地面物探技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用

韓江濤

（山西高平科興牛山煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

1 概況

安全問題是制約煤礦高速發(fā)展的重要問題之一，煤礦井下安全隱患因地而異，因礦不同。山西晉城牛山煤業(yè)整合前不規(guī)則開采、小窯破壞開采形成的采空區(qū)積水是該礦下伏煤層開采的重大安全威脅，因此需要對該礦采空區(qū)進(jìn)行探查。故采用綜合地面物探技術(shù)，綜合分析、相互驗證，結(jié)合地質(zhì)資料綜合解釋，提高預(yù)報精度。

牛山煤礦采空區(qū)勘探區(qū)位于井田中北部，面積2.19 km2，如圖1所示?？碧侥康臑樘讲榭碧椒秶鷥?nèi)3號、9號煤層采空區(qū)積水及15號煤層上覆K2灰?guī)r的富水情況。區(qū)內(nèi)約三分之二面積為林區(qū)，小部分區(qū)域為耕地，整體呈現(xiàn)南高北低、中部高、東西低的低山丘陵地貌?？碧絽^(qū)內(nèi)最大高差為203.14 m，區(qū)內(nèi)山地植被茂密，山地起伏較大，部分區(qū)域有陡崖、深溝，地形較為復(fù)雜。

圖1 勘探區(qū)范圍Fig.1 Exploration area range

勘探區(qū)內(nèi)3號煤層整合前已被地方煤礦、原牛山煤礦大面積采空，現(xiàn)已閉層；9號煤層已自采形成3個采空工作面，無小窯老空區(qū)；15號煤層處于建設(shè)階段，無小窯老空區(qū)。據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料、鉆孔資料統(tǒng)計，K2灰?guī)r層中線距15號煤層底板平均距離為8.7 m。K2灰?guī)r屬太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙巖溶水含水層，厚度86.43～121.36 m，組內(nèi)含水層主要為K2、K4、K5灰?guī)r和K2、K5灰?guī)r之間的砂巖，累計厚度24.13 m，據(jù)水文地質(zhì)孔資料，太原組含水巖組富水性大部較弱，局部中等，該含水巖組富水性具有不均一特點。

2 地球物理特征

根據(jù)此次勘探試驗數(shù)據(jù)、測線數(shù)據(jù)反演結(jié)果，物探有效深度350 m。地層根據(jù)視電阻率值變化趨勢可分為2個綜合電性層，第一電性層的視電阻率為60～220 Ω·m，基本反映第四系中上更新統(tǒng)覆蓋層及二疊系地層綜合電性特征；第二電性層視電阻為80～300 Ω·m，反映石炭系、奧陶系地層電性綜合特征，詳見表1。此次物探工作試驗及解釋參考鉆孔Zk202測井及地層資料，鉆孔測井電阻率9號煤層局部成果如圖2所示。

圖2 9號煤層附近測井視電阻率曲線Fig.2 Apparent resistivity curve of well logging near No.9 coal seam

表1 地層電性特征Table 1 Table of stratum electrical characteristics

3 方法選取

電磁法勘探是利用巖層之間以及巖層與地質(zhì)異常體之間的電性差異為基礎(chǔ)，來區(qū)分不同的巖層，圈定高、低阻異常體以及進(jìn)行勘查區(qū)水文地質(zhì)分析解釋。表1顯示地層電性差異較為明顯，為采用電磁法技術(shù)解決地質(zhì)問題奠定了物性基礎(chǔ)。根據(jù)牛山煤礦以往地質(zhì)工作程度，區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件及勘探目的任務(wù)，地面電法勘探物探工作采用瞬變電磁法及直流電測深法相結(jié)合的形式。

瞬變電磁法觀測純二次場，對含、導(dǎo)水構(gòu)造等低阻體反應(yīng)敏感，體積效應(yīng)小、分辨率高，在判斷構(gòu)造的富水性、圈定富水區(qū)位置及其分布范圍上優(yōu)勢。在瞬變電磁探測的基礎(chǔ)上，采用直流電法測深對重點區(qū)域進(jìn)行針對性探測，最終確定地下巖層富、含水情況，為礦方今后防治水工作提供科學(xué)依據(jù)。

4 具體應(yīng)用

4.1 測網(wǎng)布設(shè)

根據(jù)調(diào)查測區(qū)精度要求及野外實際作業(yè)情況，地面瞬變電磁法采用40 m×20 m的網(wǎng)格密度，測線距40 m，測點距20 m，測線方向基本垂直于地層走向。地面瞬變電磁法測線47條，基本物理點2 924個，試驗線1條（共11個測點）；直流電法測深基本物理點30個，1個試驗點，如圖3所示。

圖3 勘探區(qū)測網(wǎng)布置Fig.3 Layout of investigation network in exploration area

4.2 瞬變電磁施工參數(shù)

瞬變電磁法確定的施工參數(shù)發(fā)射線框360 m×360 m，發(fā)射電流10 A，采樣頻率25 Hz，采樣時間2 min，增益×4。

4.2.1 瞬變點試驗

瞬變試驗點位于Zk202號鉆孔旁L19線460 m里程點，對試驗點采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，與鉆孔資料對比，反演結(jié)果基本反映出了鉆孔旁地層的電性特征，如圖4所示。

圖4 試驗點反演成果Fig.4 Inversion results of test points

4.2.2 瞬變段試驗

瞬變段試驗布置在L23線里程900～1 100 m段，該處位于已知9號煤層采空積水區(qū)上方。圖5為瞬變段試驗處理解釋結(jié)果，從圖中可以看出里程995～1 050 m范圍9號煤層位于明顯低阻異常區(qū)域，推測該低阻異常區(qū)為9號煤層采空區(qū)積水所致。

圖5 試驗段視電阻率斷面圖Fig.5 Profile of apparent resistivity in test section

點試驗、段試驗表明，選取的瞬變電磁采集參數(shù)可靠有效，探測深度、精度能夠滿足此次勘探任務(wù)要求。

4.3 直流電測深

電測深方法的主要目的是和瞬變電磁探測結(jié)果相互比較，提高探測結(jié)果的精確性。勘探選取AB/2＝600 m作為直流電測深的最大供電極距。以L34測線140 m里程直流測深點為例。此處3號煤層埋深112.39 m，9號煤層埋深166.85 m，K2灰?guī)r埋深197.20 m。根據(jù)瞬變解釋結(jié)果，該點位于3號煤層低阻異常區(qū)圈定范圍內(nèi)。

直流電法測深視電阻率探測結(jié)果如圖6所示。曲線視電阻率在二疊系底部視電阻率值出現(xiàn)明顯低阻反映，推測為3號煤層采空區(qū)積水所致，驗證了瞬變低阻異常，采空積水區(qū)解釋更合理。

圖6 L34-140點直流電法測深視電阻率曲線Fig.6 Apparent resistivity curve of direct current method exploring depth in No.L34-140 point

4.4 物探成果

通過順煤層瞬變電磁切片圈定視電阻率相對低阻異常，結(jié)合地質(zhì)資料、直流電測深成果，最終解釋采空積水區(qū)或巖層富水區(qū)。以3號煤層成果為例，如圖7所示。

圖7 3號煤層采空積水區(qū)分布Fig.7 Distribution of goaf water accumulation area in No.3 coal seam

共解釋3號煤層采空積水區(qū)15處，全部位于小窯開采破壞區(qū)或采空區(qū)或老巷、廢棄井口集中區(qū)。據(jù)調(diào)查，X1陷落柱在掘進(jìn)3號煤層五盤區(qū)材料巷時揭露，巖石破碎，裂隙發(fā)育，有少量淋水，隨著附近煤層的破壞及開采，陷落柱中心區(qū)域已充水，物探成果與揭露地質(zhì)情況吻合。

5 結(jié) 論

（1）巖層電性差異是物探勘查的前提條件，分析勘探區(qū)地層地球物探特征，有利于目標(biāo)層位的異常圈定與電性解釋。

（2）瞬變電磁法對采空積水區(qū)敏感，輔以直流電測深進(jìn)行異常驗證，可提高解釋精度。

（3）物探成果解釋應(yīng)結(jié)合已知資料、地質(zhì)成因等進(jìn)行綜合地質(zhì)解譯。

（4）綜合地面物探技術(shù)在牛山煤礦探查采空積水區(qū)、巖層富水區(qū)取得了良好效果，給井下防治水工作提供了明確防治、探放靶區(qū)，有利于煤礦安全生產(chǎn)工作。