實(shí)地層電阻率也會(huì)有區(qū)別，進(jìn)行分析應(yīng)充分考慮該情況。需要特別說明的是，瞬變電磁法本身存在淺層觀測“盲區(qū)”，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及本次觀測參數(shù)粗略估算，本次觀測盲區(qū)約30m。由于本次勘探工作目的層2#、9+10+11#號(hào)煤層埋藏較淺，露頭附近煤層處于觀測盲區(qū)內(nèi)。

下面以1 線、9 線、23 線典型特征視電阻率斷面進(jìn)行分析。

圖2 1 線視電阻率擬斷面圖

1 線視電阻率斷面圖如圖2 所示，圖中黑色虛線為9+10+11#煤層底板等高線，在9+10+11#煤層底板等高線附近36～42#測點(diǎn)（700m～820m）、50～53#測點(diǎn)（980～1 040m）處視電阻率相對(duì)較低，均小于60Ω·m，推斷為9+10+11#煤層頂板K2 灰?guī)r裂隙發(fā)育富水異常。

圖3 9 線視電阻率擬斷面圖

9 線視電阻率斷面圖如圖3 所示，圖中黑色虛線為9+10+11#煤層底板等高線，在9+10+11#煤層底板等高線附近視電阻率均在60Ω·m 以上，故此測線無明顯低阻異常。

圖4 23 線視電阻率擬斷面圖

23 線視電阻率斷面圖如圖4 所示，圖中黑色虛線為9+10+11#煤層底板等高線，在9+10+11#煤層底板等高線附近13～27#測點(diǎn)（240～520m）、77～81#測點(diǎn)（1520～1600m）處視電阻率相對(duì)較低，均小于60Ω·m，推斷為9+10+11#煤層頂板K2 灰?guī)r裂隙發(fā)育富水異常。

3.3.2 平面圖反應(yīng)特征

在煤層視電阻率異常平面圖上，若層位分布穩(wěn)定、無采空區(qū)等的影響下，電性分布穩(wěn)定，或沿煤層或構(gòu)造方向均勻變化，視祖率分布穩(wěn)定，等值線平緩、均勻；如存在采空區(qū)及采空區(qū)積水時(shí)，在平面圖上則體現(xiàn)為高阻及低阻異常區(qū)，視祖率突增及突減，等值線不均勻變化。

在2#煤層視電阻率平面圖為測區(qū)內(nèi)煤層視電阻率順層切片等值線圖，反映了煤層的電性分布特征。從圖5 上看，測區(qū)內(nèi)視電阻率整體均勻變化，局部高低阻形成閉合區(qū)域，整個(gè)勘探區(qū)共呈現(xiàn)2 處低阻異常區(qū)域，分別為J2-1、J2-2 低阻異常區(qū)，由于此兩處異常埋深較淺，故推斷為風(fēng)氧化帶所致。

在9+10+11# 煤層視電阻率平面圖為測區(qū)內(nèi)煤層視電阻率順層切片等值線圖，反映了煤層的電性分布特征。從圖上看，測區(qū)內(nèi)視電阻率整體均勻變化，局部高低阻形成閉合區(qū)域，整個(gè)勘探區(qū)共呈現(xiàn)5 處低阻異常區(qū)域，分別為J10-1、J10-2、J10-3、J10-4、J10-5號(hào)低阻異常區(qū)，推斷為9+10+11#煤層采空積水區(qū)或者頂板K2 灰?guī)r裂隙發(fā)育富水異常。

圖5 2#煤視電阻率順層切片圖

圖6 9+10+11#煤視電阻率順層切片圖

4 結(jié) 論

圖7 勘探成果圖

通過參考晉牛煤礦已知采空區(qū)試驗(yàn)成果，根據(jù)對(duì)各條測線瞬變電磁視電阻率平面圖的綜合解釋推斷，并結(jié)合地質(zhì)上最有可能形成積水的一般地質(zhì)規(guī)律與礦區(qū)的水文地質(zhì)條件對(duì)全區(qū)異常進(jìn)行了劃分，共圈定了2 處2# 煤層低阻異常（推斷為風(fēng)氧化帶）、5 處9+10+11#煤層處低阻異常（其中J10-1、J10-5 推斷為9+10+11#煤層采空積水區(qū)；J10-2、J10-3、J10-4 推斷為9+10+11#煤層頂板K2 灰?guī)r裂隙發(fā)育富水異常），共計(jì)面積231 020m2，如圖7 所示。此次采空區(qū)積水范圍的確定為下一步環(huán)境治理及礦井工作面安全回采提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。