川南地區煤礦采空區的瞬變電磁法異常特征

張旭林, 周 昊, 劉 磊, 劉 洋

(1.四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610072；2.四川長寧天然氣開發有限責任公司，成都 610056)

0 引言

川南地區頁巖氣資源豐富，也是目前國內頁巖氣開發的主戰場，2012年4月國家發改委、國家能源局設立“長寧—威遠國家級頁巖氣示范區”，正式開始了大規模開發頁巖氣[2]。但該地區發育有須家河組、龍潭組含煤地層，由于煤礦的開采形成有情況不明的煤礦采空區，因此，選擇合適的鉆井平臺位置具有十分重要的意義。

這里以工作區中部署的鉆井平臺為例，通過在預選鉆井平臺位置開展煤礦采空區電法勘探工作，采用瞬變電磁法對煤礦采空區進行探測，對物探異常特征進行分析和總結，判斷出預選平臺位置下方煤礦采空區的分布情況，以達到選擇合適的鉆井平臺位置的目的。

1 地質背景

1.1 地層

工作區內出露地層由新到老依次為上沙溪廟組、下沙溪廟組、涼高山組、自流井組、珍珠沖組、須家河組、雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關組、長興組、龍潭組，主要為各類沉積巖，其中以各類碎屑巖為主，碳酸鹽巖類及泥巖類次之[3]。

1.2 煤層

三疊系上統須家河組(T3xj)是本工作區的含煤巖系之一，含煤地層共有三個段，即須家河組一段、三段、五段。可采煤層主要為五段的雙連，三段的小白炭，一段的上元炭，由上而下為：

1)雙連煤層，俗稱“雙梁子”，位于五段中上部，煤層層位穩定。煤層總厚為0.66 m～1.56 m，平均為 1.12 m；煤層有益厚度為0.31 m～1.15 m，平均為0.72 m；上分層煤厚為0.08 m～0.81 m，平均為0.36 m 。結構較復雜，一般含夾矸1層～2層，局部含夾矸3層～5層，夾矸總厚為0.17 m～0.72 m，平均為0.41 m，巖性多為泥巖，局部為炭質泥巖。該煤層在區內基本大部分開采，煤層厚度變化不大，屬較穩定煤層。

2)小白炭煤層，俗稱“二棒炭”，一般含煤2層，上分煤層厚為0.05 m～0.15 m,下分煤層厚為 0.30 m～0.35 m,煤層總厚為0.62 m～0.82 m,夾研厚度一般在0.20 m～0.50 m之間,巖性為細砂巖及泥巖。

3)上元炭煤層，上距二巖炭為6 m左右，下距中元炭為4 m左右，煤層分布比較廣泛，厚度變化相對較穩定，為單一煤層，一般在0.20 m～0.43 m左右。上元炭頂板為深灰色砂質頁巖，底板為深灰色頁巖。

二疊系上統龍潭組(P2l)為本工作區的另一含煤巖系，含煤地層共有三個段，即龍潭組一、龍潭組二、龍潭組三段，可采煤層主要為B4、B3、A2、A1煤層。本工作區主采B4、B3煤層，由上而下為：

1)B4煤層，俗稱“矮炭”，產于P2l2+3組地層頂部，上距K7標志層為0.90 m～4.54 m，平均為 2.66 m，下距B3煤層為1.72 m～13.24 m，平均為4.14 m。煤層總厚為0.41 m～1.50 m，平均為 0.86 m；煤層傾角為5°～33°，平均為20°；以雙層結構為主，單一結構次之，一般夾矸厚為0.02 m～0.25 m，平均厚為0.08 m，夾矸巖性為粘土巖、炭質泥巖；頂板以泥巖為主，含炭泥巖次之，偶見生物碎屑灰巖，泥巖中富含瓣鰓、腕足類動物化石，底板多為泥巖，直接底板為粘土巖，富含深灰色腎狀菱鐵礦結核，穩定性為較穩定。

2)B3煤層，俗稱“高炭”，產于P2l2+3組地層上部，上距B4煤層為1.72 m～13.24 m，平均為4.14 m，下距B2煤層為1.30 m～8.22 m，平均為3.65 m。煤層總厚為0.20～2.88 m，平均為1.25 m；煤層傾角為5°～33°，平均為20°；以單一結構為主，雙層結構次之，一般夾矸厚為0.03 m～0.14 m，平均厚為0.07 m，夾矸巖性為粘土巖、炭質泥巖；頂板以粉砂巖為主，泥巖次之，底板多為泥巖，直接底板為粘土巖，富含草黃色球粒狀菱鐵礦。穩定性為較穩定。

1.3 構造

工作區內預選平臺位置地層呈單斜構造，構造較為簡單。受區域構造以及區域應力作用的影響，須家河組及龍潭組巖石節理裂隙較為發育。

1.4 水文

工作區內各類碎屑巖具性脆、抗壓強度高、抗剪、抗拉強度卻低的力學特性，裂隙的發育，是本工作區內碎屑巖具有含水性的主導因素；碳酸鹽巖這些可溶性巖石，在裂隙發育的基礎上，濕潤多雨的氣候條件下，溶蝕作用強烈，巖溶發育，使得本工作區內賦存有豐富的碳酸鹽巖巖溶管道水；各類泥巖特別是侏羅系的泥巖具塑性，往往只形成細小而密集的微裂隙，在構造應力集中的部位，裂隙相對發育，并經風化作用而得到擴大，給淺層地下水的儲集創造了條件，幾乎都賦存有基巖裂隙水，一般水量貧乏[4]。

2 地球物理特征

物性差異是開展地球物理勘探的前提[5]，在收集工作區周邊及以往工作的測井、電性資料基礎上，在工作區內采集巖樣進行室內物性測試[6]，綜合統計結果見表1。

表1 巖石視電阻率值統計表

通過物性測試統計結果可以得出如下結論：

1)不同巖性之間存在較明顯的電性差異。泥巖視電阻率值最低，一般在10 Ω·m～300 Ω·m之間，在工作區屬低視電阻率；砂巖視電阻率值次之，一般在90 Ω·m～710 Ω·m之間，在工作區屬中視電阻率；灰巖視電阻率值最高，一般在800 Ω·m～3 520 Ω·m之間，在工作區屬高視電阻率。

2)空洞不含水、無充填狀態下，一般呈高視電阻率；空洞充水或泥質充填狀態下，一般呈低視電阻率。

3)相鄰地層自流井組和須家河組，雷口坡組和嘉陵江組沒有較明顯的電性差異，而須家河組與雷口坡組有較明顯的電性差異。

4)采空區、構造發育區與完整地層相比，由于地應力對完整巖層的破壞，導致巖體的裂隙發育，同時使得傳播于勘查范圍內的導電性發生變化，導致巖石的視電阻率大小發生變化，與完整巖體產生一定的電性差異。

綜上所述，工作區具備開展瞬變電磁法煤礦采空區勘查工作的地球物理前提條件。

3 瞬變電磁法工作原理

瞬變電磁法是利用不接地回線向地下發送一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場的間歇期間，利用另一回線或探頭接收由地下地質體受激勵引起的渦流產生的隨時間變化的感應二次場(按指數規律衰減)[7]。根據這個原理，可把地表測得的隨時間變化的瞬變響應轉化為電阻率隨深度變化的函數曲線(式(1)、式(2))[8]，從而實現瞬變電磁測深。

(1)

M=IL2

(2)

式中：ρ(t)為延時t時刻視電阻率，Ω·m；μ0為真空磁導率，μ0=4π×10-7H/m；M為發射磁距， A·m2；q為接收線圈有效面積， m2；t為衰減時間， ms；dB(t)/dt為磁場感應強度B關于時間的導數；I為發射電流， A；L為發射回線邊長， m。

通過二次場衰減曲線的特征，就可以判斷出地下地質體的電性、性質、規模和產狀等，從而解決如斷層、地下暗河、采空區等地質問題[9]。瞬變電磁法工作原理如圖1所示。

圖1 瞬變電磁法工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of tem

4 物性標定

根據收集的煤礦資料及本次煤礦調查情況，某平臺下方須家河組地層分布有小白炭、上元炭、中元炭、下元炭煤層。該平臺下方主采煤層為上元炭，目前，采空區為充水狀態，小白炭煤層未開采。圖2為該平臺煤礦采空區勘查瞬變電磁法測線視電阻率反演斷面圖。從圖2中可以看出：①雷口坡組和嘉陵江組地層沒有較明顯的電性差異；②而須家河組與雷口坡組地層有較明顯的電性差異，須家河組地層整體呈現出中低視電阻率特征，測線下方未開采小白炭煤層埋深位置，視電阻率等值線分布較為均勻，與圍巖沒有明顯的電性差異；③測線下方已開采上元炭煤層埋深位置，視電阻率等值線分布不均勻，整體呈現出低視電阻率特征，與圍巖有明顯的電性差異。因此，我們可以通過視電阻等值線的分布特征以及電性值對采空區進行判定。

圖2 某平臺瞬變電磁法測線綜合解譯斷面圖Fig.2 Section map of comprehensive interpretation of survey line by transient electromagnetic method of a platform

5 案列分析

5.1 案列1-A平臺

5.1.1 基本情況

根據收集的煤礦資料及本次煤礦調查情況，A平臺下方龍潭組地層分布有B4、B3、A2、A1煤層。煤礦主采煤層為B4、B3煤層(圖3、圖4)，本次物探測線布置覆蓋已知采空區，控制采空區外延情況，S5線里程0 m～640 m為已知采空區，目前，已知采空區處于空洞狀態。

圖3 A平臺煤礦采空區電法勘探測線布置圖(局部)Fig.3 Layout of electric exploration and survey line in goaf of coal mine of platform A (local)

圖4 A平臺煤礦采空區電法勘探S5線地質剖面圖Fig.4 Geological section of S5 line of electric exploration in goaf area of coal mine of platform A

5.1.2 異常特征

1)整體規律。反演剖面由淺至深主要為嘉陵江組、飛仙關組中低阻電性特征，長興組、龍潭組、茅口組的中高阻電性特征。

2)局部分析。通過瞬變電磁法S5線視電阻率反演斷面圖可以看出，剖面在里程0 m～580 m，高程約660 m～790 m，出現等值線不均勻分布的高視電阻率的現象，結合S5線地質剖面在對應位置的投影，推測為B4、B3煤層采空區的電性反應。說明瞬變電磁法對煤礦采空區勘探是有效的，采空區為空洞狀態時呈現出等值線不均勻分布的高視電阻率的特征。

5.2 案列2-B平臺

5.2.1 基本情況

根據收集的煤礦資料及本次煤礦調查情況，B平臺下方須家河組地層分布有小白炭、上元炭、中元炭、下元炭煤層。煤礦主采煤層為小白炭、上元炭，如圖6、圖7所示，本次物探測線布置覆蓋已知采空區，控制采空區外延情況，L1線里程0 m～750 m為已知采空區，目前已知采空區處于充水狀態。

圖6 B平臺鉆前電法勘探測線布置圖(局部)Fig.6 B. Arrangement of exploration and survey line before platform drilling by electric method (local)

圖7 B平臺鉆前電法勘探L1線地質剖面圖Fig.7 Geological section of L1 line by pre-drilling electric method for platform B

5.2.2 異常特征

1)整體規律。反演剖面電性特征明顯，由淺至深主要為須家河組砂泥巖的中低阻電性反映、雷口坡組灰巖的中高阻電性反映。

2)局部分析。通過瞬變電磁法S1線視電阻率反演斷面圖可以看出，剖面在里程400 m～800 m，高程約460 m～520 m，出現等值線不均勻分布的低視電阻率的現象，結合L1線地質剖面在對應位置的投影，推測為小白炭采空區的電性反應。在里程400 m～800m，高程約330 m～370m，出現等值線不均勻分布的低視電阻率的現象，結合L1線地質剖面在對應位置的投影，推測為上元炭采空區的電性反應。說明瞬變電磁法對煤礦采空區勘探是有效的，采空區為充水狀態時呈現出等值線不均勻分布的低視電阻率的特征。

5.3 案列3-C平臺

5.3.1 基本情況

圖8 B平臺瞬變電磁法S1線綜合解譯斷面圖Fig.8 Section map of comprehensive mterpretation of line S1 by transicnt eletromagnetic metod of platform B

根據收集的煤礦資料及本次煤礦調查情況，C平臺下方須家河組地層分布有雙連、鐵炭、龍骨炭煤層。煤礦主采煤層為雙連，本次物探測線布置覆蓋已知采空區，控制采空區外延情況，L14線里程1 060 m～1 480 m為已知采空區，該礦山采空區為全部垮落法管理頂板，大部分采空區已用砂泥巖回填，部分區域充水的狀態(圖9、圖10 )。

圖9 C平臺鉆前電法勘探測線布置圖(局部)Fig.9 C. Arrangement of exploration and survey line by pre-drilling electric method for platform drilling (local)

圖10 C平臺鉆前電法勘探L14線地質剖面圖Fig.10 Geological section of L14 line by pre-drilling electric method of platform C

5.3.2 異常特征

1)整體規律。反演剖面由淺至深主要為下沙溪廟組、新田溝組、自流井組、珍珠沖組、須家河組砂泥巖的電性反映，中深部呈現中高阻電性特征主要為須家河組厚層狀砂巖的電性反映。

2)局部分析。從圖11可以看出，剖面在里程約750 m～1 200m，埋深約-90 m～90 m，出現視電阻率整體值偏低，高低阻相間，視電阻率等值線分布凌亂的現象，反映地層介質極不均勻，與該層位地層電性背景值差異明顯，異常區域與已知采空區在相應里程和高程上大致對應。說明瞬變電磁法對煤礦采空區勘探是有效的，在這種大部分采空區用砂泥巖已回填，部分區域充水的區域，瞬變電磁法視電阻率反演剖面呈現出視電阻率整體值偏低、高低阻相間、視電阻率等值線分布凌亂的特征。

圖11 C平臺煤礦采空區電法勘探瞬變電磁法S14線視電阻率反演斷面圖Fig.11 Inversion section of apparent resistivity of S14 line by transient electromagnetic method for goaf exploration in coal mine of platform C

6 結論

通過在預選鉆井平臺位置開展煤礦采空區電法勘探工作，采用瞬變電磁法對煤礦采空區進行探測，總結出川南地區煤礦采空區具有以下特征：

1)煤層未開采狀態，呈現出視電阻率等值線分布均勻，與圍巖沒有明顯的電性差異的特征。

2)采空區為空洞狀態，呈現出等值線不均勻分布的高視電阻率的特征。

3)采空區為充水狀態，呈現出等值線不均勻分布的低視電阻率的特征。

4)采空區為有物質充填、部分區域充水狀態，呈現出視電阻率整體值偏低，高低阻相間，視電阻率等值線分布凌亂的特征。