T-R 綜合物探技術探測煤礦采空積水區應用研究

王國強

（榆林市榆神煤炭榆樹灣煤礦有限公司，陜西 榆林 719000）

1 引言

由于早期煤礦開采技術及管理制度缺陷，我國部分煤礦中存在大量分布不明的采空積水區[1-3]，嚴重影響煤礦生產安全。因此，準確探測煤礦采空區并及時采取防治措施對保證煤礦的安全性十分重要。現有成果多是基于鉆探技術或單獨某種物探技術探測礦區采空區的存在，存在經濟成本高、探測結果不準確等問題[4-5]。因此，引入新型綜合物探技術并精確探測煤礦采空積水區的位置十分重要。

2 T-R 綜合物探技術

2.1 TEM 法

瞬變電磁法（TEM）是通過不接地回線或接地線源往地下發射脈沖電磁場，并在一次脈沖電磁場間歇期內再次利用不接地線圈或接地電極探測二次渦流場的探測方法（圖1）。TEM 法具有定向性好、全方位探測、探測距離大和探測分辨率高等特殊優勢。通過測量斷電后各個時間段內二次場隨時間變化趨勢，可以獲得不同深度的地電特征。

圖1 TEM 法原理圖

2.2 RWP 法

無線電磁波探測法（RWP）的基本工作原理（圖2）是地下各種巖、礦石特別是斷層及采空區等對電磁波能量吸收程度不同，因此可以判別地下地層基本情況。通過研究采區煤層、地質構造及巖體斷層等對電磁波的影響及其造成的無線電波透視異常現象，可以進行一定的地質推斷和解釋。

圖2 無線電波透視探測原理示意圖

2.3 T-R 綜合物探技術

T-R 綜合物探技術采用大定源TEM 一維正演計算偏離發射回線中心不同位置測點的瞬變電磁響應，再以大定源TEM 一維正演理論為基礎反演計算非中心點數據，計算結果準確還原了模型的電性特征。進一步對RWP 頻率進行優化，通過結合目標層埋深加密對應埋深范圍內的頻點，提高了RWP對淺埋地質體的分辨能力。該技術可以消除TEM法中偏離距帶來的早期信號偏差，還原模型的真實電阻率；同時響應優化頻率的RWP 采集更豐富的淺部地層信息，實現對淺埋地質體的精準探測。

3 工程應用分析

3.1 礦區地球物理特征

根據本次井下電法勘探實測成果，結合2008年完成的20102 工作面地電影像反演成果及鉆孔揭露地層資料分析，本區地層電性特征見表1。由表1 可知，本區煤層電阻率明顯高于頂板砂巖，煤層電阻率大于150 Ω·m，頂板延安組砂巖的電阻率為40～150 Ω·m，含水砂巖的電阻率明顯低，一般小于56 Ω·m；直羅組砂巖的電阻率為20～40 Ω·m，含水砂巖的電阻率明顯低，一般小于23 Ω·m。可見煤層、砂巖、含水砂巖電阻率有明顯的電性差異。

表1 地層巖性電性特征表

3.2 測試設備和測點布置

TEM 探測法采用國產YCS-111 型瞬變電磁儀，該儀器的發射電流小于5 A，發射電壓在20～30 V之間，共有160 個測道，采樣間隔為2μs，最小接收信號1uv，具有抗干擾能力強、輕便易攜和自動化程度高等優點。RWP 探測工作采用WKT-E 型無線電波坑道透視儀，該設備共有4 個頻點，根據工作面的實際情況，采用88 kHz。

采用上述探測設備展開該區域的采空區探測，T-R 綜合物探技術測點布置如圖3。其中，TEM 測試線有兩條，分別為TEM-1 和TEM-11 線，兩條TEM 線的長度為1000 m，每條測線上分布有50 個測點，每個測點間距約20 m。RWP 測試線僅有一條，測線長度為600 m，測線上共布置有20 個測點，每個測點間距為30 m。TEM 測線和RWP 測線之間的夾角為45°。

圖3 T-R 綜合物探技術測點分布圖

3.3 測試結果分析

圖4 為TEM-1 線和RWP-1 線上不同測點測試所得數據變化圖。由圖4（a）可知，測點的歸一化電壓隨時間逐漸衰減，且衰減迅速，在8 ms 探測時間內，測點的歸一化電壓從3000 μV/A 降到0.1 μV/A 以下。歸一化電壓隨時間的衰減速率越來越慢，二者之間呈負指數函數關系。8 號測點的電壓始終高于40 號測點，這表明8 號測點的電壓衰減速率較慢，因此可見其為相對低阻點。由圖4（b）可知，測點的視電阻率隨頻率增大而呈線性增大的變化趨勢。2 號測點的電阻率在2000～6000 Hz 范圍內較低而在500～1000 Hz 范圍內較高，根據RWP法測試原理可知在地下埋深100～150 m 處含有煤層。

基于TEM-RWP 綜合物探技術得到TEM-1 線、TEM-11 線和RWP-1 線的視電阻率成像如圖5、圖6。由圖可知，橫斷面整體呈左邊電阻低、右邊電阻高的變化趨勢，這與地區煤礦煤層的走勢相一致；縱斷面上左右電阻呈近似對稱分布狀態，且成像圖可以明顯反映出煤層的分布形態。在TEM-1 線上6～14 號測點覆蓋區間范圍內為已知采空區，其在視電阻率成像圖上表現出低阻影響，因此可以推測該區域已經有積水賦存。同時，在TEM-11 線上的1～16 測點間也存在某個低電阻異常區，再結合RWP 視電阻率成像結果可知（圖6），RWP-1 線上1～6 測點間的低電阻異常區反應的是圖5 中的已知采空積水區，而相對應的14～20 號測點之間的低電阻異常區則有可能是未知的采空積水區。因此，根據T-R 綜合物探技術得到的檢測結果，在TEM-11線的6 號測點處設置一個鉆深為175 m 的鉆孔（穿透未知低電阻異常區），根據鉆孔探測結果發現，該低電阻異常區為采空積水區。因此可見，T-R 綜合物探技術能夠有效探測發現煤礦的采空區。

圖4 T-R 技術不同測點測試所得數據變化圖

圖5 TEM 線測點視電阻成像圖

圖6 RWP 線測點視電阻成像圖

4 結論

為準確定位淺層煤礦中存在的采空積水區，保證煤礦生產安全，基于現有技術提出了一種新型T-R綜合物探技術，并依托榆樹灣煤礦開采工程，展開了現場探測以驗證該技術的可行性。研究主要結論如下：

（1）新型T-R 綜合物探技術能夠綜合發揮TEM 法和RWP 法的優點，具有探測精度高、探測速度快等優勢。

（2）榆樹灣煤礦綜合物探探測區域橫斷面整體呈左邊電阻低、右邊電阻高的變化趨勢，這與地區煤礦煤層的走勢相一致；縱斷面上左右電阻呈近似對稱分布狀態，且成像圖可以明顯反映出煤層的分布形態。

（3）T-R 綜合物探技術探測結果發現該區域存在兩個低電阻異常區，其中一個為已知采空積水區，另一個通過鉆探確定亦為采空積水區，可見T-R 綜合物探技術能夠有效探測發現煤礦的采空區。