官地煤礦北三采區綜合物探技術應用研究

張 瑜

(西山煤電(集團)有限責任公司 官地煤礦，山西 太原 030022)

官地煤礦周邊經多年小煤窯開采，采掘、積水情況不清。現小煤窯大多已關閉，隨著時間的推移其積水會越來越多，給礦井的安全生產帶來水害隱患。因此，必須綜合采用瞬變電磁試驗、高密度電法試驗、二維地震試驗和測氡法試驗等物探方法，并對各種物探方法所獲數據進行檢查評價，結合礦井相關的地質、鉆探資料，對原始數據進行精細處理，從而獲得準確的物探參數綜合成果，為礦井防治水工作提供具有針對性的基礎資料，進而保證礦井的正常安全生產[1-2]。

1 北三采區基本情況

官地煤礦采用平硐斜井聯合開拓方式，分南、北、中3條石門延伸條帶式布置工作面，主要采用走向長壁后退式全部跨落綜合機械化采煤法，綜合機械化開采工藝，全部垮落法管理頂板。礦井主采山西組中部2號煤層，上距1號煤約7 m，煤厚0.85～4.16 m，平均2.72 m，屬中厚煤層，頂板多為砂質泥巖、泥巖，底板為細砂巖、砂質泥巖，礦井主要充水因素是太原組、山西組裂隙含水層對礦井充水和大氣降水經塌陷裂隙直接滲入。太原組、山西組含水層性質為裂隙、溶隙含水層、補給水源小，屬簡單類型；地表塌陷變形后大氣降水沿地表裂隙滲入采空區，形成采空區積水、小窯破壞區積水。礦井水文地質類型為中等型。

北三采區位于九院溝、神底溝兩側，北石崖及其東北部區域，面積3.59 km2。采區地表屬中山區，地勢西高東低，最小高程1 082.96 m，最大高程1 449.21 m，最大落差366.25 m，地形復雜,切割劇烈。地表黃土主要分布于山頂及緩坡地帶，山脊及陡坡處巖石裸露，風化剝蝕作用強烈。地表植被較為發育，多被灌木覆蓋。溝谷山梁間僅有羊腸小道通行，井田內村莊稀少。測區內10條高壓線縱橫交錯，對野外施工影響較大。據地質資料顯示，北三采區分布的采空區有本礦采空區和小煤窯采空區兩種。本礦采空區為2號煤層，小煤窯采空區分布于采區的中部、東部，小煤窯多采用巷道采掘的方式。

2 物探技術試驗

2.1 試驗儀器及工作裝置

瞬變電磁法選用加拿大鳳凰公司生產的V8多功能電法儀，采用大定源內回線裝置和重疊回線裝置進行試驗；測氡法選用太原理工大學生產的TYHC-1活性炭能譜氡氣測量儀；直流電法儀器選用DUK-2A高密度電法儀，工作裝置采用溫納裝置；二維地震采用Summit多道遙測數字地震儀器[3]。

2.2 試驗點、試驗段選擇

瞬變電磁試驗點選擇在測區內人文干擾較小，揭露地層最全的已知鉆孔附近，在煤層埋藏較深的官37鉆孔和較淺的官19鉆孔附近進行孔旁試驗；孔旁試驗后，在J1線進行采空區試驗段試驗。測氡法試驗線物理點40個，位于勘探區西南部；高密度試驗線位于北石崖溝底；二維地震在有代表性區域布設試驗點(J1)和3條試驗線(S1、S2和S3)。具體布置，見圖1。

圖1 北三采區試驗點及試驗段布置示意

2.3 試驗方法

1) 瞬變電磁試驗：試驗選擇電流范圍為20～40 A，定于J1線處進行采空區試驗，對施工參數作進一步試驗，如果采空區較正常地層有明顯電性差異，說明所選擇的施工參數合理，可進行正常施工。

2) 高密度電法試驗：采用溫納裝置跨過已知采空區和正常地層，采用1 200 m的線長進行試驗[4]。

3) 二維地震試驗：在區內有代表性的地段布設試驗點，且使其在區內分布均勻，為了及時驗證試驗點確定參數的合理性，在區內典型地段布置3條試驗線[5]。

4) 測氡法試驗：測氡法選擇1條跨過正常地層和已知采空區的測線作為試驗線。通過試驗了解采空區的氡異常，為后續資料解釋工作提供依據。

2.4 試驗結果

1) 瞬變電磁法結論。①儀器穩定性：V8多功能電法儀穩定性良好，精度符合規范要求，可以用于該次電法勘探施工。②施工裝置及參數：經試驗確定瞬變電磁法采用重疊回線裝置，施工參數如下：發射頻率用25 Hz配5 Hz雙頻；2 m×2 m線圈15匝發射；1.8 m×1.8 m線圈15匝接收。③采空區探測效果：在J1試驗線，試驗結果與已知資料基本吻合，證明所選參數合理有效，可以滿足地質任務的要求。

2) 高密度電法及二維地震結論：反映均不明顯，無法滿足地質任務要求。

3) 測氡法結論：試驗線對采空區反映明顯，采空區的氡值異常下限為500個計數/3 min。

綜上所述，為了保證探測結果精度，查明采區內主采2號煤層的采空異常區及采空積水異常區分布范圍，文章綜合選擇瞬變電磁法和測氡法對北三采區進行綜合探測。

3 物探技術應用

3.1 測網布置及工作量

1) 瞬變電磁法工作量：該次瞬變電磁法勘探設計測線方向為NW向，點距20 m，線距50 m(即網度20 m×50 m)，布設試驗點198個，瞬變電磁測線94條，坐標點3 884個；檢測點121個，另外預留5%的機動工作量，機動工作量測點221個，總物理點4 424個。實際完成試驗點198個，瞬變電磁測線94條，坐標點3 884個，檢測點143個，機動工作量224個，總物理點4 449個。

2) 測氡法工作量：設計試驗點40個，坐標點1 066個，檢測點26個，總計物理點1 132個。實際完成試驗點80個，坐標點1 064個，檢測點26個，總物理點1 170個。

3.2 勘探成果分析

3.2.1 瞬變電磁法

圖2為試驗線歸一化二次電位剖面圖和視電阻率斷面圖。從圖2可以看出：

圖2 試驗線瞬變電磁法成果

1) 0～6.5號點二次電位相對穩定，對應各地層橫向視電阻比較均勻，是未開采的正常煤層的反映；

2) 6.5～12.5號點歸一化二次電位值偏高，在斷面圖上呈低阻異常，經對比已知資料發現是陷落柱的反映；

3) 13.5～18號點的歸一化二次電位值不穩定、衰減速度起伏較大，分析是采空區的反映，從視電阻率斷面圖上可以看出，2號煤層高程1 125 m上呈高阻反映，與采空區的反映吻合。

3.2.2 測氡法

通過采空區的氡異常下限值(即500個/3 min)，可以推測出北三采區的采空異常區，可以看出異常主要分布在I測區基本全部，II測區基本全部和III測區的南部。

3.2.3 綜合分析

在勘探區，采取上述瞬變電磁和測氡解釋方法，并結合踏勘等已知資料，劃定了勘探區內的煤層采空區；以瞬變電磁繪制的2號煤層視電阻率等值線平面圖為基礎并參考瞬變電磁法各相鄰測線的視電阻率斷面圖及水文地質資料，積水異常區以81 Ω·m為基準判斷標準值，將成果放在了煤層底板等高線上，可以推測出采空積水異常區范圍，見圖3。

圖3 2號煤層采空區及采空積水異常區平面

采空區及采空積水編號的命名遵循從左到右、從下到上的原則。從圖3可以得出：

1) 采空區CK1位于測區西部，面積0.042 km2，采空積水零星分布；

2) 采空區CK2位于測區西部，面積0.042 km2，未積水；

3) 采空區CK3位于測區西南部，面積為0.158 km2，有4處積水異常區；

4) 采空區CK4位于測區西部，面積0.051 km2，無采空積水；

5) 采空區CK5位于測區中西部，面積0.628 km2，采空積水主要分布在采空區邊緣地帶；

6) 采空區CK6位于測區的中部，面積0.160 km2，采空積水主要分布在3處；

7) 采空區CK7位于測區中部，面積0.412 km2，采空積水主要分布在西側，采空區中地勢較低的地方；

8) 采空區CK8位于測區中部，面積0.340 km2，采空積水主要集中于3個地方；

9) 采空區CK9位于測區東部，面積0.355 km2，采空積水較分散。

該次將綜合物探技術應用于官地煤礦北三采區，基本查明了采區內主采2號煤層的采空異常區及采空積水異常區分布范圍，并對采空積水異常區較多的區域進行了評價：2號煤層共解釋采空異常區9處，大部分位于神底溝兩側，個別位于九院溝東部。積水異常區主要分布在3個區域：官地煤礦采掘后形成的采空積水異常區，神底溝兩側附近的小煤窯積水異常區，官地街辦九院煤礦和九院溝北山煤礦形成的采空積水異常區。