地面電法勘探在多層煤采空區(qū)積水探測(cè)中的應(yīng)用

劉 洋

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司煤峪口礦，山西 大同 037003）

透水事故是制約煤礦安全生產(chǎn)的重要因素，含有多層可采煤層的礦區(qū)，由于上覆煤層開采時(shí)間長(zhǎng)，采空區(qū)易產(chǎn)生大量積水，在開采下部煤層時(shí)易引發(fā)突水事故，因此需要提前對(duì)含水區(qū)域、含水水量進(jìn)行探測(cè)，從而制定科學(xué)合理的疏排水措施[1-4]。

1 工程概況

煤峪口礦位于大同煤田的南西部，井田內(nèi)煤層采空區(qū)遍布，地面沉降、地裂縫和地面塌陷多數(shù)還處于未穩(wěn)定狀態(tài)。井田內(nèi)含煤19層，總厚21.99m，含煤系數(shù)9.42%。可采或局部可采煤層共9層，自上而下依次是3號(hào)、4號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)、14-2號(hào)和15號(hào)煤層，可采煤層平均總厚17.69m。采307盤區(qū)8701、8703工作面3#、9#、11#、12#及14#層物探范圍總面積1.1km2。

2 地面勘查

2.1 工作量

本次勘查面積1.1km2，測(cè)線、測(cè)點(diǎn)的布置以“由西向東、由南向北”的原則布署，點(diǎn)距20m，線距20m，瞬變電磁法設(shè)計(jì)測(cè)線36條，測(cè)點(diǎn)2662個(gè)，實(shí)際完成測(cè)線36條，測(cè)點(diǎn)26個(gè)，丟點(diǎn)34個(gè)，檢查點(diǎn)80個(gè)，共計(jì)完成測(cè)點(diǎn)2708個(gè)，其中甲級(jí)2438個(gè)，甲級(jí)率90.42%，乙級(jí)270個(gè)，乙級(jí)率9.58%。直流激電測(cè)深點(diǎn)完成3個(gè)。

2.2 質(zhì)量評(píng)價(jià)

本次瞬變電磁共施工檢查點(diǎn)80個(gè)，占全區(qū)觀測(cè)物理點(diǎn)總數(shù)的3.1%，其平均相對(duì)誤差為5.4%，總均方相對(duì)誤差為5.9%。依據(jù)規(guī)程要求的質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，全區(qū)工作質(zhì)量合格，甲＋乙級(jí)率100%，達(dá)到規(guī)程規(guī)范的質(zhì)量要求。直流激電測(cè)深法的觀測(cè)質(zhì)量甲＋乙級(jí)率＞95%，達(dá)到規(guī)程規(guī)范的質(zhì)量要求，全區(qū)工作質(zhì)量合格，無廢品。

3 探測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 瞬變電磁法分析

（1）典型測(cè)線分析解釋

單條測(cè)線的分析解釋包括瞬變電磁多測(cè)道電壓剖面與擬視電阻率斷面圖。 通過各測(cè)點(diǎn)垂直方向電性變化情況和不同深度水平方向電性變化情況，對(duì)采空區(qū)積水進(jìn)行探測(cè)，典型測(cè)線進(jìn)行分析。

圖1 10測(cè)線多測(cè)道電壓及擬視電阻率剖面圖

10測(cè)線多測(cè)道電壓剖面圖和擬視電阻率斷面圖見圖1所示。由圖1（a）可見，中、晚期測(cè)道曲線平直，無明顯的高值異常。由圖1（b）可見，虛線從上至下依次為3#、9#、11#、12#及14#煤層底板等高線，在各煤層底板等高線處，無明顯的低阻異常，結(jié)合調(diào)查的地質(zhì)資料綜合分析，推斷該測(cè)線無明顯采空區(qū)積水的反映。

27測(cè)線多測(cè)道電壓剖面圖和擬視電阻率斷面圖見圖2所示。由圖2（a）可見，中晚期測(cè)道曲線在13～49#點(diǎn)出現(xiàn)明顯的高值異常，異常幅度較大。圖2（b）可見，虛線從上至下依次為3#、9#、11#、12#及14#煤層底板等高線，11#、12#、14#煤層底板等高線處，14～46#點(diǎn)阻值明顯偏低，異常幅度較大，結(jié)合調(diào)查的地質(zhì)資料綜合分析，推斷13～49#點(diǎn)的高電壓、低電阻異常為采空區(qū)積水的反映。

（2）典型平面圖的分析解釋

根據(jù)勘查區(qū)煤層的埋深情況，繪制了20測(cè)道、24測(cè)道、28測(cè)道、30測(cè)道、32測(cè)道的等電壓值平面圖及3#、9#、11#煤層順層等視電阻率平面圖（由于11#、12#、14#煤層層間距較近，故當(dāng)一層分析）。

圖2 27測(cè)線多測(cè)道電壓及擬視電阻率剖面圖

A.等值電壓

圖3（a）可見，20測(cè)道測(cè)區(qū)內(nèi)主要有1處范圍較大的高電壓值異常區(qū)（虛線圈定），位于27～30測(cè)線的35～75#點(diǎn)，范圍較大，表現(xiàn)為電壓值較高，異常幅度較大，異常區(qū)內(nèi)無鐵磁物質(zhì)、高壓線等干擾，分析解釋為采空區(qū)積水的反映。圖3（b）可見，30測(cè)道測(cè)區(qū)內(nèi)主要有2處范圍較大的高電壓值異常區(qū)（虛線圈定），Ⅰ號(hào)高值異常區(qū)與20測(cè)道等電壓值平面圖相似，只是Ⅱ號(hào)高值異常區(qū)比較突出。各測(cè)道在Ⅰ號(hào)異常區(qū)所反映的高值異常基本一致，只是Ⅱ號(hào)高值異常區(qū)在20、24測(cè)道并無反映，28、30、32測(cè)道反映明顯且基本一致，說明Ⅱ高值異常區(qū)是深部積水區(qū)的反映。

B.等視電阻率

圖4（a）可見，9#煤層順層視電阻率等值線數(shù)值整體上差異較大，變化范圍在50～110Ω·m之間。出現(xiàn)1處相對(duì)低阻異常，阻值在40～50Ω·m之間，其中右側(cè)的低阻異常與28測(cè)道電壓平面圖的Ⅰ號(hào)高值異常區(qū)域吻合較好，分析為9#煤層的采空區(qū)積水；圖4（b）可見，12#煤層順層視電阻率圖中等值線數(shù)值整體上差異較小，變化范圍在60～120Ω·m之間。出現(xiàn)2處相對(duì)低阻異常，阻值在40～60Ω·m左右，其中右側(cè)的低阻異常與32測(cè)道電壓平面圖的Ⅰ、Ⅱ高值異常區(qū)域吻合較好，分析為12#煤層的采空區(qū)積水。各平面在Ⅰ號(hào)異常區(qū)所反映的高值異常基本一致，Ⅱ異常區(qū)在11#、12#、14#煤層切片圖中反映較為明顯。

圖3 各測(cè)道等電壓值平面圖

圖4 順層等視電阻率平面圖

3.2 激發(fā)極化法分析

根據(jù)瞬變電磁法圈定的高電壓異常區(qū)，在Ⅰ號(hào)高電壓異常區(qū)的29～63#點(diǎn)和34～63#點(diǎn)輔助性布置了激電測(cè)深工作，進(jìn)一步確定瞬變電磁圈定的異常區(qū)性質(zhì)和深度。

（1）29～63#點(diǎn)

圖5 29～63#點(diǎn)直流激電分析圖

從圖5（a）ρs單支曲線看出，曲線類型為H型，AB/2=3m至24m的低阻段為覆蓋層和風(fēng)化帶的反映，AB/2=24m至300m曲線呈直線由低到高變化，為煤系地層的反映。從圖5（b）ηs單支曲線看出，中、淺部ηs值整體上較低，基本上在1%以下變化，說明該段地層富水性較差；在AB/2=150m至360m曲線出現(xiàn)高值異常，ηs值最大可達(dá)2.4%左右，說明此段富水性強(qiáng)，解釋該段為中強(qiáng)含水層。

（2）34～63#點(diǎn)

圖6 34～63#點(diǎn)直流激電分析圖

從圖6（a）ρs單支曲線看出，曲線類型為KH型，AB/2=3m至18m的低阻段為覆蓋層和風(fēng)化帶的反映，AB/2=18m至360m曲線呈直線由低到高變化，為煤系地層的反映。從圖6（b）ηs單支曲線看出，ηs值整體上較低，基本上在1.3%以下變化，說明該處地層富水性較差，解釋該處無采空區(qū)積水。

4 采空區(qū)積水估算

采空區(qū)積水量估算采用公式：

式中：

Q-采空區(qū)積水量，m3；

S-采空區(qū)投影面積，m2；

M-煤層平均厚度，m；

K-充水系數(shù)，0.3。

井田內(nèi)3號(hào)煤層厚度0～3.02m，平均厚度1.94m；9號(hào)煤層煤層厚度0～2.15m，平均0.99m；11號(hào)煤層厚度1.15～10.44m，平均4.29；12號(hào)煤層厚0～5.16m，平均厚2.47m，含夾矸0～3層；14號(hào)煤層厚0～4.77m，平均2.11m。充水系數(shù)取0.3，具體預(yù)測(cè)情況見表1。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）采用地面瞬變電磁法對(duì)各個(gè)測(cè)線的擬視電阻率斷面圖以及各煤層的順層切片平面圖進(jìn)行解釋分析，并在其高壓異常區(qū)輔助性布置激電測(cè)深工作，進(jìn)一步確定瞬變電磁圈定的異常區(qū)性質(zhì)和深度，查明了各煤層采空區(qū)的積水情況，可有效指導(dǎo)礦井生產(chǎn)安排。

（2）煤峪口礦307盤區(qū)8701、8703工作面3#、9#、11#、12#及14#層在勘查區(qū)內(nèi)穩(wěn)定可采，綜合分析勘查區(qū)內(nèi)主要采空積水區(qū)有8處，積水區(qū)面積總計(jì)139760m2，預(yù)計(jì)積水量為99473m3。

表1 各煤層采空積水量預(yù)測(cè)表