瞬變電磁法在煤礦采空區探測中的應用

曹麗珠

（同煤集團晉華宮礦地質科，山西 大同 037016）

1 概述

晉華宮煤礦位于大同煤田東北部，生產大部分為優質煤，硫分和灰分低，發熱量多在6 400 大卡，生產規模核定為3.5 Mt/a，是全國重要的煤炭生產基地。 晉華宮煤礦建于1956年，研究區內3 號煤層下距9 號煤層43.54～62.72 m， 平均51.33 m，煤層厚4.62～6.19 m，平均為5.56 m。礦井采用立井開拓方式，運輸大巷采用木柱支護方式，經過多年開采，礦區部分已經采空。 采空區使地表出現塌陷及地層斷裂引發地表積水，影響地面建筑安全。 基于此，晉華宮煤礦成立專業采空區治理小組，應用瞬變電磁勘探法對采空區進行探測，圈定采空區位置、范圍及積水情況，通過形成高阻的斷面圖，繪制采空區平面圖，為采空區填充提供條件。

2 瞬變電磁勘探原理

瞬變電磁法勘探的探測原理是以不同地質組成結構的電性標志不同，依靠專業監測儀器測量不同深度地質層的導電性，將信號通過數據分析得出可識別的物理數據，繪制不同深度的二次電位剖面圖和視電阻率剖面圖，結合地質水文資料，完成地質探測，反應真實的巖層結構組成，見圖1。

圖1 瞬變電磁法勘探橫向視電阻率分層

項目組還對3#煤層所處地層區間的地質組成結構進行了研究， 根據鉆孔取樣研究結果顯示：3#煤層底部層賦存完整性和分層性較為理想，巖層基底的奧陶系和石灰系與煤層的電阻率能夠很好的區分，相互間能夠形成區分明顯的電性標志層。 另外，采空區上覆巖層還有以下特點：①上覆巖層下部坍塌：在采空區形成后，上覆巖層支撐力消失，在重力作用下，巖層坍塌，堆積在采空區底部，巖層的導水系數改變，為瞬變電磁勘探法的應用提供了條件；②上覆中部巖層裂隙：上覆巖層裂隙的形成與坍塌的形成原理相同，只是在巖層間形成了較大的裂縫，對上覆巖層的穩定性也是不利的；上覆巖層上部彎曲：主要是由于自生重力或者地表壓力形成的非破壞性巖層變形， 巖層彎曲的規律性較明顯，不同的地質結構擁有不同的電性標志。 晉華宮煤礦采空區的形成主要包含兩種方式：一種是采用長臂式開采模式形成的采空區，該類采空區最大的特點是大部分已經發生坍塌，采空區內部大體積空間較少，多為坍塌碎石，因此采空區上部巖層密度低，具有離層裂隙發育的特征；另一種是采用房柱式或者條柱式開采模式形成的采空區，該類采空區存在預留煤柱，大體積空腔特征明顯。 采空區大空間和積水的電性標志更加容易區分。

3 晉華宮3#煤層采空區勘探

1）數據采集及處理

項目組成員根據探測礦區的地質情況，選用美國進口GDPS-42 型電法儀進行電法模型建立，相關技術參數見表1。

表1 瞬變電磁儀技術參數

圖2 探測礦區視電阻率單枝曲線

野外探測兩人應用電法儀等設備進行原始數據的采集， 重點探測不同深度的視電阻率數據，將采集的數據全部提交實驗室進行數據處理。 實驗室通過數據軟件將電法儀采集到的數據轉化為能夠識別的視電阻率電性參數。 在信號轉化數據完成后，對數據點進行篩選，識別受到外界無關因素影響的異常數據，進行剔除處理，并繪制成視電阻率單枝曲線，見圖2。 對探測數據通過TEM Pro 軟件進行二次電位插值處理及分層分析，再次對低阻屏蔽利用差值法進行刪減，數據篩選等，最大程度減少異常數據的采用，繪制探測區視電阻率斷面，見圖3。

圖3 探測礦區瞬變電磁視電阻率斷面

采空區的積水情況可以通過視電阻的值反應，積水區、采空區與巖層的電性是不同的：根據晉華宮探測區巖層覆蓋情況，積水區表現出低電阻異常特性，而采空區則表現出高電阻異常特性，巖層電阻則在二者之間。 項目組還采用三維地震勘探法進行采空區輔助探測，根據探測礦區瞬變電磁就視電阻曲線斷面圖及地震波的吸收、散射性質，判斷繪制出3#煤層采空區視電阻率斷面，見圖4。

圖4 晉華宮3#煤層采空區視電阻率斷面

項目組對三維地震勘探野外采集的數據參數做了科學處理， 形成了CDP 網格5 m×5 m×1 ms 的三維地震數據體，依據數據體繪制所有圖件，見圖5。

圖5 數據體綜合顯示

2）3#煤層采空區探測結果

通過瞬變電磁法對3#煤層做了不同電磁采樣道，即不同地質深度的數據、視電阻率斷面圖，抽取各深度的視電阻率值， 結合同層視電阻率斷面圖，合成順層平面圖及三維視電阻率斷面圖，最終結合礦區地質水文資料，圈定3#煤層采空區、積水區位置和深度。 圖6（上）為瞬變電磁法繪制的二次電位多采樣道剖面圖。 通過該圖可以看出，在17—23 號之間的采樣道點位的二次電位值振幅較為異常，且二次電位值相對較高，而該采樣道視電阻率斷面反應出的是低電阻異常，這一電性特征符合采空區積水區特點， 可以判斷該區域為采空積水區， 見圖6（下）。

圖6 晉華宮3#煤層多采樣道二次電位及視電阻剖面

對不同采樣道形成的電性剖面圖進行合成，將瞬變電磁勘探法探測出的采空區及積水區異常區域，與晉華宮3#煤層底板等高線圖相結合， 最終繪制成煤層采空區及采空積水異常區平面，見圖7。根據圖6可以看出，采空區位于陷落柱與主斷層之間，內存三處積水區，面積約占采空區總面積的4/5。

圖7 晉華宮3#煤層采空區平面

4 結語

項目組應用瞬變電磁探測法，輔以三維地震勘探法，對3#煤層不同深度的二次電位及視電阻率進行了探測計算，并選擇科學數據處理系統實現信號數據轉化與處理，形成了各斷面圖，結合探測區地質水文資料，最終繪制出了較為完整的探測區采空區平面圖， 完成了3#煤層采空區定位探測目標，為采空區治理提供了科學依據。