瞬變電磁法在煤礦小窯采空區(qū)積水探測中的應(yīng)用
——以唐安煤礦掌握村小窯為例

張嘉琪

（山西省地質(zhì)勘查局二一二地質(zhì)隊有限公司，山西 長治 046000）

在煤礦生產(chǎn)和建設(shè)中，水害是影響礦井安全生產(chǎn)建設(shè)的主要安全隱患之一，尤其是小窯采空區(qū)積水一直困擾著國有大型煤礦的安全生產(chǎn)，迫切需要物探手段查明小窯采空區(qū)的邊界范圍、積水情況等，對小窯采空區(qū)積水進(jìn)行提前疏放，防止采掘過程中采空積水集中外泄，以保證煤礦安全生產(chǎn)。

瞬變電磁法（TEM）是探測煤礦采空區(qū)積水的一種重要地球物理手段，以其地形影響小、對低阻體反映靈敏、測量簡單、工作效率高，成為探測煤礦采空區(qū)積水的有效手段。TEM 廣泛應(yīng)用于煤田水文地質(zhì)工程勘探，已取得令人滿意的效果。本文以唐安煤礦井田范圍內(nèi)的掌握村小窯為例，展示TEM 在探測煤礦小窯采空區(qū)積水中的良好應(yīng)用效果。

1 工程概況

唐安煤礦位于沁水煤田晉城礦區(qū)中部，是山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司所屬的一座大型現(xiàn)代化礦井。據(jù)調(diào)查，井田中部存在以往3號煤層小窯破壞區(qū)及2 處小窯廢棄井筒，主要為20 世紀(jì)90 年代掌握村小窯私挖亂采所致，開采情況、巷道掘進(jìn)范圍及充水情況不明。井內(nèi)電視觀測結(jié)果顯示，風(fēng)井井深198.2m，水位埋深73.3m；主井井深225.0m，水位埋深68.1m。下伏采空水靜水壓力值最大可達(dá)2.14MPa。根據(jù)煤礦未來3 年采掘規(guī)劃，該區(qū)域近期將進(jìn)行巷道掘進(jìn)及煤層開采工作，采空區(qū)積水的存在對煤礦采掘活動影響巨大，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。

測區(qū)地形高差起伏不大，基本為第四系（Q）所覆蓋，第四系之下主要有二疊系（P）、石炭系（C）、奧陶系（O）等。在正常情況下，各層位電性在橫向上是相對均一的。當(dāng)?shù)貙又写嬖诓煽諈^(qū)積水等局部異常體時，視電阻率等值線發(fā)生扭曲變形、圈閉，呈明顯的低阻異常，與圍巖電阻率差異明顯，這種電性差異是TEM法進(jìn)行勘探的前提。

2 野外采集

2.1 方法簡介

TEM 法又稱時間域電磁測深法，屬于電磁感應(yīng)類探測方法，它遵循電磁感應(yīng)原理，其機(jī)理就是導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的電磁場激發(fā)下而產(chǎn)生的渦流場效應(yīng)。近20 年來，TEM 法在野外數(shù)據(jù)采集和方法理論兩方面均取得長足的進(jìn)步，受地形影響小，儀器靈敏度提高，裝備輕便，這些優(yōu)點使其廣泛應(yīng)用于煤田水文地質(zhì)勘察、采空區(qū)探測、地下水調(diào)查等領(lǐng)域，成為地球物理勘探方法中一種強(qiáng)有力的非地震手段。

2.2 野外工作布置

本次沿兩處小窯井筒布設(shè)1 條高精度TEM 測線，測線長度560m，測點間距5m。使用儀器為加拿大鳳凰地球物理公司（Phoenix）生產(chǎn)研制的V8 多功能電法儀。野外采用大定源內(nèi)回線裝置，發(fā)射線框邊長420m×420m、發(fā)射頻率5Hz，發(fā)射電流18A，采集時間120s。結(jié)合工區(qū)的電性特征，有效探測深度約380m。

在正式數(shù)據(jù)采集前，先對主機(jī)盒子進(jìn)行標(biāo)定，并進(jìn)行接收線圈一致性試驗，保證儀器工作狀態(tài)良好。野外布設(shè)發(fā)射線框時，用RTK嚴(yán)格控制點距與方位誤差，保證發(fā)射線框按設(shè)計點位嚴(yán)格放線，同時保證接收線圈在發(fā)射發(fā)射線框中心的三分之一處測量，接收線圈必須借助水準(zhǔn)泡保證水平放置。野外施工嚴(yán)格按照《地面磁性源瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》（DZ/T 0187-2016）執(zhí)行，由于水體、房屋建筑等影響，測點無法嚴(yán)格按照預(yù)先設(shè)計等間距布設(shè)，工作時盡量垂直測線偏移測點。

3 數(shù)據(jù)處理和反演

TEM法野外采集數(shù)據(jù)記錄的是垂直磁感應(yīng)場的歸一化感應(yīng)電動勢，采用V8多功能電法探測系統(tǒng)配套處理軟件1X1D進(jìn)行處理。

對野外采集到的單點數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯剔除，處理的原則是進(jìn)行實地調(diào)查分析，對因電性干擾（如高壓線、公路等）產(chǎn)生的畸變點、突變點進(jìn)行刪除處理；通過相應(yīng)的公式計算出原始視電阻率、視深度等信息；采用IX1D軟件進(jìn)行反演，初始模型為平滑模型，初始電阻率值為100Ω·m；最后利用MATLAB程序繪制相應(yīng)的一維反演視電阻率斷面圖。

4 地質(zhì)解釋

4.1 地層劃分

探測結(jié)果顯示：本次TEM 勘探的淺部盲區(qū)約50m。隨深度增加，視電阻率呈現(xiàn)先減小再逐步增加的趨勢，層狀結(jié)構(gòu)明顯，深部奧陶系灰?guī)r高阻特征反映顯著。地層劃分如下：

（1）第四系（Q）：第四系底界埋深65～70m，由于TEM 淺部盲區(qū)的存在，本次視電阻率斷面圖僅揭露第四系底部，視電阻率均勻連續(xù)分布，其值在130～160Ω·m 之間。該地層滿覆蓋于工區(qū)，成因以沖積、洪積為主，巖性主要為中上更新統(tǒng)黃土及全新統(tǒng)沖洪積層。

（2）二疊系上統(tǒng)（P2）：視電阻率表現(xiàn)為中低阻特征，約為90～130Ω·m，地層底界埋深起伏不大，埋深約180m。該地層上部巖性以砂巖與泥巖互層為主，中、下部巖性以砂巖和砂質(zhì)泥巖為主。該層位在測區(qū)沉積厚度相對較大，由于其巖性主要以低電阻率值的泥巖、砂巖為主，因此該段地層在TEM 信號上視電阻率值表現(xiàn)為相對較低。

（3）二疊系下統(tǒng)與石炭系地層（P1-C）：視電阻率在80～140Ω·m之間，該段巖層為區(qū)內(nèi)主要含煤層段，巖層上部以深灰色、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、灰?guī)r為主，所以上部巖層視電阻率值表現(xiàn)為繼續(xù)偏低，但到煤層位置時，電阻率值相對較高的煤層開始體現(xiàn)在視電阻率曲線上，表現(xiàn)出從降低趨勢變?yōu)樯仙厔莸墓拯c。

（4）奧陶系灰?guī)r（O）：該套巖層為測區(qū)底部巖層，受灰?guī)r自身電阻率特征為高阻的特性，因此總體表現(xiàn)為一較明顯的高阻地層區(qū)，與上部石炭系低阻地層形成鮮明對比，在視電阻率曲線上表現(xiàn)為迅速升高的趨勢，為一較好的電性標(biāo)志層。

4.2 采空區(qū)積水解釋

從圖1 可以看出，在3 號煤層附近有2 處視電阻率等值線發(fā)生扭曲變形，呈明顯的低阻異常，結(jié)合小窯井筒分布及井筒內(nèi)積水特征，對掌握村小窯采空區(qū)積水進(jìn)行推斷。

如圖1 所示，YC1 低阻異常區(qū)在標(biāo)高690m 處發(fā)生明顯的向下扭曲現(xiàn)象，視電阻率在115～130Ω·m 之間，明顯區(qū)別于兩側(cè)圍巖。結(jié)合風(fēng)井井筒位置及井內(nèi)電視觀測來看，YC1低阻異常區(qū)與風(fēng)井位置相對應(yīng)，風(fēng)井為立井，井筒直徑2.7m，井深198.2m，井筒底部未揭露3號煤層，推斷風(fēng)井底部不存在3 號煤層采空區(qū)，且YC1低阻異常區(qū)為風(fēng)井井筒積水的反映。

從電阻率幅值、縱向異常范圍來看，YC2低阻異常區(qū)相比YC1 更為明顯，YC2 異常區(qū)視電阻率等值線在標(biāo)高695m 處明顯向下扭曲，視電阻率在110～125Ω·m之間。異常區(qū)上覆地層視電阻率橫向上基本為層狀分布，覆蓋層層位較穩(wěn)定，無明顯的三帶分布規(guī)律，電性結(jié)構(gòu)層狀特征明顯，符合小窯采空區(qū)特征。結(jié)合主井井筒位置及井內(nèi)電視觀測來看，YC2低阻異常區(qū)與主井位置相對應(yīng)，主井為立井，且井筒底部揭露3 號煤層，推斷YC2低阻異常區(qū)為掌握村小窯采空區(qū)積水的反映。

YC1、YC2低阻異常區(qū)之間存在1處相對高阻區(qū)，結(jié)合風(fēng)井井筒未揭露3號煤層來看，推斷主井、風(fēng)井之間未貫通，YC1、YC2低阻異常區(qū)之間基本不存在水力聯(lián)系。

4.3 井內(nèi)抽排水資料輔助解釋

2處小窯井筒啟封后，在主井井筒內(nèi)通過下放潛水電泵進(jìn)行了抽排水作業(yè)，并采用電極測繩對兩處井筒內(nèi)水位進(jìn)行連續(xù)性密集觀測，最終繪制了井筒水位觀測曲線（見圖2），結(jié)果表明主井、風(fēng)井水力聯(lián)系較弱，基本不存在水力聯(lián)系，驗證了YC1、YC2之間相對高阻區(qū)解釋的正確性，表明了瞬變電磁法在此次小窯采空區(qū)積水探測方面的有效性。

圖2 井筒水位觀測曲線圖

5 結(jié)論

通過對小窯采空區(qū)積水解釋、井內(nèi)電視觀測結(jié)果和井筒抽排水等資料輔助解釋，最終確定兩處小窯井筒井下未貫通，YC1、YC2 低阻異常區(qū)分別為風(fēng)井井筒積水及掌握村小窯采空區(qū)積水的反映，建議煤礦在采掘以前對該處井筒積水及小窯采空區(qū)積水進(jìn)行提前疏放，以保證煤礦安全生產(chǎn)。

本實例說明:瞬變電磁法具有地形影響小、對低阻體反映靈敏等特點，結(jié)合其他物探和水文資料能有效劃分小窯采空區(qū)積水范圍，為以后在類似區(qū)域展開瞬變電磁探測工作提供了參考。