黃土區小煤窯采空區物探技術應用

王 覃 王衛紅

(中化二建集團有限公司(山西華晉巖土工程勘察有限公司)，山西 太原 030021)

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黃土區小煤窯采空區物探技術應用

王 覃 王衛紅

(中化二建集團有限公司(山西華晉巖土工程勘察有限公司)，山西 太原 030021)

根據采空區的巖體和地球物理特征，分別采用瞬變電磁法和自然電磁法，對該采空區進行了地質勘察，說明了兩種方法的應用技術和有效性，對復雜的小煤窯采空區的物理探測提供了一定的借鑒經驗。

黃土，小煤窯，采空區，瞬變電磁法，自然電磁法

0 引言

山西其亞鋁業擬建場地位于山西省臨汾市汾西縣內，該擬建場地500 m范圍內，有2號煤層的小煤窯采掘情況，擬建場地北部邊界緊鄰山西煤炭運銷集團巨富園煤業有限公司，該公司現采掘9號煤層、10號煤層，沒有超層、越界；因此，擬建場地需對存在2號煤層的采掘情況進行勘查。

鋁廠地基內的東西部有數量眾多的2號煤層小窯采掘井口；大都于1989年—2005年進行的開拓，采掘時未使用炸藥，手工掘進，由于沒有通風設施，采掘范圍最遠到距離井口150 m；由于該地段2號煤層頂板為泥巖、頁巖，極易坍塌，巷道寬只有1 m，從150 m前后倒向回采，采掘深度在40 m～130 m。

1 采空區地球物理特征

該勘探深度范圍內地層為黃土、泥巖、砂巖、煤層及灰巖等。當煤層被開采以后,采空區上方巖層在重力作用下發生一定的塌陷,破壞了巖石的完整性、連續性,致使巖層破碎和出現大量的空隙和裂隙,故該處電阻率會偏高于完整巖石處的電阻率,而采空區域及裂縫被水或泥質所充填后,該處的電阻率將明顯低于周圍完整巖石的電阻率,表現出一定的低阻特征。

根據以往資料，巖石的電性特征為：土壤、粘土、亞粘土等的電阻率較低，為10 Ω·m～102Ω·m；灰巖的電阻率則較高，為102Ω·m～104Ω·m。影響巖石電阻率的因素除了與巖石的組成成分和結構有關外，巖石中所含水分的多少(或濕度大小)對其有較大影響，在巖層中含有水分時，在電法勘查中表現為低電阻率。本測區內2號煤層采空區，巷道較窄，存在高阻形式的采空區，同時，由于開采時間較長久，頂板工程地質性質不佳，存在坍塌情況，部分地段地下水較豐富，采空區中可能儲存了水，也存在低阻形式的采空區；與正常地層在其他巖層均會有明顯物性(電阻率)差異，對于本次以探空為主要目的來說，具備投入電法所需的地球物理條件。

同時，地層中致密巖體或人工土洞，淺表地裂，貧水裂隙均為高阻特性；構造中存在含水區域，富水砂巖變厚，泥巖變厚，裂隙富水等的地質特性在電磁法中顯示為低阻，使得物探方法具有多解性。

2 勘查方法選擇

勘查區為黃土丘陵區，屬于典型的黃土峁地貌，地表沖溝發育，陡坎密集；地震方法，高密度電法等采用等距的檢波器、電極方法，一般人員無法到達而無法布置，實際整條測線無法測量；即使采用特制線纜，特種人員布設，由于地形陡，采集的數據均不是垂直向下的地層數據，而是垂直地表坡度的地下一定深度數據，無法解釋，所以，常采用的等距的檢波器、電極地震法，高密度電法無法進行。

瞬變電磁法，采用大定源裝置，可以通過調整接收框水平，接收到垂直地下地層不同深度數據信息，一條測線上，除人員無法到達的陡坎個別點外，均可以測量；自然電磁法可以通過調節mn水平接收垂直向下地層的數據；一般來講，自然電磁法相對高阻靈敏，瞬變電磁法相對低阻靈敏，兩種方法搭配，可以較好地發現高阻、低阻異常。

3 瞬變電磁和自然電磁法應用

3.1 瞬變電磁資料具體解釋

1)視電阻率剖面單點分析。

瞬變電磁數據解釋遵循從點到線的原則，首先，進行了典型區域的單點電阻率曲線特征的分析。

圖1取于P23線的542600測點，該地段2號煤層埋深約140 m，2號煤層已被采空；從圖1中可見，視電阻率自地表到深度50 m左右電阻率呈現相對低阻緩慢遞增現象，為該地段地表第四系覆蓋層、風化巖層低阻向相對高阻基巖的過渡間斷的地層反應，50 m～150 m左右電阻率曲線出現向下凹陷，呈現相對低阻，表明2號煤層被采空，2號煤層上部地層相對富水反應；深度150 m左右電阻率曲線出現較大的抬升，下部奧陶系灰巖高阻反應。

2)視電阻率擬斷面圖。

由各測線瞬變電磁視電阻率擬斷面圖分析可知：測區內正常地層的視電阻率縱向上由淺到深，總體上表現為低—中—低—高變化的規律。上部第四系和二疊系表層基巖風化面表現為低阻，二疊系上石盒子組的砂巖和砂質泥巖，下石盒子組電阻率增高，二疊系山西組的泥巖、砂巖表現為相對較低的視電阻率；石炭系后電阻率呈增高趨勢，奧陶系灰巖表現為高阻。

P15瞬變電磁視電阻率擬斷面圖(見圖2)，斷面自542440～543020，長度為580 m，中部542780～542940是瞬變測量的空白區(見圖2)，該斷面位于勘查區中部，自剖面上542600～542740處，標高1 045 m的2號煤層處，地層視電阻率出現波折，曲線有低阻凹下情況，2號煤層以上地層視電阻率也以低阻下凹為特征，分析為2號煤層采掘后巖層坍塌特征，推斷該處為2號煤層采掘區域；在剖面542960～543000，自地面到標高,1 047 m的2號煤層處，地層視電阻率曲線出現波折，顯示的雜亂，2號煤層以上地層，視電阻率以低阻下凹為特征，上面地層視電阻率比下部稍低，但是，低阻中心在標高1 100 m處，不能推斷為2號煤層采掘區；542780～542940沒有進行瞬變測量，但是由于瞬變測量具有體積勘探效果，在采用軟件形成的斷面圖上，其空白區最邊部仍有一定參考價值。

3)視電阻率順層切片圖。

本礦區山西組2號煤層大部分已經采掘，形成大范圍的采掘區，2號煤層的采掘，通過對勘查區瞬變電磁2號煤層視電阻率順層切片圖分析，把切片上視電阻率大于70 Ω·m地段以及小于35 Ω·m地段均劃為圈定出2號煤層采掘區范圍；一般認為，高阻異常是未坍塌，不含水或少含水的巷道或采掘區域，低阻異常是坍塌含水或未坍塌而滿水的巷道或采掘區域；然而，依據經驗，由于采掘形成的采掘區規模不同，深度不同，采掘形成時間不同，是否富水及富水程度不同，以及煤層采掘后，會形成“三帶”，加上瞬變電磁的體積勘查影響，切片本身并不是能夠較完整區分出采掘情況，所以，把瞬變電磁視電阻率擬斷面圖的采掘異常投影到切片圖上，兩者結合，圈定出2號煤層采掘區范圍，詳見2號煤層順層視電阻率平面等值線圖(見圖3)。

3.2 自然電磁資料解釋

視電阻率剖面圖。

采掘解釋原則，是在視電阻率層狀分布的等值線圖中存在相對低值，相對高阻，并配合地質等資料情況綜合分析，根據勘查區的具體試驗，正常的自然環境地層視電阻率一般小于15 Ω·m，煤層受到采掘坍塌或含水異常區域，視電阻率一般大于25 Ω·m巷道類未坍塌煤層采掘區，含水少的采掘區、較完整的巷道視電阻率異常大，大于60 Ω·m，最大者幾百歐姆米，結合調查情況，劃分出2號煤層采掘區域。

本次把等值線上視電阻率值大于25 Ω·m區域劃為可能的2號煤層采掘異常區域，結合剖面判斷異常的結果劃分出2號煤層采掘異常區域，具體如圖4所示。

4 結語

本次勘查自然電磁法先進行“掃面”，自然電磁對于同樣異常，異常數據卻靈敏，所有異常不會遺漏；由于該方法屬于剖面方法，異常的深度無法判斷，會有深部、淺部異常干擾；但是，瞬變電磁法則具備剖面、測深兩種特性，在自然電磁剖面異常基礎上，加做瞬變電磁，可以判明異常深度，排除部分非煤層采掘異常。我們把自然電磁采掘異常成果與瞬變電磁采掘異常成果進行綜合判定，兩種方法互相印證補充能更好的得出物探勘查成果。

[1] 李 堅.小煤窯采空區物探技術在鐵路工程地質中的應用[J].物探與化探,2012,36(S1):1-6.

[2] 汝 亮,鐘偉杰,朱裕振,等.用瞬變電磁數據精細處理技術探測煤礦采空區[J].物探與化探,2012,36(S1):158-160.

[3] 蔣幫遠.實用近區磁源瞬變電磁法勘探[M].北京:地質出版社,1998.

Application of physics exploring technology in mined-out area of small coal mine in loose region

Wang Tan Wang Weihong

(ChinaChemical2ndConstructionGroupCo.,Ltd(ShanxiHuajinGeotechnicalEngineeringSurveyCo.,Ltd),Taiyuan030021,China)

According to the rock and geophysical features of the mined-out area, the paper respectively applies TEM and natural electromagnetic method for geological survey, and illustrates their specific application techniques and effectiveness, which has certain guiding meaning for geological survey of mined-out area in small complicated coal mine.

loose, small coal mine, mined-out area, Transient Electromagnetic Method(TEM), natural electromagnetic method

1009-6825(2017)14-0065-03

2017-03-07

王 覃(1984- )，男，工程師； 王衛紅(1984- )，女，工程師

P624

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