綜合電法在煤礦采空區(qū)探測中的效果分析

卿曉鋒，杜 蛟

綜合電法在煤礦采空區(qū)探測中的效果分析

卿曉鋒，杜 蛟

（四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610072）

為了探明某氣井平臺(tái)及周圍地下煤礦采空區(qū)與斷裂破碎帶等分布情況，根據(jù)目標(biāo)體與圍巖電物性差異較為明顯特點(diǎn)，宜采用物探電法探測。結(jié)合采空區(qū)特征和各物探方法的適用條件，宜采用高密度電法、瞬變電磁法和音頻大地電磁法三種電法組合使用。對該工程實(shí)例物探解譯，80m以淺深度范圍內(nèi)探測宜采用高密度電法成果為主，音頻大地電磁法為輔，中、深深度范圍內(nèi)宜采用瞬變電磁法與音頻大地電磁法成果。綜合分析各方法成果，該平臺(tái)地下不存在采空區(qū)、不良地質(zhì)體和構(gòu)造，為后續(xù)氣井安全施工提供了依據(jù)。

煤礦采空區(qū)；綜合電法；電物性；反演剖面；異常解譯

氣井平臺(tái)屬山地和丘陵地帶，煤礦資源豐富。為了詳細(xì)勘查和落實(shí)該平臺(tái)周邊煤礦采空區(qū)的分布情況，尤其是煤礦坑道、巷道的規(guī)模和走向，優(yōu)化鉆井設(shè)計(jì)、規(guī)避鉆井風(fēng)險(xiǎn)，避免發(fā)生安全事故事件和環(huán)境污染，同時(shí)兼探勘查區(qū)區(qū)塊內(nèi)地下暗河、溶洞等水文地質(zhì)條件，本次工作采用綜合電法勘探手段。由于采空區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，單一物探方法存在的技術(shù)局限性可能會(huì)導(dǎo)致物探效果不佳以及解譯的片面性（羅霄等，2020），使得探測結(jié)果的可靠性不足。因此，本次采用高密度電法、瞬變電磁法（TDEM）、音頻大地電磁法（AMT）三種電法相結(jié)合的綜合電法勘探手段，對平臺(tái)及周圍300m×350m范圍內(nèi)深度1000m以淺的煤礦采空區(qū)及斷裂分布情況進(jìn)行電法勘探采集、處理及解釋，對每種方法勘探效果分析并對比（李文，2017），為采空區(qū)探測方法優(yōu)選提供參考，并預(yù)測鉆井風(fēng)險(xiǎn)，做到經(jīng)濟(jì)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

表1 主要地層巖性電物性統(tǒng)計(jì)

1 勘查區(qū)地質(zhì)特征

勘查區(qū)屬山地和丘陵地帶，地表發(fā)育有小型河流，地下水主要為孔隙裂隙水。

平臺(tái)位于古佛山背斜北西翼，與背斜軸部相距約2km，區(qū)域構(gòu)造以北東向?yàn)橹鳎砷L條形高陡背斜與平緩開闊的向斜相間排列，形成“隔擋式”褶皺。

平臺(tái)地表為第四系，開孔地層為下沙溪廟組，下伏1000m以淺地層主要為下沙溪廟組、新田溝組、自流井組、珍珠沖組、須家河組。周圍出露侏羅系中統(tǒng)下沙溪廟組，巖性為紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾灰黃、紫灰、灰色厚層中至細(xì)粒長石石英砂巖。平臺(tái)周邊煤礦開采層位為須家河組，該組分六個(gè)巖性段，其中一、三、五段為含煤巖系；二、四、六段為砂巖段。須家河組第五段為工區(qū)內(nèi)主要含煤段，俗稱上煤組。

2 勘查區(qū)電物性特征

對勘查區(qū)進(jìn)行了針對性的巖樣采集及測試工作，巖性主要以砂巖、泥巖為主。測試結(jié)果見表1。

分析表1可知：

（1）巖層中泥巖電阻率最低，在10～260Ω?m之間，一般小于100Ω?m，勘查區(qū)中屬于中、低電阻率；砂巖電阻率最高，在90～710Ω?m之間，一般大于200Ω?m，勘查區(qū)中屬于中、高電阻率；若采空區(qū)含水，電阻率更低，一般充水采空區(qū)電阻率在1～30Ω?m之間，屬于低電阻率。若采空區(qū)不含水或含水性差，電阻率呈現(xiàn)相對高阻，一般在5000Ω?m以上。

（2）本區(qū)水文地質(zhì)和已知采空區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)、斷層以及裂縫等基本為滿充水狀態(tài)，即相對圍巖呈低阻特征。因此，斷層、裂縫等與圍巖均存在較明顯的電性差異，勘查區(qū)具備開展高密度電法、瞬變電磁法及音頻大地電磁法的地球物理勘探條件。

3 工作布置與方法處理

綜合電法工作布置如圖1所示，其中綠色實(shí)線代表高密度測線，洋紅色實(shí)線代表瞬變電磁法測線，紅色實(shí)線代表音頻大地電磁法測線。為了物探成果與地質(zhì)工作能更好的結(jié)合解譯，本次平臺(tái)勘探測線布置按以下原則進(jìn)行布設(shè)：

圖1 綜合電法工作布置

（1）測線大致垂直于地層走向；

（2）測線大致垂直于煤礦采掘巷道，控制采空延伸方向；

3.1 高密度

高密度電法按“十”字型布設(shè)，共布置6條測線，編號(hào)L3、L4、L5、L6、L7、L8（圖1），線距50m，測點(diǎn)距5m，單條測線長度0.6km，合計(jì)總長3.6km。高密度電阻率法在數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先把所測得的視電阻率經(jīng)過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括剔除壞點(diǎn)，數(shù)據(jù)拼接，地形校正等、然后通過正演以及最小二乘反演計(jì)算，最后得到視電阻率成像斷面圖，從而進(jìn)行地質(zhì)解譯。

3.2 瞬變電磁法（TDEM）

瞬變電磁法（TDEM）勘探采用近南北方向布設(shè)方式，以平臺(tái)為中心分別布設(shè)瞬變電磁法測線7條，編號(hào)S1、S2、S3，S4、S5、S6、S7（圖1），線距為50m，點(diǎn)距10m，其中短測線剖面長度0.8km，長測線剖面長度2.0km，總長9.2km。TDEM觀測的數(shù)據(jù)是按時(shí)間衰減的電壓曲線，為時(shí)間域的電壓數(shù)據(jù)，通過反演得到深度域電阻率數(shù)據(jù)，即得到大地電阻率的分布，從而推斷解釋相關(guān)的地質(zhì)問題。此外，由于TDEM觀測資料受觀測裝置、噪音的等多種因素的影響，因此反演前先進(jìn)行相應(yīng)的濾波去噪、校正等預(yù)處理。

3.3 音頻大地電磁法（AMT）

按“十”字型布設(shè)，編號(hào)L3，L4、L5、L8（圖1），共布置4條測線。近南北方向3條測線剖面長2.0km，線距50m，近東西方向測線剖面長1.8km，點(diǎn)距均為40m。音頻大地電磁資料處理的目的是由野外觀測頻率域的阻抗數(shù)據(jù)得到深度域的電阻率數(shù)據(jù)，即得到大地電阻率的分布情況，從而推斷解釋相關(guān)的地質(zhì)情況。由于觀測數(shù)據(jù)受電磁干擾等多種因素的影響，因此在反演之前需要做相關(guān)的濾波去噪、靜態(tài)校正等預(yù)處理。

4 典型成果分析

4.1 高密度電法

（1）L7測線。L7測線近南北方向布設(shè)（里程L7-100～L7-700），測線方位角為176°（圖2）。

異常分析：剖面表現(xiàn)為下沙溪廟組砂泥巖的中低阻電性特征，電阻率值沿剖面分布不均勻。電性斷面圈出8處異常，異常編號(hào)為g28～g35，異常值一般為30～80Ω?m。各異常特征與采空區(qū)異常特征（李洪嘉，2014）差異較大，推測為淺表巖層強(qiáng)風(fēng)化、砂泥巖等充填不均勻以及含水量不同引起。

圖3 L8線高密度電法視電阻率反演斷面圖

（2）L8測線。L8測線近東西方向布設(shè)（里程L8-0～L8-600），測線方位角為86°（圖3）。

異常分析：剖面主要為下沙溪廟組砂泥巖的中低阻電性特征,整體視電阻率分布不均勻。電性斷面圈定出6處異常，異常編號(hào)為g36～g41，異常值一般為40Ω?m～300Ω?m。各異常特征與采空區(qū)異常特征（李洪嘉，2014）差異較大，推測為淺表巖層強(qiáng)風(fēng)化、砂泥巖不均勻充填和巖性不均勻含水率不同所致。

4.2 瞬變電磁法（TDEM）

S7測線近南北方向布設(shè)，測線方位角為176°（圖4）。

異常分析：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(xiàn)中高阻電性特征主要為須家河組厚層狀砂巖的電性反映。反演剖面電阻率等值線分布較為均勻，異常呈緩慢漸變，異常特征屬于正常地層反映，剖面上出現(xiàn)的相對較低電阻率區(qū)域推測為地層含水的電性反應(yīng)，下伏須家河組五段煤層位置未發(fā)現(xiàn)明顯的低電阻率異常，即不存在采空區(qū)電性異常。

圖4 S7線瞬變電磁法視電阻率反演斷面圖

4.3 音頻大地電磁法（AMT）

（1）L8測線。L8測線近東西方向布設(shè)，大號(hào)端延伸至已知斷層F6，測線方位角為86°（圖5）。

異常分析：反演剖面主要為下沙溪廟組、新田溝組、自流井組、珍珠沖組、須家河組砂泥巖及嘉陵江組灰?guī)r的電性反映。L8測線位于瀘203H100平臺(tái)，反演剖面顯示平臺(tái)下伏須家河組五段煤層位電阻率等值線均勻，異常呈緩慢漸變，異常特征屬于正常地層反映，未發(fā)現(xiàn)明顯的低電阻率異常，即不存在采空區(qū)電性異常。

圖5 L8線音頻大地電磁法視電阻率反演斷面圖

（2）L4測線。L4測線近南北方向布設(shè)，大號(hào)端延伸至控制清水凼煤礦已知采空區(qū)，測線方位角為176°（如圖6）。

圖6 L4線音頻大地電磁法視電阻率反演斷面圖

異常分析：反演剖面主要為下沙溪廟組、新田溝組、自流井組、珍珠沖組、須家河組砂泥巖及嘉陵江組灰?guī)r的電性反映。L4測線圈定出1處異常，異常編號(hào)為a2（圖6），里程約1748～1795m，標(biāo)高約170～300m，電性特征為明顯低阻，與采空區(qū)異常特征符合，推斷為煤礦采空區(qū)電性異常，且大部分為充水狀態(tài)。

（3）L5測線。L5測線近南北方向布設(shè)，大號(hào)端延伸至控制清水凼煤礦已知采空區(qū)，測線方位角為176°（如圖7）。

圖7 L5線音頻大地電磁法視電阻率反演斷面圖

異常分析：反演剖面主要為下沙溪廟組、新田溝組、自流井組、珍珠沖組、須家河組砂泥巖及嘉陵江組灰?guī)r的電性反映。L5測線圈定出1處異常，異常編號(hào)為a3（圖7），里程約1720～1790m，標(biāo)高約170～310m，電性特征為低阻，推斷為煤礦采空區(qū)電性異常，且大部分為充水狀態(tài)。

5 綜合分析

本次勘查工作采用了高密度電法、瞬變電磁法、音頻大地電磁法三種電法，結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查工作綜合分析如下：

（1）平臺(tái)及周圍地下無無煤礦采空區(qū)；音頻大地電磁法測線L3、L4、L5南段剖面上圈定的3處低阻異常（圖1）推斷為煤礦采空區(qū)引起，與現(xiàn)場踏勘此處煤礦已關(guān)閉，巷道已充水的地質(zhì)情況吻合。

（2）平臺(tái)下伏100m以淺電阻率分布極不均勻，推斷主要為淺表巖層強(qiáng)風(fēng)化、砂泥巖不均勻充填所致，同時(shí)電法受淺表層不均勻體干擾也會(huì)引起部分異常，但此類異常特征突出較容易區(qū)分出來，異常解譯應(yīng)注重干擾異常的排除。

（3）平臺(tái)下伏100～1000m范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯不良地質(zhì)體電性異常，推斷平臺(tái)下方無較大規(guī)模斷層破碎帶發(fā)育。

6 結(jié)論

（1）通過三種不同的物探電法在煤礦采空區(qū)應(yīng)用效果分析，各種方法均能發(fā)揮各自的作用，并且相互驗(yàn)證與補(bǔ)充，排除了鉆井平臺(tái)地下采空區(qū)和大型斷裂破碎帶存在的可能性。通過水文地質(zhì)調(diào)查已知采空區(qū)分布情況，對部分電法工作進(jìn)行了驗(yàn)證，確定了其有效性。

（2）從本工程實(shí)例可知，高密度電法有效探測深度通常在80m以內(nèi)，但分辨率較瞬變電磁法和音頻大地電磁法高，淺部宜以高密度電法結(jié)果分析為主；瞬變電磁法有效探測深度一般為100～500m，100m以淺為探測盲區(qū)，中深部探測分辨率較高；音頻大地電磁法探測有效深度一般在1000m以內(nèi)，主要對中深部較大規(guī)模目標(biāo)體有效，在物性差異大或有一定規(guī)模條件下，淺部異常也較為可靠（如本次平臺(tái)南端采空區(qū)異常）。在采空區(qū)勘查中，通過對多種電法應(yīng)用效果研究對比，可以優(yōu)選不同的組合，不同的測網(wǎng)布置，完全能達(dá)到解決地質(zhì)問題的目的，在今后類似勘查區(qū)可借鑒參考。

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The Application of Comprehensive Electric Method to the Detection of Coal Mine Goaf

QING Xiao-feng DU Jiao

(Sichuan Zhongcheng Coalfield Geophysical Prospecting Engineering Institute Co., Ltd., Chengdu, 610072)

This study applies high-density electrical method, transient electromagnetic method and audio-frequency magnetotelluric method to the detection of the distribution of coal mine goaf and fractured zone according to difference of object from wall rock in electric and physical properties. High-density electrical method aided by audio-frequency magnetotelluric method is used for detecting the distribution of coal mine goaf and fractured zone in the depth less than 80 m. Transient electromagnetic method and audio-frequency magnetotelluric method are used for detecting the distribution of coal mine goaf and fractured zone in the medium depth and depth.

coal mine goaf; integrated electrical method; electrical properties; inversion profile; anomaly interpretation

P631.3

A

1006-0995（2022）02-0325-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.028

2021-07-18

卿曉鋒（1987— ），男，四川成都人，工程師，從事電磁法、常規(guī)電法等物探找礦、工程勘察工作