瞬變電磁法探析在礦井積水異常區(qū)的應用

張曉波

(山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局， 山西 太原 030045)

1 前言

某礦井井田主要可采煤層有4、5、9、10、10+11號煤層。4號煤層位于太原組上部， K7為4號煤層頂板。煤層厚度0～1.55m，平均0.35m，該煤層結(jié)構(gòu)簡單，不含夾矸，為不穩(wěn)定局部可采煤層。頂板為粉細砂巖，底板巖性為泥巖。

5號煤層位于太原組上部，距4號煤層底部為8.00m，井田內(nèi)煤層厚度0～1.2m，平均0.56m，該煤層結(jié)構(gòu)簡單，不含夾矸。頂板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖。該煤層為本井田內(nèi)不穩(wěn)定局部可采煤層。

9號煤層位于太原組中下部，上距5號煤層36.50m。煤層厚度0.4～1.9m，平均1.34m，該煤層結(jié)構(gòu)簡單，含0～2層夾矸。頂板巖性為石灰?guī)r，底板巖性為泥巖。根據(jù)井下巷道揭露，井田北南部煤層變薄、頂板為細粒砂巖。該煤層為本井田內(nèi)穩(wěn)定大部可采煤層。

10號煤層位于太原組下部，在井田西、東南部與11號煤層合并。上距9號煤層2.10～5.53m，平均距離3.55m。本井田內(nèi)煤層厚度1.07～2.40m，平均1.73m，該煤層結(jié)構(gòu)簡單，含0～2層夾矸，頂板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖。該煤層為本井田內(nèi)全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。

10+11號煤層位于太原組下部，上距10號煤層0.7～11.1m，平均距離4.81m。該井田內(nèi)煤層厚度3.6～8.20m，平均5.85m，結(jié)構(gòu)簡單- 復雜，含1～10層

夾矸，夾石單層最大厚度0.8m，頂板巖性為泥巖，底板巖性為泥巖。該煤層為本井田內(nèi)全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。根據(jù)井田外C- 32、J- 37及5號鉆孔揭露，煤層被沖刷，推斷井田內(nèi)由西北至南出現(xiàn)沖刷和變薄帶，對煤層開采及井巷布置有一定影響。

井田整體背向斜相間的褶曲構(gòu)造，根據(jù)以往鉆探控制、三維地震解釋成果以及井下實際測量點發(fā)現(xiàn)井田共發(fā)育9條短軸褶曲，地層傾角一般在3°～14°；井田內(nèi)經(jīng)三維地震勘探和井下巷道揭露共發(fā)育斷層48條，陷落柱25個；位于井田東南部主運大巷以及1101首采工作面均揭露古河床沖刷帶，古河床沖刷帶寬90m，整體以南北向縱貫井田。

為查明礦井內(nèi)采空區(qū)和采空積水區(qū)情況，為煤礦的防治水工作提供依據(jù)。結(jié)合礦井煤層采空區(qū)及采空積水與圍巖存在明顯的電性差異，因此首先選擇能有效分辨采空積水形成的低阻異常和采空形成的高阻異常的瞬變電磁法(TEM)進行本次勘查。

2 瞬變電磁法布置及測量

2.1 測網(wǎng)布置

本次勘查測網(wǎng)密度為20m(點距)×40m(線距)，測線方向為WE向，點線號編排遵循從西到東、由南往北的原則，共布設(shè)測線103條，坐標點13 361個。全區(qū)共計完成瞬變電磁法13 957個物理點,其中完成試驗點60個，噪聲調(diào)查點20個；完成坐標點13 334個，其中甲級物理點10 827，乙級物理點2 507個，甲級率81.2%；完成檢查點543個，檢查率4.07%。完成量與設(shè)計量對比見表1。

表1 完成工作量與設(shè)計工作量對比表 個

2.2 野外施工方法

本次物探施工采用規(guī)則測網(wǎng)觀測系統(tǒng)，瞬變電磁物探以每一發(fā)射回線中所包含的測點為單位施工，在發(fā)射線框1/3中心區(qū)域進行觀測。在野外數(shù)據(jù)采集過程中，要對儀器和其他技術(shù)準備進行全面系統(tǒng)的檢查、調(diào)試和標定[1]，還需要在以下具體技術(shù)環(huán)節(jié)采取有針對性的措施。

1)供電站

(1)應盡量設(shè)置在靠近測線的觀測段，對供電站設(shè)備應采取必要的防潮、防雨和防曬的措施。

(2)每天觀測開始前，供電站操作員應進行以下操作：

①發(fā)電機試車，觀察其空載和有負載時的運轉(zhuǎn)情況；

②檢查儀器、裝備和通訊工具的基本性能；

③檢查各線路連接是否正確；

④檢查導線是否漏電；

⑤粗略測量供電回路電阻，在確定電路接通和人員離開電極后進行試供電，選擇合適的供電電壓并調(diào)節(jié)平衡負載。

2)接收機系統(tǒng)

每天測量采集工作前需進行接收機的同步工作，將兩臺接收機與XMT- 32S發(fā)射機控制箱進行連接同步，確保發(fā)射與接收頻率一致。

儀器的增益選擇應適當，使儀器輸出電壓在正常的動態(tài)范圍之內(nèi)。一般選擇“自動增益控制”，在外來噪聲干擾較大時需要手動置入。

探頭及前置放大器應正常。

同一測區(qū)如有兩臺以上的接收系統(tǒng)，應在同一點上采用相同的工作裝置、相同的發(fā)射機進行接收的一致性校驗。

3)接收機重復觀測

(1)在觀測過程中發(fā)現(xiàn)有明顯干擾現(xiàn)象難以保證最終結(jié)果的精度時。

(2)儀器顯示出超差的錯誤指示時。

(3)誤差過大的觀測數(shù)據(jù)可不參與計算平均值，但舍去的次數(shù)應少于總觀測次數(shù)的三分之一；若超限的觀測數(shù)據(jù)過多，停止觀測進行檢查和處理。

(4)在觀測中發(fā)現(xiàn)有漏電存在時，立即排除，并根據(jù)漏電點的位置等因數(shù)分析漏電對已有觀測結(jié)果的影響。在漏電排除后逐點返回重新觀測，直到有連續(xù)三個點的結(jié)果符合要求時為止。

(5)當外部影響不嚴重時，可適當增加重復觀測次數(shù)；當嚴重影響觀測數(shù)據(jù)而又無法避免時，停止觀測。

4)野外記錄

做好野外班報，詳細記錄測點所在位置是否存在裂縫、塌陷等地質(zhì)現(xiàn)象，并對地形地貌、地面建筑物進行描述等，為野外施工結(jié)束后的數(shù)據(jù)處理解釋工作提供參考依據(jù)。

3 結(jié)果與分析

盲區(qū)深度取決于關(guān)斷時間與測框大小，測框越大，關(guān)斷時間越長，盲區(qū)深度越大，根據(jù)以往工作經(jīng)驗以及本物探區(qū)地質(zhì)資料，瞬變電磁法測量盲區(qū)約為30m。

由于本物探區(qū)處于山區(qū)內(nèi)，因此測框無法按照水平鋪設(shè)，對測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，在進行地形校正時，只是把測深深度轉(zhuǎn)換成標高，導致測線視電阻率形態(tài)受到地形影響。

正常巖層視電阻率等值線與地層延伸方向基本一致，當有構(gòu)造裂隙或其他低阻異常體存在時，視電阻率等值線會發(fā)生扭曲、凹陷、凸起等形態(tài)。同一地層隨著富水程度的不同，其視電阻率值也會表現(xiàn)出明顯差異，本文分析就是利用這一電性差異來尋找同一地層中的異常地質(zhì)體[2]。從縱向上看，從淺到深其視電阻率基本呈現(xiàn)由低- 中- 高變化的電性特征，上部為低阻反應，反映的是第四系及二疊系上部的電性變化趨勢；中部視電阻率呈現(xiàn)逐漸升高趨勢反映了二疊系地層的電性變化；下部視電阻率呈現(xiàn)逐漸升高趨勢，反映了石炭系以及奧陶系上部地層的電性變化。

由于勘查區(qū)內(nèi)4號、5號煤層間距平均間距8m，由于兩層煤間距太小，體積效應在縱向上難以區(qū)分，因此對兩煤層按一個電性層處理解釋，編號為4+5號煤層。9號、10號煤層間距平均間距3.55m,10號、11號煤層間距平均間距5.85m，在井田西、東南部部分區(qū)域10號與11號煤層合并。由于這三層煤間距太小，體積效應在縱向上難以區(qū)分，因此對這三煤層按一個電性層處理解釋，編號為9+10+11號煤層。

3.1 1010線視電阻率擬斷面圖閾值確定及異常推斷

圖1所示為1010線視電阻率擬斷面圖，1010線位于勘探區(qū)南部。從縱向上看，從淺到深視電阻率值基本呈現(xiàn)由低- 中- 高的電性特征，符合本區(qū)的電性特征。從橫向上看，從圖中可以看出1010測線4+5號煤層1 780～1 980m處視電阻率出現(xiàn)凸起形態(tài)，呈現(xiàn)高阻異常。9+10+11號煤層1 620～2 320m處視電阻率出現(xiàn)凸起形態(tài)，呈現(xiàn)高阻異常。根據(jù)礦方資料，1 620～2 320m處為榆樹坪煤礦1989—1999年采空區(qū)，所以4+5號煤層采空異常區(qū)的閾值大于220Ω·m，9+10+11號煤層采空異常區(qū)的閾值大于280Ω·m。

圖2所示為1010線2260點視電阻率、視極化率隨深度變化，1010線2260點4+5號煤層埋深約200m，9+10+11號煤層埋深約240m。從圖中可以看出在深度為200m范圍內(nèi)視電阻率較高，視極化率較低，推斷為4+5號煤層存在采空異常區(qū)，在深度為240m范圍內(nèi)視電阻率較高，視極化率較低，推斷為9+10+11號煤層存在采空異常區(qū)，解釋成果與瞬變電磁法解釋成果一致，與礦方提供的實際資料一致。

圖1 1010線視電阻率擬斷面圖

圖2 1010線2260點視電阻率、視極化率隨深度變化曲線圖

3.2 2450線視電阻率擬斷面圖閾值確定及異常推斷

圖3所示為2450線視電阻率擬斷面圖，2450線位于勘探區(qū)中部。從縱向上看，從淺到深視電阻率值基本呈現(xiàn)由低- 中- 高的電性特征，符合本區(qū)的電性特征。從橫向上看，從圖中可以看出2450測線4+5號煤層2 320～2 520m處視電阻率出現(xiàn)凹陷形態(tài)，呈現(xiàn)低阻異常。9+10+11號煤層2 320～2 740m處視電阻率出現(xiàn)凹陷形態(tài)，呈現(xiàn)低阻異常。根據(jù)礦方資料，2450線附近4+5號煤層沒有采掘，9+10+11號煤層井下巷道大量出水，所以4+5號煤層頂板富水異常區(qū)的閾值小于80Ω·m，9+10+11號煤層采空積水異常區(qū)的閾值小于100Ω·m。

圖4所示為2450線2460點視電阻率、視極化率隨深度變化曲線圖，2450線2460點4+5號煤層埋深約160m，9+10+11號煤層埋深約200m。從圖中可以看出在深度為160m范圍內(nèi)視電阻率較低，視極化率較大，推斷為4+5號煤層存在富水異常區(qū)，在深度為200m范圍內(nèi)視電阻率較高，視極化率較大，推斷為9+10+11號煤層存在采空異常區(qū)，解釋成果與瞬變電磁法解釋成果一致，同時與礦方提供的實際資料一致。

一般來說完整的巖石，視電阻率值較高，當有巖層富水或煤層采空積水時，視電阻率值會相應的降低。通過對勘查區(qū)視電阻率順層切片的整理，并根據(jù)視電阻率的相對高低分布，結(jié)合本次勘查區(qū)已收集到的相關(guān)地質(zhì)資料對5號煤層采空區(qū)及采空積水區(qū)、L2灰?guī)r富水區(qū)進行了解釋圈定,異常區(qū)編號順序從西往東由北到南。

圖3 2450線視電阻率擬斷面圖

圖4 2450線2460點視電阻率、視極化率隨深度變化曲線圖

3.3 4+5號煤層視電阻率順層切片圖異常推斷

對勘查區(qū)4+5號煤層進行了數(shù)據(jù)處理切片分析，具體如圖5所示，共圈定出低阻異常區(qū)7個，為4+5號DY- 1～DY- 7。根據(jù)礦方資料，4+5號DY- 1、DY- 2、DY- 3、DY- 5、DY- 6沒有進行開采，推測是4號頂板K7砂巖富水引起的低阻異常。4+5號DY- 4、DY- 7位于小窯采空區(qū)位置附近，推測是由小窯采空區(qū)積水引起的低阻異常。

圈定處高阻異常區(qū)3個，為4+5號GY- 1～GY- 3。根據(jù)礦方資料，其中4+5號GY- 3為榆樹坪煤礦采空區(qū)引起的高阻異常。4+5號GY- 2推斷為榆樹坪煤礦采空區(qū)引起的高祖異常。4+5號GY- 1推斷為由小窯破壞區(qū)引起的高阻異常。

圖5 4+5號煤層視電阻率順層切片圖

3.4 9+10+11號煤層視電阻率順層切片圖異常推斷

對勘查區(qū)9+10+11號煤層進行了數(shù)據(jù)處理切片分析，具體如圖6所示，共圈定出低阻異常區(qū)7個，為9+10+11號DY- 1～DY- 7。根據(jù)礦方資料，9+10+11號DY- 6沒有進行開采，推測是4號頂板K7砂巖富水引起的低阻異常。9+10+11號DY- 4、DY- 7位于采空區(qū)位置附近，推測是由采空區(qū)積水引起的低阻異常。9+10+11號DY- 1、DY- 2、DY- 3、DY- 5附近都有原小窯井筒，推測是由小窯采空區(qū)積水引起的低阻異常。

圖6 9+10+11號煤層視電阻率順層切片圖

圈定處高阻異常區(qū)5個，為9+10+11號GY- 1～GY- 5，根據(jù)礦方資料，其中9+10+11號GY- 1、GY- 2位于金莊村里，經(jīng)分析，是由于資料受到干擾嚴重造成的假異常，9+10+11號GY- 3、GY- 5為由采空區(qū)引起的高阻異常。9+10+11號GY- 4推斷為榆樹坪煤礦采空區(qū)引起的高阻異常。

4 結(jié)論

(1)對勘查區(qū)內(nèi)4+5號煤層采空區(qū)、采空積水異常區(qū)及頂板富水異常區(qū)進行了解釋圈定，共圈定異常區(qū)9個，其中采空異常區(qū)2個，采空積水異常區(qū)2個，頂板富水異常區(qū)5個。

(2)對勘查區(qū)內(nèi)9+10+11號煤層采空區(qū)、采空積水異常區(qū)及頂板富水異常區(qū)進行了解釋圈定，共圈定異常區(qū)11個，其中采空異常區(qū)4個，采空積水異常區(qū)6個，頂板富水異常區(qū)1個。