瞬變電磁法在探測淺部煤層采空區的應用實例

＊趙輝 王輝 周旭光

（陜西省煤田物探測繪有限公司 陜西 710000）

2000年至今，煤炭行業呈現爆發式增長，隨著煤層長期開采導致煤礦采空區大量出現，由此引起了地質環境的局部變化，嚴重影響礦山安全生產和周邊人民群眾生命財產安全[1]。目前針對深度在200m以內采空區的探查，常用的勘探手段有鉆探法和物探法。鉆探法是一種以點帶面的勘探方法，其周期長、費用高、而且布置的鉆孔數量和勘探規模有限，很難滿足查清采空區的整體空間分布特征的要求，通常是作為驗證物探結果的重要手段。而物探法因其施工周期短、信息量大、無損且成本低的特點，成為目前主要的勘探手段，同時結合鉆探驗證，對煤層采空區和積水區能夠進行有效的判定和控制。

探查采空區通常采用的物探方法有地震勘探法、高密度電法和瞬變電磁法[1-2]。地震勘探法是根據地下彈性介質的波阻抗差異所引起的地震波場響應特征來識別存在于地下介質中的波阻抗界面，而采空區內完整煤層和圍巖介質與采空區內部介質存在波阻抗差異，因此這種波阻抗差異為地震法識別采空區的地震響應特征提供了理論基礎[3]。但探測埋深在100m左右且埋藏深度變化較大的煤層采空區時，其分辨率相對較差，同時對采空區的積水情況無法分辨。高密度電法集剖面測量和深度測量為一體，可快速測量地下地質體的橫向和縱向分布規律，常用于解決目的層埋深在30～100m左右異常地質體的探測[4]。如需探測深度更大的地質異常體，需要增加排列長度來實現，伴隨排列長度的增加，體積效應也相應增大，同時地形起伏和接地條件對高密度電法數據影響較大，從而降低了橫向分辨率。而瞬變電磁法作為一種經濟高效的地球物理勘探手段，該方法對不同介質電性差異分辨率高、探測深度大、功效高、施工成本低等，同時兼顧剖面測量和深度測量，近年來在工程勘查、地下水調查、礦產資源勘查等領域得到了廣泛的應用，并取得了顯著的成果[5-9]。本次結合礦區工程實際，采用瞬變電磁法探查煤層采空區和積水情況，為后期工作面布置和采空積水區的治理提供了有效的地質依據。

1.瞬變電磁法的基本原理

地面瞬變電磁勘探主要探測多煤層的頂板砂巖富水性，其對水體敏感且分辨率較高。該方法的物理基礎為電磁感應原理，以接地導線或不接地回線通以脈沖電流作為場源，以激勵探測目的物感生二次電流，在脈沖間隙利用不接地線圈或接地電極觀測二次場隨時間變化響應的一種電磁方法[10]。其基本工作方法是設置以一定波形電流的發射線圈，在其周圍空間產生一次磁場，并在地下導電巖礦體中產生感應電流。斷電后，通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規律，可得到不同深度的地電特征。良性導電地質體產生的感應二次場與地質體的電阻率密切相關，電阻率越低、低電阻地質體規模越大，感應二次場越高、二次場衰減越慢（圖1）。

圖1 瞬變電磁原理及二次場強時序關系示意圖

2.煤層采空區的地球物理特征

在陜北地區，煤系地層一般呈水平或平緩單斜分布，同一層位巖性的電性變化比較均一，因而煤層在沒有采空的情況下，橫向上是相對均一的，視電阻率等值線呈水平或平緩狀展布；當煤層采空后，若不充水或少量充水，則視電阻率呈相對高阻特征，視電阻率等值線表現為明顯的高阻圈閉和扭曲；當煤層采空區飽含地下水或充水較多時，視電阻率則呈現相對低阻特征，視電阻率等值線表現為明顯的低阻圈閉和凹陷等；對于煤層規模化采空暨煤層規律性、大面積采空后，煤層頂板在自重及上覆巖層作用下產生變形、破碎、坍塌等，則視電阻表現為局部的、規律性的低電阻凹陷特征。但無論那種異常特征，視電阻率等值線均會出現較為明顯的起伏或者較為凌亂的變化。

3.測區概況

石窯店煤礦位于陜西省神木市東北部，屬陜北侏羅紀煤田神府礦區新民開采區。生產規模為300萬噸/年，批準開采2-2煤、3-2煤、5-2上煤和5-2煤。測區位于石窯店煤礦井田的中西部（圖2），勘探區面積約0.57km2。地形支離破碎，溝壑縱橫，為典型的黃土高原地貌。基巖及紅土沿溝谷兩側大面積出露，局部溝幫及梁峁之上覆蓋第四系黃土或風成沙。地表標高一般在1080～1240m左右，最大高差為160m。地層由老到新依次有三疊系上統永平組、侏羅系中統延安組、新近系上新統保德組，第四系中更新統離石組、全新統沖積層和風積層。地層總體為北西走向，傾向南西單斜構造，平均傾角1°～3°。未發現大的斷裂及褶皺存在。本次的目的煤層（3-2煤層）位于延安組的第二段頂部，埋深在35～120m，可采煤層厚1.24～2.91m，平均約2.15m。其與上覆2-2煤層平均間距約30m，但2-2已經全部自燃，部分地段已剝蝕待盡。同時根據本區的地形地質及水文地質情況可以看出，3-2煤層上覆含水層主要為頂板砂巖裂隙含水層和2-2煤燒變巖孔洞裂隙潛水含水層。3-2煤平均厚度2.15m，其采空后形成的裂隙帶可達62m，直接通2-2煤燒變巖含水層，在溝谷地段可達地表。因此煤層采空后，上部巖層水和部分地表水通過裂隙向采空區進行補給，因此在電性上，3-2煤采空后，較圍巖表現為明顯的低阻反映。

圖2 勘探地形及工作面布置示意圖

此次測網密度為20m×20m（線距20m、點距20m），設備采用GDP-32多功能電法工作站。采用大定源內回線裝置，發射線框120m×120m、接收采用TEM-3探頭（等效接收面積10000m2），發射頻率32Hz。

4.數據處理及解釋

數據的處理采用GDP-32配套的shred和TEMAVG程序進行數據的轉換、圓滑、靜態校正，再利用Rstem程序加載地形文件進行數據的正、反演計算，同時對地形進行了幾何校正，最終使用地形校正后的反演視電阻率數據進行成圖分析解釋。

圖3為L0線綜合解釋剖面圖，該測線位于勘探區西部（見圖1）。由L0線視電阻率等值線斷面圖（圖3上）可以看出，視電阻率數值隨深度增加呈先升高后降低趨勢，煤層附近電阻率相對較高。橫向上視電阻率等值線基本呈層狀變化、曲線相對較平穩，幅值約50Ω·m左右；結合地質及等值線的變化特征，分析剖面段3-2煤層未采動，為正常煤層段。

圖3 L0線綜合解釋剖面示意圖

圖4為L1線綜合解釋剖面圖，該測線位于工作面切眼附近（圖1）。由L1線視電阻率等值線斷面圖（圖4）可以看出，視電阻率數值隨深度增加呈先升高后降低趨勢，煤層附近電阻率相對較高。在剖面100～134點，視電阻率等值線基本呈層狀變化、曲線相對較平穩，幅值約50Ω·m左右；在剖面136～164點，視電阻率等值線呈明顯的低阻扭曲狀，幅值約30Ω·m左右。結合地質及等值線的變化特征，分析該采空區邊界位于高阻向低阻密集變化帶的中點位置，暨135點附近，135～164點為3-2煤層采空異常段，且分析其存在一定量的積水。

圖4 L1線綜合解釋剖面示意圖

圖5為L2綜合解釋剖面圖，該測線位于工作面中部（圖1）。由L2線視電阻率等值線斷面圖（圖5）可以看出，視電阻率在縱向和橫向上的變化與L1線基本一致。正常煤層段暨100～134點，曲線變化平穩，數值在50Ω·m左右；煤層采空異常段暨136～164點，視電阻率等值線亦呈明顯的低阻扭曲狀，幅值約42Ω·m左右。結合地質及等值線的變化特征，分析該采空區邊界位于135點附近，135～164點為3-2煤層采空異常段，該區段積水相對較少。

圖5 L2線綜合解釋剖面示意圖

為了更直觀的顯示煤層附近的電性變化特征，并進一步對采空范圍進行分析，筆者選取斷面圖上3-2煤底板等高線上、下各10m深范圍內的電阻率值取平均，繪制了視電阻率等值線平面圖（圖6）。可以看出，在測區西部及南部，電阻率等值線變化平緩，數值變化相對較小。而在測區的中北部及東北部，視電阻率數值明顯低于煤層正常區域約6Ω·m，且視電阻率低值區域分布比較規律，寬度約250m、長度約650m的矩形區域，符合煤層規模化采空的電性特征。綜合分析認為該低阻異常區域為煤層采空區。同時該矩形區的西南部（切眼附近）和東北邊界處，視電阻率等值線較其他地段呈明顯的低阻圈閉特征，分析認為該地段為采空積水異常區。

為了驗證此次的勘探成果，筆者將礦方在施工后提供的采掘資料及解釋成果進行了比對，此次解釋的采空區邊界與實際采掘資料基本一致。同時在掘進和回采期間，切眼附近3-2煤頂板有淋水現象且持續時間較長，同時在東北部圈定區域，地表為溝谷地段，回采時亦有不同程度的淋水。說明解釋的采空積水區與實際情況相吻合。

5.結論

通過瞬變電磁對淺部煤層規模化采空區進行探查，分析解釋了采空區和采空積水區的位置和范圍，與礦井實際情況基本一致，說明瞬變電磁是探查煤層規模化采空區的一種有效手段。為瞬變電磁探查淺部煤層采空區提供了有益的借鑒。