瞬变电磁法在某煤矿采空区探测中的应用

2014-03-15沈礼锋梁开华郭延名

地下水 2014年3期

沈礼锋，梁开华，郭延名

(山东省煤田地质规划勘察研究院，山东泰安271000)

随着地下煤炭资源的持续开采，越来越多采空区的形成引发了越开越多的地面沉陷、水资源破坏等问题，特别是采空区充水，威胁着煤矿开采安全。因此，尽快查明煤矿采空区的情况刻不容缓。瞬变电磁法在煤田采空区探测中，因其分辨能力强，工作效率高，受地形影响小等特点被广泛应用。

1 瞬变电磁法方法原理

煤层赋存于成层分布的煤系地层中，地下的煤层被采出后，在岩体内形成一个有一定规模的空间，使周围的应力平稳状态遭受破坏，产生局部的应力集中，采空区顶板在上覆岩层压力的作用下，发生变形、断裂、位移、冒落，形成的冒落带、断裂带、变形弯曲带，其影响范围比原采空区要大，且直接影响其电性分布状，形成一个高阻电性体与围岩电性形成较明显的差异。在地下水的充填及地表水沿裂缝向采空区渗漏，其电阻率将明显发生变化，形成一个低阻电性体，也与围岩电性形成较明显的差异。若埋藏很浅，在电阻率断面图中，呈相对高阻反映，若埋藏相对较深，由于电法工作的体积效应，在电阻率断面图中，与周围相比相对高阻反应不甚明显。对于采空区来说:若地下水侵入、充水则二次涡流场衰减慢，归一化的二次电位相对较高，在多测道电压剖面图上表现为“峰值异常”，在拟视电阻率断面图上表现为低阻异常;若不充水则二次涡流场衰减快，归一化的二次电位相对较低，在多测道电压剖面图上表现为“谷值异常”，在拟视电阻率断面图上表现为高阻异常。这样就为本次探测含水层富、含水行及充水采空区提供了前提条件。对比区内地层的物性差异，寻找低阻异常区就能揭示采空区富水分布和含水地层富、含水情况。

2 采空区地球物理前提

地层中的煤层被开采以后，在地下岩层间形成一定的空间，采空区上方岩层在重力作用下发生塌陷，造成煤层上覆岩体失去原有平衡状态而发生一定程度岩移，破坏了岩石的完整性、连续性，致使岩层破碎和出现大量的空隙和裂隙，故该处电阻率会偏高于完整岩石处的电阻率，不明显时则会出现视电阻率等值线的波动，明显时表现出相对的高阻特性;而采空区域的空隙被水或泥质所充填后，该处的电阻率将明显低于周围完整岩石的电阻率，表现出一定的低阻特征。我们则可以依据这种特有电性异常反映来划分采空区。

3 典型实例

3.1 工区概况

本区位于新郑市龙湖镇张沟村境内，为查明采空区积水对矿井可能造成的安全隐患程度，决定对矿区范围内采空区积水状况进一步探查、控制，采空区积水边界，为煤矿安全生产提供物探依据。

3.2 地质地球物理特征

由已知资料可知，勘查区地层由老到新为:奥陶系中统马家沟组(O2m)、石炭系中统本溪组(C2b)、石炭系上统太原组(C3t)二叠系上统山西组(P1sh)、下石盒子组(P1x)、第三系(R)和第四系(Q)。测区上部黄土覆盖层较薄，中部含水层组视电阻率较低，下部奥陶系视电阻率较高。黄土电阻率值最低，ρ值在15～25Ω·m之间;煤层自身电阻率较高，但由于受顶底板含水砂岩影响，电阻率值较低，约为20～30Ω·m之间，是本次探测目标层;灰岩电阻率最高，ρ值在50Ω·m以上。本次勘探的目标地质体为采空区，由于煤矿开采时间较长，且地表有裂隙和塌陷，因此地表雨水和地下水会侵入煤矿采空区及塌陷区，电阻率表现应为低阻异常。

3.3 工作方法

野外观测使用加拿大GEONICS公司的PROTEM57瞬变电磁仪，采用大定源方式，布设发射线框大小选择240 m×240 m，采样频率选择25 Hz，供电电流选择14 A。测点位于发射框内，观测时发射部分不动，发射电流等所有参数不变，接收部分(主机和接收线圈)在发射框内沿测线移动。采用框内测量，线距40 m，点距20 m，测点与发射框边的最小距离为40 m。观测dBx/dt，dBy/dt，dBz/dt三个分量，在工作过程中严格按仪器说明和规范进行操作。

瞬变电磁法测量在野外记录的是发射框中瞬态变化的电流在地下产生的瞬变电磁场dB/dt，数据处理就是根据dB/dt计算体现地下地层物理性质的是电阻率ρs。

3.4 瞬变电磁试验

在全面开展勘查工作之前，在已知采空区及未采空区进行了方法有效性试验。在实验区布置一条测线进行试验工作，得出试验测线视电阻率等值线断面图(图1)。结合已知资料，标出了二1煤底板的位置。上部地层视电阻率值较高，中部由于岩石颗粒较小，在视电阻率上为低阻表现，煤层基底视电阻率值最高。在图中点标高100附近位置处等值线视电阻率阻值较低，根据已知资料，该处煤层均已开采，该低阻异常是采空区在断面图上的电性反映。由此表明，瞬变电磁法测量在该区是有效的，可以较好地探测到低阻带充水采空区。

图1 试验测线视电阻率等值线断面图

3.5 效果分析

3.5.1 测线异常区

图2 20线视电阻率等值线断面图

以测区内20线视电阻率等值线断面图(图2)为例，标高120～180 m之间电阻率较低，推断为富水砂、泥岩地层，在标高－100～－20 m为二1煤层，在测点1 150～1 300间有一U型低阻异常带，电阻率值为15Ω·m左右，结合试验结果，推断该异常为采空区反映。

从电阻率等值线来看，测线西部异常中心深度较浅，东部较深，表明异常所处的深度西浅东深，与煤层倾向北东的特征相吻合，由此可知，该测线的综合异常反映了采空区(煤层)的倾向特征，这一特征也应证了异常为采空区的反映。

3.5.2 水平异常区

为更好的了解二1煤层深度上的异常情况以及采空区范围，在二1煤层顺煤层作水平切面(图3)。可以看到，由于受二1煤层开采影响，在二1煤层顺层切片图上，在测区西部及南部，煤层埋藏较浅，老窑采空区较多，在采空区范围较内，视电阻率阻值较低，在东北部由于煤层埋藏较深，煤层没有开采，所以在二1煤层视电阻率顺层切片图上，该处视电阻率阻值较高。

3.5.3 综合异常成果解释

综合测线断面图以及水平切片图，电阻率整体上西部较低，东部较高，其富水性浅部较深部为强，由于煤层开采及断层充水的影响，因此测区地层的富水性规律性较差，整体上浅部地区地层的富水性大于深部地区地层的富水性，测区西部区域的低阻异常较明显，反映了该处老空区富水性较强的特点，如图4所示。