基于瞬變電磁法在晉牛煤礦采空區積水的探測應用

李 高 鵬

（太原煤炭氣化（集團）有限責任公司地質測量部，山西 太原 030006）

0 引 言

大規模、高強度的礦產資源的開采在帶來巨大的經濟效益的同時，對環境造成的破壞也日益凸現。到目前為止，幾乎全國各地都存在因煤炭資源的開采而引發的眾多礦山地質環境問題，這些問題在造成大量的財產損失和人員傷亡的同時，還嚴重制約著當地社會經濟的發展[1]。煤礦采空區積水問題是影響煤礦安全生產的主要問題之一，由于前期小煤窯的亂采亂挖，導致煤礦在兼并重組后，不能準確的判斷采空區分布及積水情況，因此，采用瞬變電磁法對采空區積水分布狀態進行研究，就成為當前礦山地質環境治理的首要任務[2,3]。

1 工程概況

晉牛煤礦為2009 年兼并重組整合礦井，井田屬于霍西煤田，位于山西臨汾市西部。井田內小煤窯主要分布在2 號、9+10+11 號煤層露頭線一帶，沿煤層露頭分布。2 號煤層小煤窯36 處，9+10+11 號煤層小煤窯12 處。井田內2 號煤層東部和東南部區域已開采完畢，目前開采9+10+11 號煤層為厚煤層，厚4～9m，采用放頂煤采煤方法開采。

本次勘查區為井田東部，面積共計約1.38km2，針對勘查區內老窯、小窯2#及9+10+11#采空區積水情況進行探測。勘探范圍與礦區相對位置見圖1。需針對礦井下部采空區積水情況進行探測，以便采取合理的探放水方案，保證礦井安全生產。

圖1 勘探范圍與礦區相對位置圖

2 瞬變電磁法工作原理及參數

2.1 工作原理

不同巖性具有不同的導電性能，泥巖電阻值較低，依次增高的有粉砂巖、中粗砂巖等，灰巖在致密完整時，電阻率相對較高，如其中存在大量裂隙，并充水、巖溶存在，會發生明顯的電性差異。當下部處于未采區時，電阻率相對顯示是巖性電阻率，當下部是采空區且積水時，由于水的良好導電性，采空區積水處電阻率明顯增高，這是瞬變電磁法進行采空區及積水范圍探測的前提。

2.2 設備儀器及工作參數確定

本次瞬變電磁法施工選用的試驗儀器為西安煤科院生產的TEM-6 型大功率瞬變電磁儀。野外數據采集使用5m×5m 的單匝方形發送回線、接收使用中心探頭（T50- 等效面積為100m2）裝置進行，供電瞬間脈沖電流可達1500A，保證勘探深度及深部數據的信噪比。

根據具體地質條件及工程經驗，為了滿足本區勘探目的，最終參數定為：

3 采空區積水探測

3.1 瞬變電磁法測點布置

線、測點的布置，以“由南向北、由西向東”的順序統一布署，測線號從南到北由小到大編設，測點號從東到西由小到大編設，線距40m，點距20m，勘查區面積1.38km2，設計測線共計28 條，共設計測點1 855個，實際完成測點1 785 個。在進行野外數據采集之前，進行了充分試驗工作，包括單點試驗和有效性線試驗。

經限差統計計算后，按勘查區91 個檢查點，1～45 道進行計算，檢測總的相對均方誤差為±5.88%，符合技術規范中不超過±15%的要求。按上述評級標準，勘查區1 785 個物理點中甲級品1 482 個，占物理點總數的83%；乙級品303 個，占物理點總數的17%，無廢棄點。

3.2 數據處理

瞬變電磁儀器首先在野外測得歸一化感應電動勢值△V（t）/I，每個觀測點測得：采樣時間、發射電流、窗口寬度、歸一化感應二次場、轉換得到的磁感應強度值。將測得合格數據收集進行處理分析，采用專用軟件轉換得到ρt（視電阻率）和ht（視深度）等參數，再根據地形高程信息可以獲得等值線圖，然后采用ρt（視電阻率）和ht（視深度）可以構制沿測點和測線的視祖率ρs 擬斷面圖和綜合切片圖，及可以在圖上直觀的分析沿測線斷面的視祖率及電性分布特征。

3.3 數據成果分析

3.3.1 擬斷面圖異常特征。

在ρs 擬斷面圖上，可以直觀的看出地層巖性電阻率的變化，當下部為未采區時，電阻率呈現變化穩定狀態，等值線呈層狀分布，變化平緩。當下部存在采空區時，視祖率增大，采空區積水時，視祖率降低，等值線發生扭曲變形，可以直觀確定出視祖率變化的空間賦存情況。

整個測區電阻率值由西向東基本均勻變化，在垂向上，測區地層視電阻率由淺到深呈相對高阻—低阻—高阻的變化特征，在各條測線上都得到了明顯的反映。

斷面圖上，電性層位表現比較明顯。依據本次數據反演模型，淺地表，以黃土層為主，平均視電阻率值在40Ω·m 左右，局部礫石層有所增大，最大達80Ω·m；其下是石炭系含煤地層，以砂巖、泥巖、灰巖及其互層為主，視電阻率值增高，平均在120Ω·m；其中，根據試驗線數據采空積水區視電阻率值小于60Ω·m（或表現為同層明顯的低值閉合或半閉合圈）；再往下是以灰巖為主的奧陶系地層，視電阻率一般＞150Ω·m。當然，在煤層埋深變化明顯或有構造分布的測區，視電阻率變化規律會略有差異，且視電阻率為接收到的電壓信號的反演值，與真實地層電阻率也會有區別，進行分析應充分考慮該情況。需要特別說明的是，瞬變電磁法本身存在淺層觀測“盲區”，根據經驗及本次觀測參數粗略估算，本次觀測盲區約30m。由于本次勘探工作目的層2#、9+10+11#號煤層埋藏較淺，露頭附近煤層處于觀測盲區內。

下面以1 線、9 線、23 線典型特征視電阻率斷面進行分析。

圖2 1 線視電阻率擬斷面圖

1 線視電阻率斷面圖如圖2 所示，圖中黑色虛線為9+10+11#煤層底板等高線，在9+10+11#煤層底板等高線附近36～42#測點（700m～820m）、50～53#測點（980～1 040m）處視電阻率相對較低，均小于60Ω·m，推斷為9+10+11#煤層頂板K2 灰巖裂隙發育富水異常。

圖3 9 線視電阻率擬斷面圖

9 線視電阻率斷面圖如圖3 所示，圖中黑色虛線為9+10+11#煤層底板等高線，在9+10+11#煤層底板等高線附近視電阻率均在60Ω·m 以上，故此測線無明顯低阻異常。

圖4 23 線視電阻率擬斷面圖

23 線視電阻率斷面圖如圖4 所示，圖中黑色虛線為9+10+11#煤層底板等高線，在9+10+11#煤層底板等高線附近13～27#測點（240～520m）、77～81#測點（1520～1600m）處視電阻率相對較低，均小于60Ω·m，推斷為9+10+11#煤層頂板K2 灰巖裂隙發育富水異常。

3.3.2 平面圖反應特征

在煤層視電阻率異常平面圖上，若層位分布穩定、無采空區等的影響下，電性分布穩定，或沿煤層或構造方向均勻變化，視祖率分布穩定，等值線平緩、均勻；如存在采空區及采空區積水時，在平面圖上則體現為高阻及低阻異常區，視祖率突增及突減，等值線不均勻變化。

在2#煤層視電阻率平面圖為測區內煤層視電阻率順層切片等值線圖，反映了煤層的電性分布特征。從圖5 上看，測區內視電阻率整體均勻變化，局部高低阻形成閉合區域，整個勘探區共呈現2 處低阻異常區域，分別為J2-1、J2-2 低阻異常區，由于此兩處異常埋深較淺，故推斷為風氧化帶所致。

在9+10+11# 煤層視電阻率平面圖為測區內煤層視電阻率順層切片等值線圖，反映了煤層的電性分布特征。從圖上看，測區內視電阻率整體均勻變化，局部高低阻形成閉合區域，整個勘探區共呈現5 處低阻異常區域，分別為J10-1、J10-2、J10-3、J10-4、J10-5號低阻異常區，推斷為9+10+11#煤層采空積水區或者頂板K2 灰巖裂隙發育富水異常。

圖5 2#煤視電阻率順層切片圖

圖6 9+10+11#煤視電阻率順層切片圖

4 結 論

圖7 勘探成果圖

通過參考晉牛煤礦已知采空區試驗成果，根據對各條測線瞬變電磁視電阻率平面圖的綜合解釋推斷，并結合地質上最有可能形成積水的一般地質規律與礦區的水文地質條件對全區異常進行了劃分，共圈定了2 處2# 煤層低阻異常（推斷為風氧化帶）、5 處9+10+11#煤層處低阻異常（其中J10-1、J10-5 推斷為9+10+11#煤層采空積水區；J10-2、J10-3、J10-4 推斷為9+10+11#煤層頂板K2 灰巖裂隙發育富水異常），共計面積231 020m2，如圖7 所示。此次采空區積水范圍的確定為下一步環境治理及礦井工作面安全回采提供了堅實的基礎。