瞬變電磁法在長溝煤礦采空積水區(qū)探查中的應(yīng)用

張 潔

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 地質(zhì)測量部， 山西 陽泉 045000)

1 礦井及勘探區(qū)基本情況

長溝煤礦為資源整合煤礦，先期由于小窯開采，北翼采區(qū)形成大面積采空區(qū)，具體采空區(qū)邊界、積水情況不明，且周邊煤礦較多，采(古)空區(qū)積水對本井田煤層開采有一定的威脅,需進(jìn)一步查明井田范圍內(nèi)采空、積水情況。該次勘探區(qū)范圍為長溝煤礦北翼采區(qū)，面積1.51 km2.

2 勘探區(qū)地球物理特征

該次勘探目的層為15號(hào)煤層，主要查明15號(hào)煤層采空區(qū)積水情況。15號(hào)煤層位于太原組下部，上距K2灰?guī)r15.07 m左右；距8號(hào)煤層78.56～87.84 m，平均83.20 m. 15號(hào)煤層厚度3.55～7.85 m，平均5.17 m，0～3層夾矸，結(jié)構(gòu)較簡單，蓋山厚度380～440 m，煤層最低底板標(biāo)高+860 m，處于區(qū)域奧灰水位(+670～+690 m)之上，不存在帶壓開采。

勘探區(qū)地表為一典型的山區(qū)地貌，溝谷縱橫，高差變化較大，相對高差在300 m以上。復(fù)雜的地形條件不僅給測線布設(shè)帶來困難，而且給地形校正增加了難度。本區(qū)黃土覆蓋區(qū)面積不大，厚度小于20 m，70%以上為基巖出露區(qū)，出露巖石堅(jiān)硬。

煤系地層基底奧陶系灰?guī)r電阻率最高，構(gòu)成本區(qū)又一良好的電性標(biāo)志層。不充水的采空區(qū)電阻率明顯高于巖層的電阻率；充水的采空區(qū)電阻率明顯低于巖層的電阻率。以上電性差異為該次物探完成地質(zhì)任務(wù)的地球物理基礎(chǔ)。

3 野外原始資料的采集

3.1 野外施工方法及施工儀器選擇

礦井瞬變電磁法施工地點(diǎn)離異常區(qū)最近,可更好地獲得地層的信息[1]. 因此，根據(jù)該次勘探的主要目的任務(wù)，選擇瞬變電磁法進(jìn)行施測。

瞬變電磁法的工作原理需要兩個(gè)基本的電磁原理來推導(dǎo)TEM測量使用的物理學(xué):法拉第的歸納定律和蘭茨定律[2]. 瞬變電磁法屬時(shí)間域電磁感應(yīng)方法，其原理是電磁感應(yīng)定律。使用發(fā)射回線發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇時(shí)期內(nèi)，觀測二次磁場的方法[3-5]，見圖1.

圖1 瞬變電磁原理示意圖

瞬變電磁法的工作方法很多，該次電法勘探選用大定源內(nèi)回線裝置進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)工作

結(jié)合勘探區(qū)內(nèi)具體情況，選擇終孔深度較大、資料較全且人文干擾較小的長C-10鉆孔作為本次孔旁試驗(yàn)。采空區(qū)試驗(yàn)線選擇采區(qū)內(nèi)跨已知采空和正常地層的S6線70—87號(hào)點(diǎn)和S10線18—35號(hào)點(diǎn)，確定具體的解釋參數(shù)。

通過試驗(yàn)，確定采用480 m×480 m邊長線框、8.3 Hz發(fā)射頻率既能達(dá)到目的層深度，也能反映出地層電性特征，且試驗(yàn)線反映良好，可以滿足地質(zhì)任務(wù)要求。

3.3 測網(wǎng)布置及工作量

該次電法勘探測線方向?yàn)镹W向，基本垂直地層走向，設(shè)計(jì)網(wǎng)度為20 m×40 m(即點(diǎn)距20 m，線距40 m)，布設(shè)瞬變電磁測線25條。

4 資料處理及解釋

4.1 解釋方法

1) 定性分析。瞬變電磁儀野外觀測的主要參數(shù)為采樣時(shí)間、發(fā)射電流、歸一化感應(yīng)二次場等[5].本區(qū)所有瞬變電磁測線均繪制了歸一化二次電位剖面圖、歸一化二次電位差值剖面圖和視電阻率斷面圖，用于推測采空積水異常區(qū)。

現(xiàn)以S10線為例分析：S10線歸一化二次電位剖面圖見圖2，歸一化二次電位差值剖面圖見圖3. 由圖2,3可以看出，22—30號(hào)點(diǎn)二次電位及二次電位差值呈明顯蹦跳，是采空區(qū)的典型反應(yīng)，與已知采空區(qū)資料基本吻合，且從圖3可以看出，22—26號(hào)點(diǎn)二次電位值分別較26—30號(hào)點(diǎn)相對較高(黑色圈定區(qū)域)，與淺部規(guī)律不一致，且從圖4視電阻率斷面圖上可以看出，在15#煤層層位，22—26號(hào)點(diǎn)對應(yīng)460～520 m處視電阻率值相對較低，推測為采空積水異常區(qū)。

圖2 S10線歸一化二次電位剖面圖

圖3 S10線歸一化二次電位差值剖面圖

圖4 S10線視電阻率斷面圖

2) 定量解釋。

長C-10鉆孔旁瞬變電磁點(diǎn)(8.3 Hz發(fā)射頻率,480 m×480 m發(fā)射線框)經(jīng)反演計(jì)算后的橫向視電阻率與深度對應(yīng)關(guān)系圖見圖5. 從圖5可以分辨出，二疊系與石炭系、石炭系與灰?guī)r的界面不同電性層的電性變化情況，與鉆孔資料吻合，以此進(jìn)一步通過抽取采空區(qū)目的層所在深度的視電阻率，對采空區(qū)積水情況進(jìn)行分析解釋。

圖5 視電阻率反演單枝曲線圖

4.2 成果分析

正常情況地層在不受采空影響的情況下，煤系地層的電性變化有一定的規(guī)律性，反映在視電阻率斷面圖上為視電阻率值變化穩(wěn)定，等值線呈似層狀分布，變化平緩，在歸一化二次電位剖面圖上表現(xiàn)為各測道橫向平滑，各點(diǎn)衰減基本一致。當(dāng)存在煤層采空時(shí)，地層視電阻率升高，在二次電位剖面圖上表現(xiàn)為“低值異常”，在視電阻率平面圖上為高阻反應(yīng)；當(dāng)采空區(qū)積水時(shí)，則視電阻率值降低，在視電阻率斷面圖上等值線發(fā)生扭曲、變形或呈密集條帶狀等，在歸一化二次電位剖面圖上表現(xiàn)為“高值異常”，在視電阻率平面圖上為低阻反應(yīng)。據(jù)此，通過對各測線歸一化二次電位剖面圖、歸一化二次電位差值剖面圖和各測線視電阻率斷面圖來綜合分析解釋采空區(qū)積水情況。

S4線歸一化二次電位剖面圖見圖6,電位差值剖面圖見圖7. 從圖7可以看出，24—30號(hào)點(diǎn)衰減不穩(wěn)定，起伏較大，且沒有規(guī)律，結(jié)合圖8視電阻率斷面圖可以看出，24—30號(hào)點(diǎn)(圈定區(qū)域)視電阻率較其他位置相對較高，為采空不積水的電性反應(yīng)，與已知資料基本吻合。

圖6 S4線歸一化二次電位剖面圖

圖7 S4線歸一化二次電位差值剖面圖

根據(jù)對各測線歸一化二次電位剖面圖、歸一化二次電位差值剖面圖和視電阻率斷面圖的分析解釋，結(jié)合該礦15號(hào)煤層底板等高線資料，對15號(hào)煤層采空積水異常區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步解釋。

根據(jù)目的層所在測道抽取的視電阻率平面圖見

圖9，圈定區(qū)域視電阻率相對較低，為明顯低阻反應(yīng)，推測為采空積水異常區(qū)。結(jié)合上述各線解釋方法，綜合圈定了采空積水異常區(qū)(圖10)，圈定區(qū)域?yàn)椴煽债惓^(qū)， Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ區(qū)域?yàn)橥茰y的采空區(qū)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ區(qū)域?yàn)榻忉尩牟煽辗e水異常區(qū)。采空積水異常區(qū)共分成7部分，Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)采空積水異常區(qū)位于勘探區(qū)的西部，位于背斜的兩側(cè)，呈一條帶分布，靠近采空區(qū)CK4的西部邊界，積水范圍較大；Ⅲ號(hào)采空積水異常區(qū)位于采空區(qū)CK2的北部，并且靠近該次勘探區(qū)北部邊界；Ⅳ號(hào)采空積水異常區(qū)位于采空區(qū)CK2的西南部，位于煤層向斜的兩側(cè)，積水范圍相對較?。虎跆?hào)采空積水異常區(qū)位于Ⅳ號(hào)采空積水異常區(qū)的南側(cè)，積水范圍較?。虎鎏?hào)和Ⅶ號(hào)采空積水異常區(qū)位于采空區(qū)CK2的東南部，兩者不連通；Ⅶ號(hào)采空積水異常區(qū)位于煤層隆起的南部，積水范圍相對較小。

圖8 S4線視電阻率斷面圖

圖9 15#視電阻率順層平面圖

圖10 15#煤層采空區(qū)及采空積水異常平面圖

5 結(jié) 語

經(jīng)過對電法資料處理與解釋，結(jié)合已知資料，基本查明勘探區(qū)內(nèi)已有采空區(qū)的積水情況。采用瞬變電磁法進(jìn)行地面物探工作，基本查明了北翼采區(qū)采空積水區(qū)情況，為礦井安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。