綜合物探方法在探測煤礦采空區積水中的應用

林建功，張 磊，肖 勇

（1.山西大同大學 煤炭工程學院，山西 大同037003，2.山西省煤炭地質115勘查院，山西 大同 037003）

0 引 言

采空區積水給礦井安全生產造成隱患，因此，查明老采空區的位置、分布以及積水情況，降低煤礦水害發生的可能性。地球物理勘探技術利用煤層與采空區、巖層之間的巖石物性差異探測識別地下構造體結構、采空區分布及含水情況，是煤礦防治水工作中常用的勘探方法。但工區的干擾以及物探資料解釋的多解性，單一的探測方法往往難以取得理想的效果，造成探測精度不足，無法準確測定地質狀況。因此多種物探手段相互結合，相互驗證的綜合物探方法可以取得更好的效果。瞬變電磁法因其對低阻敏感性高，在煤礦井下水文地質勘測方面應用較好，常用于礦井水害防治；激電中梯法在金屬礦探測、地質勘查中應用較多，主要特點是效果明顯，特別是對于含硫化礦物的反應，能很好的吻合地質情況，提高勘探效率和勘探精確度。此次試驗決定選擇此兩種物探方法，在已知采空區進行試驗研究，分析其最優探測參數，先使用瞬變電磁法在采空區探測積水情況，再使用激電中梯法驗證采空區積水狀況，最后綜合分析探究兩種方法在煤礦中對于采空區積水的勘探效果。

1 測區地質概況

山西蘭花沁裕煤礦坐落于沁水煤田西南部邊沿地帶，獲批采掘2～15號煤層，井田總體面積為11.1214 km2，地形呈西北高東南低之勢，為一不規則多邊形，南北最寬約2.5 km，東西最長達7.0 km，井田范圍內無大的地表河流、水庫等，礦井充水大多由大氣降水和地下水組成。

井田內含煤地層總厚130.44 m，共10層煤，煤層總厚度7.34 m，含煤系數5.63%。2號與15號兩煤層可采，可采煤層總厚度大約3.64 m，含煤系數2.79%。2號煤層處在山西組中部，煤層厚度0～2.40 m，平均為1.40 m，井田西部煤層穩定，中部變薄，局部無煤，向東、向西煤層變厚，總體上向西有變厚的趨勢，井田中總體西部煤層較穩定，賦存區大量可采，一般無夾矸，煤層結構較簡單，頂板主要巖體分布為泥巖、粉砂巖，底板大多為泥巖、砂質泥巖。

該井田2號煤層已開采多年，存在較大面積的采空區，其中有1個采空區存在積水。

2 探測方法

此次運用瞬變電磁法與激電中梯法相結合的綜合物探方法進行物探勘測。

物探勘查區域覆蓋井田中部，勘查區內海拔最高處1 247 m，最低處1 005 m，高差242 m。設計勘查面積2.33 km2。勘探區地層整體近東西向之勢，為收集最佳地電信號，達到最佳效果，瞬變電磁測線偏南北向布置，共設計瞬變電磁測線46條，線距40 m，點距20 m。激電中梯法勘探線布設在瞬變電磁法分析推斷的采空積水異常區域及采空區上，用來驗證瞬變電磁法的推斷，共布置3條測線。

3 參數優化試驗

3.1 瞬變電磁法參數優化試驗

此次實驗所選探測儀器為IGGETEM-30A瞬變電磁儀，數據采用重疊回線進行采集，回線參數為20 m×20 m×5匝。在試驗點上對增益、疊加次數、測量延時進行試驗。

3.1.1 增益對比的選擇

瞬變電磁探測增益能夠解釋為：與無向性的理想點比對，等倍放大輸入功率，在一定距離外的測試點產生理想的可測信號。因此選擇發射電流5.5 A，對增益為1、10進行試驗，采取從最大、最小兩端開始逐漸逼近的方法，衰減曲線如圖1所示。分析圖1可知，增益為1時，衰減曲線晚期道有跳躍；增益為10時衰減曲線表現圓滑，因此選擇增益為10為數據采集參數。

圖1 增益1、1 0衰減曲線對比Fig.1 The comparison of gain No.1 and No.10 attenuation curves

3.1.2 疊加次數的選擇

在瞬變電磁法探測中，無線電或者高壓線的存在會對探測信號造成不同程度的干擾，為提高采集數據的信噪比，可通過增加疊加次數的方式抑制游離的干擾信號。為確定壓制隨機電磁干擾的最少疊加次數，采用上述實驗所得參數，同時根據以往經驗選取128、256、512次進行疊加次數試驗，如圖2所示。可看到疊加次數為128和256次曲線有曲折，而512次疊加對干擾信號抑制效果顯著。

圖2 疊加次數為1 28、256、51 2次衰減曲線對比Fig.2 The comparison of attenuation curves for superposition times of 128,256 and 512

3.1.3 延遲時間的選擇

延時和探測地層深度相關，低延時雖然能增加對較淺地層的探測能力，但影響深部地層信息的探測能力；相反，高延遲會提高對深部地層的探測準確性，但是會對淺部地層的探測造成一定誤差。因此探測精度與合適的接收延時密切相關。通過在發射電流5.5 A、疊加次數512次、增益10的條件下進行接收延遲0、50μs、120μs的試驗，試驗結果如圖3所示。可以發現，0及50μs兩種延遲時間的早期數據存在溢出或畸變現象，120μs延遲時間數據平滑且規律，因此選用延遲時間120μs。

圖3 采樣延遲0、50μs、1 20μs衰減曲線對比Fig.3 The comparison of attenuation curves for sampling delay of 0μs,50μs and 120μs

3.2 激電中梯法參數優化試驗

激電中梯法選用多功能直流電法（激電）儀，型號為DZD-6A。為選擇合適參數，優化實驗結果，進行了AB線對比試驗及供電時間與供電電流選擇對比實驗。

3.2.1 供電極距的選取

供電極距長度受信號大小的限制不宜過大，一般在1 200～1 800 m，在觀測信號能保證精度要求下，設置接收電極MN距離為40 m，在勘探區進行1 200 m、1 500 m供電極距對比試驗，如圖4所示。2條曲線從800～1 080 m處均呈現了低視電阻率和高視極化率的特征，分析認為此處符合采空積水的特征，精度較高且平穩性好、異常反應穩定且規律，因此選用AB=1 200 m的極距。

圖4 供電極距分別為1 200、1 500 m電阻率曲線Fig.4 The resistivity curves of the power supply polar distances of 1 200 m and 1500 m

3.2.2 供電時間的選取

采用1 200 m極距，激電工作的供電時間試驗選擇4、8、12 s做對比，如圖5所示。發現供電時間為8 s時，所測激電異常值能達到飽和值的90%左右，可以滿足激電中梯法探測異常區的需求，因此供電時間選擇8 s。

圖5 不同供電時間剖面圖Fig.5 The profiles of different power supply time

3.2.3 供電電流的選取

采用所選定的極距、供電時間在異常點上選擇幾組由小到大的電流進行觀測，如圖6所示。經比對，2 A和3 A的供電電流，曲線區別不大，因此供電電流選取2 A。

圖6 不同供電電流剖面圖Fig.6 The profiles of different power supply currents

3.3 參數優化試驗成果

對瞬變電磁法增益、疊加次數、接收延遲時間等參數進行試驗，確定最終參數為：時基40 ms、增益10、采樣道46道、接收延時120μs、疊加次數512次、發射電流5.5A。

根據激電中梯法參數優化試驗，施工參數最終確定為：供電極距AB=1 200 m，點距MN=20 m，供電時間8 s，供電電流2 A。

4 物探成果分析

4.1 瞬變電磁法分析

瞬變電磁多測道曲線用來描述二次感應電壓不同延時沿測點的變化，電阻率變化較小時圖像變化均勻且平緩，有小概率存在電性異常體（含水地質體）。平面上，各測線感應電壓多測道曲線是瞬變電磁資料的主要依據之一，二次感應電壓中間高兩側低可解釋含水異常體特征，富水性越強，變化幅度越大。740線多測道曲線如圖7所示。圖7中，560～640 m、780～860 m和1 150 m處感應電壓比周圍測點高，推斷可能是含水異常區。

圖7 740線多測道曲線Fig.7 The multi-trace curve of No.740 line

視電阻率擬斷面圖可解釋勘測區內存在的地質異常情況，是瞬變電磁數據的重要圖件資料，可判斷含水異常體。740線視電阻率斷面圖如圖8所示。縱坐標為深度，橫坐標為測點。縱向分析表明，視電阻率值按顏色深淺表現不同電性特征，反映不同地層的電性變化。從橫向上看，2號煤層附近的視電阻率等值線總體平直，表明所測區域地層構造及基底形態。在620 m、760～860 m處電阻率呈低阻或劇烈變化態勢，分析是由含水異常引起的；1 150 m處為F2斷層。

圖8 740線視電阻率擬斷面圖Fig.8 The apparent resistivity section diagram of No.740 line

順層電阻率圖也常常被用來分析瞬變電磁法。在順層電阻率平面圖中，它不僅可以顯示含水異常的整體輪廓，而且配合多測道曲線和視電阻率擬斷面圖可以進行詳細準確的含水異常解釋，一般在電阻率富水性分析圖中含水異常顯示為較低數值。

2號煤層順層電阻率情況如圖9所示。根據地質資料并結合視電阻率擬斷面圖的整體數據與走勢綜合分析，對于低于10Ω·m的低阻區域，推斷出疑似采空積水異常區8處，分別編號YC1～YC8。

圖9 2號煤層順層電阻率平面圖Fig.9 The plane of No.2 coal seam bedding resistivity

4.2 激電中梯法與瞬變電磁法對比分析

對瞬變電磁法分析推斷出的疑似采空積水區和已測得的采空區，運用激電中梯法探測進行驗證。選取橫跨勘查區內可疑采空積水區YC2的1060測線進行典型對比分析。已有資料得知，2號煤層底板標高950—970 m，采空范圍380～1 280 m樁號。1060線物探成果如圖10所示。

1060線視電阻率擬斷面圖（圖10a）可以看出，整個剖面電阻率值為15～105Ω·m，在測點480～1 240煤層上覆巖層電阻率畸變明顯，符合采空區特征，與已知采空區資料顯示一致；在測點820～900電阻率明顯較低，為可疑采空積水區YC2。

在上述測線布置激電中梯法進行驗證，通過視極化率、視電阻率剖面圖（圖10b）可知，在840～900范圍在采空區內，電阻率相對較低、極化率較高，與瞬變電磁探測結果異常特征一致，判斷840～900范圍為采空區積水段。

圖1 0 1 060線物探成果圖Fig.10 Geophysical exploration results of No.1060 line

經上述方法，通過在所測異常區處打鉆驗證，均有水涌出，可知2種物探方法結合的探測結果可信度較高，8處推斷異常區域均可定性為采空積水區。綜合對比可知勘查區內2號煤層底板標高890—990 m，2號煤層在勘查區中部有較大范圍采空。

5 結 論

運用瞬變電磁法及激電中梯法兩種物探方法對已知采空區進行地面物探參數優化試驗、綜合物探效果分析，總結了試驗結果。經過對試驗數據的處理、分析，并與地質資料的對比，得出結論如下。

（1）對瞬變電磁法及激電中梯法探測參數進行優化，確定瞬變電磁法儀器參數為時基40 ms，采樣道46道，關斷時間120μs，疊加次數512次，發射電流5.5A；激電中梯法供電極距1 200 m，供電時間8 s，供電電流至少2 A。將優化后參數應用到現場，表明在沁水煤田2號煤層探測效果較好，為以后該地區探測提供理論依據。

（2）地面物探采用瞬變電磁法探測，確定可疑采空積水區8處，在此基礎上采用激電中梯法進行驗證，將8處可疑區域定性為采空區積水，經打鉆驗證有水涌出，表明兩種物探方法結合應用效果較好，結果可信度較高。