地面物探技術在煤礦安全生產中的應用

韓江濤

（山西高平科興牛山煤業有限公司，山西 晉城 048000）

1 概況

安全問題是制約煤礦高速發展的重要問題之一，煤礦井下安全隱患因地而異，因礦不同。山西晉城牛山煤業整合前不規則開采、小窯破壞開采形成的采空區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進行探查。故采用綜合地面物探技術，綜合分析、相互驗證，結合地質資料綜合解釋，提高預報精度。

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

圖1 勘探區范圍Fig.1 Exploration area range

勘探區內3號煤層整合前已被地方煤礦、原牛山煤礦大面積采空，現已閉層；9號煤層已自采形成3個采空工作面，無小窯老空區；15號煤層處于建設階段，無小窯老空區。據區內地質資料、鉆孔資料統計，K2灰巖層中線距15號煤層底板平均距離為8.7 m。K2灰巖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，組內含水層主要為K2、K4、K5灰巖和K2、K5灰巖之間的砂巖，累計厚度24.13 m，據水文地質孔資料，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

根據此次勘探試驗數據、測線數據反演結果，物探有效深度350 m。地層根據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異常體之間的電性差異為基礎，來區分不同的巖層，圈定高、低阻異常體以及進行勘查區水文地質分析解釋。表1顯示地層電性差異較為明顯，為采用電磁法技術解決地質問題奠定了物性基礎。根據牛山煤礦以往地質工作程度，區內水文地質條件及勘探目的任務，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合的形式。

瞬變電磁法觀測純二次場，對含、導水構造等低阻體反應敏感，體積效應小、分辨率高，在判斷構造的富水性、圈定富水區位置及其分布范圍上優勢。在瞬變電磁探測的基礎上，采用直流電法測深對重點區域進行針對性探測，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依據。

4 具體應用

4.1 測網布設

根據調查測區精度要求及野外實際作業情況，地面瞬變電磁法采用40 m×20 m的網格密度，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 勘探區測網布置Fig.3 Layout of investigation network in exploration area

4.2 瞬變電磁施工參數

瞬變電磁法確定的施工參數發射線框360 m×360 m，發射電流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，對試驗點采集的數據進行反演，與鉆孔資料對比，反演結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號煤層采空積水區上方。圖5為瞬變段試驗處理解釋結果，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域，推測該低阻異常區為9號煤層采空區積水所致。

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可靠有效，探測深度、精度能夠滿足此次勘探任務要求。

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果相互比較，提高探測結果的精確性。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灰巖埋深197.20 m。根據瞬變解釋結果，該點位于3號煤層低阻異常區圈定范圍內。

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

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，結合地質資料、直流電測深成果，最終解釋采空積水區或巖層富水區。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15處，全部位于小窯開采破壞區或采空區或老巷、廢棄井口集中區。據調查，X1陷落柱在掘進3號煤層五盤區材料巷時揭露，巖石破碎，裂隙發育，有少量淋水，隨著附近煤層的破壞及開采，陷落柱中心區域已充水，物探成果與揭露地質情況吻合。

5 結 論

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

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

（3）物探成果解釋應結合已知資料、地質成因等進行綜合地質解譯。

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