地面電法勘探在多層煤采空區積水探測中的應用

劉 洋

（大同煤礦集團有限責任公司煤峪口礦，山西 大同 037003）

透水事故是制約煤礦安全生產的重要因素，含有多層可采煤層的礦區，由于上覆煤層開采時間長，采空區易產生大量積水，在開采下部煤層時易引發突水事故，因此需要提前對含水區域、含水水量進行探測，從而制定科學合理的疏排水措施[1-4]。

1 工程概況

煤峪口礦位于大同煤田的南西部，井田內煤層采空區遍布，地面沉降、地裂縫和地面塌陷多數還處于未穩定狀態。井田內含煤19層，總厚21.99m，含煤系數9.42%。可采或局部可采煤層共9層，自上而下依次是3號、4號、8號、9號、10號、11號、12號、14-2號和15號煤層，可采煤層平均總厚17.69m。采307盤區8701、8703工作面3#、9#、11#、12#及14#層物探范圍總面積1.1km2。

2 地面勘查

2.1 工作量

本次勘查面積1.1km2，測線、測點的布置以“由西向東、由南向北”的原則布署，點距20m，線距20m，瞬變電磁法設計測線36條，測點2662個，實際完成測線36條，測點26個，丟點34個，檢查點80個，共計完成測點2708個，其中甲級2438個，甲級率90.42%，乙級270個，乙級率9.58%。直流激電測深點完成3個。

2.2 質量評價

本次瞬變電磁共施工檢查點80個，占全區觀測物理點總數的3.1%，其平均相對誤差為5.4%，總均方相對誤差為5.9%。依據規程要求的質量驗收標準，全區工作質量合格，甲＋乙級率100%，達到規程規范的質量要求。直流激電測深法的觀測質量甲＋乙級率＞95%，達到規程規范的質量要求，全區工作質量合格，無廢品。

3 探測數據分析

3.1 瞬變電磁法分析

（1）典型測線分析解釋

單條測線的分析解釋包括瞬變電磁多測道電壓剖面與擬視電阻率斷面圖。 通過各測點垂直方向電性變化情況和不同深度水平方向電性變化情況，對采空區積水進行探測，典型測線進行分析。

圖1 10測線多測道電壓及擬視電阻率剖面圖

10測線多測道電壓剖面圖和擬視電阻率斷面圖見圖1所示。由圖1（a）可見，中、晚期測道曲線平直，無明顯的高值異常。由圖1（b）可見，虛線從上至下依次為3#、9#、11#、12#及14#煤層底板等高線，在各煤層底板等高線處，無明顯的低阻異常，結合調查的地質資料綜合分析，推斷該測線無明顯采空區積水的反映。

27測線多測道電壓剖面圖和擬視電阻率斷面圖見圖2所示。由圖2（a）可見，中晚期測道曲線在13～49#點出現明顯的高值異常，異常幅度較大。圖2（b）可見，虛線從上至下依次為3#、9#、11#、12#及14#煤層底板等高線，11#、12#、14#煤層底板等高線處，14～46#點阻值明顯偏低，異常幅度較大，結合調查的地質資料綜合分析，推斷13～49#點的高電壓、低電阻異常為采空區積水的反映。

（2）典型平面圖的分析解釋

根據勘查區煤層的埋深情況，繪制了20測道、24測道、28測道、30測道、32測道的等電壓值平面圖及3#、9#、11#煤層順層等視電阻率平面圖（由于11#、12#、14#煤層層間距較近，故當一層分析）。

圖2 27測線多測道電壓及擬視電阻率剖面圖

A.等值電壓

圖3（a）可見，20測道測區內主要有1處范圍較大的高電壓值異常區（虛線圈定），位于27～30測線的35～75#點，范圍較大，表現為電壓值較高，異常幅度較大，異常區內無鐵磁物質、高壓線等干擾，分析解釋為采空區積水的反映。圖3（b）可見，30測道測區內主要有2處范圍較大的高電壓值異常區（虛線圈定），Ⅰ號高值異常區與20測道等電壓值平面圖相似，只是Ⅱ號高值異常區比較突出。各測道在Ⅰ號異常區所反映的高值異常基本一致，只是Ⅱ號高值異常區在20、24測道并無反映，28、30、32測道反映明顯且基本一致，說明Ⅱ高值異常區是深部積水區的反映。

B.等視電阻率

圖4（a）可見，9#煤層順層視電阻率等值線數值整體上差異較大，變化范圍在50～110Ω·m之間。出現1處相對低阻異常，阻值在40～50Ω·m之間，其中右側的低阻異常與28測道電壓平面圖的Ⅰ號高值異常區域吻合較好，分析為9#煤層的采空區積水；圖4（b）可見，12#煤層順層視電阻率圖中等值線數值整體上差異較小，變化范圍在60～120Ω·m之間。出現2處相對低阻異常，阻值在40～60Ω·m左右，其中右側的低阻異常與32測道電壓平面圖的Ⅰ、Ⅱ高值異常區域吻合較好，分析為12#煤層的采空區積水。各平面在Ⅰ號異常區所反映的高值異常基本一致，Ⅱ異常區在11#、12#、14#煤層切片圖中反映較為明顯。

圖3 各測道等電壓值平面圖

圖4 順層等視電阻率平面圖

3.2 激發極化法分析

根據瞬變電磁法圈定的高電壓異常區，在Ⅰ號高電壓異常區的29～63#點和34～63#點輔助性布置了激電測深工作，進一步確定瞬變電磁圈定的異常區性質和深度。

（1）29～63#點

圖5 29～63#點直流激電分析圖

從圖5（a）ρs單支曲線看出，曲線類型為H型，AB/2=3m至24m的低阻段為覆蓋層和風化帶的反映，AB/2=24m至300m曲線呈直線由低到高變化，為煤系地層的反映。從圖5（b）ηs單支曲線看出，中、淺部ηs值整體上較低，基本上在1%以下變化，說明該段地層富水性較差；在AB/2=150m至360m曲線出現高值異常，ηs值最大可達2.4%左右，說明此段富水性強，解釋該段為中強含水層。

（2）34～63#點

圖6 34～63#點直流激電分析圖

從圖6（a）ρs單支曲線看出，曲線類型為KH型，AB/2=3m至18m的低阻段為覆蓋層和風化帶的反映，AB/2=18m至360m曲線呈直線由低到高變化，為煤系地層的反映。從圖6（b）ηs單支曲線看出，ηs值整體上較低，基本上在1.3%以下變化，說明該處地層富水性較差，解釋該處無采空區積水。

4 采空區積水估算

采空區積水量估算采用公式：

式中：

Q-采空區積水量，m3；

S-采空區投影面積，m2；

M-煤層平均厚度，m；

K-充水系數，0.3。

井田內3號煤層厚度0～3.02m，平均厚度1.94m；9號煤層煤層厚度0～2.15m，平均0.99m；11號煤層厚度1.15～10.44m，平均4.29；12號煤層厚0～5.16m，平均厚2.47m，含夾矸0～3層；14號煤層厚0～4.77m，平均2.11m。充水系數取0.3，具體預測情況見表1。

5 結 語

（1）采用地面瞬變電磁法對各個測線的擬視電阻率斷面圖以及各煤層的順層切片平面圖進行解釋分析，并在其高壓異常區輔助性布置激電測深工作，進一步確定瞬變電磁圈定的異常區性質和深度，查明了各煤層采空區的積水情況，可有效指導礦井生產安排。

（2）煤峪口礦307盤區8701、8703工作面3#、9#、11#、12#及14#層在勘查區內穩定可采，綜合分析勘查區內主要采空積水區有8處，積水區面積總計139760m2，預計積水量為99473m3。

表1 各煤層采空積水量預測表