瞬變電磁技術在探測上莊煤礦3 號煤富水區的應用

張 亮

（山西潞安環能上莊煤業有限公司，山西 長治 046000）

1 概 況

煤礦開采是國家能源結構中重要的一環，煤礦安全生產是制約煤炭產量的重要因素。山西省煤炭資源豐富，開采時間長，早期開采遺留的采空區積水、開采過程中的誘導裂隙等，為后期立體開采煤炭資源帶來了重要安全隱患。因此，在煤礦開采過程中，探清可采煤層富水性特征，對煤礦安全生產至關重要。瞬變電磁技術在煤礦富水性勘測過程中扮演了重要角色，利用瞬變電磁技術對上莊煤礦3號煤富水區進行探測。

2 可行性分析

為證實瞬變電磁技術在上莊煤礦3 號煤富水區的可行性，綜合考慮到淺表層、深層地電條件及已知資料，選擇在已知區域（采空區或鉆孔附近） 進行試驗，以實際的地層電性分布情況驗證試驗參數的準確性。

全區選擇了1 個試驗點位，位于測區中部，ZK3503 號鉆孔附近L1140 線的960～1 140 點，試驗段位于山梁上，無干擾源。鉆孔位置地面標高1 057.015 m，3 號煤底板標高763.57 m。

根據已知鉆孔，揭露3 號煤底板標高為760 m，奧灰頂界標高為620 m。由圖1 分析可知，試驗段電性反映特征明顯，層位清晰，各地層視電阻率由淺至深呈中阻—低阻—中阻—高阻的反映，符合區域地層的電性參數反映特征，表明瞬變電磁技術在測區富水性分析可行。

圖1 試驗段視電阻率綜合剖面Fig.1 Comprehensive section of apparent resistivity of the test section

根據視電阻率及鉆孔資料等進行分析對比，確定了對低阻異常區的劃分原則，即3 號煤層采空區積水為ρs≤260 Ω·m、K8 砂巖含水層ρs≤250 Ω·m。

3 技術應用

上莊煤礦位于沁水煤田東緣，可采煤層為山西組的3 號煤層及太原組的9、15 號煤層，其中3 號煤層厚1.26～3.40 m，平均2.16 m，為較穩定可采煤層，且在井田范圍內已被大面積開采，采空區積水給下伏煤層開采帶來了生產隱患。

3.1 資料處理

儀器采用加拿大Geonics 公司生產的ProTEM67P瞬變電磁儀。處理軟件包使用ProTEM67 電法儀的配套反演處理軟件包。具體數據處理步驟：①濾波，采集過程中通常會有背景干擾，通過濾波過程，去除無效數據；②時深轉換，采集得到的二次場電位是在時間域的變化，與常規地質剖面難以對比，因此通過時深轉換實現二次場電位在深度域的變化；③繪制參數圖件，采集得到的為二維空間的剖面，可表征沿測線電性隨深度的變化，而富水區的規模需要平面分布來表征，因此通過測線測點電阻率插值，繪制參數平面圖件。

3.2 資料解釋

解釋過程遵循以下方法步驟：①參考各條測線感應電壓多測道曲線，分析高壓線影響范圍，為資料解釋提供參考依據；②從測區實際地質規律出發，對比已落實的地質異常特征，分析地質異常的視電阻特征，對目標層系順層視電阻率切片分析，分析地質異常平面展布特征。

3.3 成果分析

3.3.1 視電阻率剖面特征

L900 測線位于勘探區中部，視電阻率擬斷面圖（圖2） 上，3 號煤層底板附近的視電阻率等值線明顯呈波浪起伏的形態，視電阻率值隨深度增加逐漸增大，反映了測線下方煤系地層及基底的電性特征。擬斷面圖上在測線的180～220 號點，標高810—830 m 視電阻率值逐漸減小形成了一個低阻區域（ρs≤250 Ω·m）；在測線的720～800 號點，標高800—830 m 視電阻率值逐漸減小形成了一個低阻區域（ρs≤250 Ω·m），綜合分析推斷該異常區為3 號煤層上覆K8 砂巖含水層富水異常區。

圖2 L900 線視電阻率擬斷面Fig.2 Apparent resistivity quasi section of L900 line

L980 線視電阻率擬斷面圖（圖3） 上，在測線280～400 號點，標高810—840 m 視電阻率值逐漸減小形成了一個低阻區域（3 號煤層ρs≤260 Ω·m，此處為已知采空區），為采空積水區；在測線的680～800 號點，標高810—840 m 視電阻率值明顯變低形成了一個低阻區域（ρs≤250 Ω·m），綜合分析推斷該異常區為3 號煤層上覆K8 砂巖含水層富水異常區。

圖3 L980 線視電阻率擬斷面Fig.3 Apparent resistivity quasi section of L980 line

3.3.2 視電阻率平面特征

對于煤層來說，完整的煤層應呈中高電阻率值反映，當有采空充水時電阻率值會降低，在順層切片圖上表現為低阻封閉圈。沿3 號煤層底板等高線對3號煤層做視電阻率順層切片，圖4 反映了3 號煤層視電阻率分布特征，分布范圍為100～600 Ω·m。

圖4 3 號煤層視電阻率順層切片Fig.4 Bedding section of apparent resistivity of No.3 coal seam

總體來說，測區西北部和東南部呈現出中—高阻的特征，視電阻率值分布范圍為300～500 Ω·m，圖中虛線條圈出的區域在順層切片圖上表現為低阻封閉圈，呈現出低阻異常特征，視電阻率值為100～260 Ω·m，在所圈定的低阻異常區中，有部分區域是受高壓線和村莊影響所造成的。

3.3.3 號煤富水區特征

基于瞬變電磁勘探資料，解釋了上莊煤礦內3號煤8 個富水區，共計面積0.165 9 km2，其中3 m-2、3 m-6、3 m-7 推斷為采空積水區，3 m-1、3 m-3、3 m-4、3 m-5、3 m-8 推斷為疑似采空積水區，詳見表1。

表1 3 號煤層采空積水區控制情況Table 1 Control of goaf water area in No.3 coal seam

4 結 語

瞬變電磁解釋的3 號煤層富水區與實際采空區吻合度較高，證實了該技術在礦區富水性探測的適用性。但電法勘探中的相對富水概念，不等同于水文地質中的富水程度劃分標準，實際應用時還要結合實際水文資料及水文鉆探成果，通過多種方法手段驗證解釋成果的有效性，提高瞬變電磁技術在預測礦井水方面的準確性。電法勘探存在一定的多解性，在巷道掘進過程中，尤其是電法解釋富水異常部位，應加強井下超前探測工作，實現安全生產。