采空区探测数值模拟与电磁响应特征研究

温建绪

(西山煤电(集团)公司 地质处，山西 太原 030053)

西山煤电(集团)公司杜儿坪矿区周边经多年小煤窑开采，采掘、积水情况不清。现小煤窑大多已关闭，随着时间的推移其积水越来越多，给杜儿坪矿带来安全隐患。近几年来，山西焦煤集团发生水害事故较多，造成人员伤亡的有2起，均为老窑透水事故，共造成13人死亡，而导致老窑水害事故频发的原因在于隐蔽型导水通道以及未知老塘水的精细探查理论不完善，探查技术存在不确定性等。目前，采空区物探解释方法单一，因此，开展采空区地质模型进行数值模拟与电磁响应特征研究具有重要的理论意义和实用价值。

1 瞬变电磁法

瞬变电磁法(简称TEM法)是一种时间域的电磁勘探方法，是在地表敷设不接地线，利用阶跃波或其它脉冲电流场源激励，在大地产生过渡场，断电瞬间形成涡旋交变电磁场，此涡流场随时间以等效涡流环的形式向下传播、向外扩展，利用不接地线圈、测量这种由地下介质产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减特性，分析地下不均匀体的导电性能和位置，从而达到解决地质问题的目的，其原理示意图见图1。

2 瞬变电磁资料的处理

当日采集的原始数据交室内组校对无误后，转存至计算机存储，用专业软件打印出野外采集原始单枝衰减曲线，由专职验收人员进行验收评级。其原始数据将进一步由数据转换软件转换为视电阻率电性参数，在资料处理过程中，首先对畸变点进行剔除，然后利用预处理软件(TEM Pro)，对二次电位进行更细致的内插，从而进行细分层，并计算视电阻率，时深转换(瞬变电磁仪器野外观测到的是二次场电位随时间变化，为便于对资料的认识，需要将这些数据变换成电阻率随深度的变化)→反演(对野外数据进行反演，得到地电断面的电性特征，结合实际地质资料和测井资料进行综合解释)→地形校正→绘制参数图件。利用GRAF和SURFER软件绘制定性图件归一化二次电位多测道剖面图、视电阻率拟断面图。然后利用“差值法”消除低阻屏蔽，再针对个别受干扰点进行滤波处理，最后生成视电阻率断面图，用于后续图件编制和各目的层不同地质任务的分析解释。

图1 瞬变电磁原理示意图

3 瞬变电磁资料的解释

瞬变电磁资料的解释分定性分析和定量解释，解释基本步骤包括：孔旁测深曲线的分析(在已知钻孔附近进行孔旁视电阻率反演，通过孔旁视电阻率反演计算将电磁响应数据转化为地质体内部物理状态变化的数据)→视电阻率断面图分析→顺层切片图分析。首先从全区采集的数据中选出每条测线的数据，绘制各测线视电阻率断面图，即沿每条测线电性随深度的变化情况；然后再绘制各类综合图件。结合平面图的等值线走向与规律以及各测线视电阻率断面图，正演模型感应电压特征、多测道断面形态和电性参数等值线出现突变、等值线密集地段，或者局部出现视电阻率值明显突变等特征解释采空区。

4 采空区地质模型与电磁响应特征应用研究

1) 针对不同地质条件的采空区地质模型的数值模拟与电磁响应特征进行如下研究：a) 采空区为高阻模型。b) 上层采空区为高阻、下层采空区为低阻模型。c) 两层采空区均为低阻模型。d) 上层采空区为低阻、下层采空区为高阻模型。

2) 为了分析地下采空区的电磁响应，在工作前需进行采空区各种模型的数值模拟计算工作。最终确定测区内采空区的立体图象。按照以下技术流程进行：a) 收集测区以往采掘工程图和地形图资料。b) 对钻探及地质资料进行了收集。c) 地面人文建筑和电力设施情况的调查。d) 施工方法及施工仪器参数的选择。e) 资料的处理和解释。

3) 杜儿坪矿南五采区地面物探试验线J2的归一化二次电位差值剖面图见图2。

图2 试验线J2的归一化二次电位差值剖面图

20～23.5号点各地层横向视电阻比较均匀，是未开采的正常煤层的反映；23.5～28号点归一化二次电位差值相对紊乱，表明二次电位衰减速度不稳定，是采空区的反映，又在断面图上呈低阻异常，推测为采空积水异常区。杜儿坪矿南五采区地面物探S40线视电阻率断面图见图3。由图3可以看出，2#煤层和8#煤层位置视电阻率值无规律的高低变化，为采空区典型的电性反映。2#煤层在43～47号点、54号点、58～61号点、69～75号点之间视电阻率值相对较低，分析为2#煤层采空区积水异常反映。8#煤层在48～52号点、64～69号点之间视电阻率值相对较低，分析为8#煤层采空区积水异常反映。结合已知资料，资料分析成果与采空区的实际情况反映吻合。

图3 S40线视电阻率断面图

5 采空区电磁响应数值模拟与电磁响应特征分析

在收集杜儿坪矿已有采空区电法勘探、地质、水文和煤层相关资料的基础上，对前期的相关地质资料进行了分析，根据所采用的物探方法，进行地球物理场的正演模拟，收集相关采空区已有的资料和位置分布情况，对不同厚度、不同深度的采空区的电性参数特征和充水采空区与无水采空区的电性参数特征进行对比分析研究，为采空区结构反演提供基础资料和理论依据。正常情况即地层在不受采空影响的情况下，煤系地层在横向上的电性变化有一定的规律性，纵向上表层视电阻率较高，向下呈逐渐降低趋势；二叠系上石盒子组上部地层以泥岩和沙质泥岩为主，呈低阻表现。上石盒子组下部地层电阻率为中低阻，下石盒子组、山西组地层表现为低阻；石炭系和奥陶系地层表现为高阻。因此，杜儿坪矿整套地层电阻率在纵向上为高—低—中—高的特征，为HA型。一般情况下，同种岩石其电阻率与其含水饱和度成反比关系，采空区的存在及其含水性的不同等现象使其产生了很强的横向不均匀性。故横向电阻率的变化反映了采空区及其含水性变化。地下煤层局部采空后，会打破原有地层电性的固有变化规律，从而使采空区表现出与周围岩层有较大差异。深浅两层采空区都未充水时其断面图有高阻异常显示，从图2分析可以看出，从第四道开始表现为曲线下凹，然而，当其充水后，对应深度以及连带浅部都出现明显低阻异常，表现为上凸，衰减速度不稳定，衰减曲线紊乱、跳跃。从单枝曲线看出现明显的畸变，从图3分析，若采空区不积水，则表现为高电阻率特征；若采空区积水，则电阻率相对较低。以此为依据来推测采空区的分布情况。总之，当有充水的采空区存在时，视电祖率呈现良导电体的特征，破坏了地层电性在横向上的均匀性和纵向上的正常递变规律，为使用电磁法探测充水采空区地质体，并研究其纵横向水力联系提供了条件。

6 结束语

通过对杜儿坪矿不同地质条件采空区地质模型数值模拟与电磁响应特征研究，确定不同地质条件下合理的电法勘探观测系统参数，以及与野外数据采集相关的其他采集参数，为采空区结构反演提供了理论依据。以该矿为典型实验区，开展采空区地质模型数值模拟与电磁响应特征研究，既解决了矿井采空区探测的技术难题，又满足了矿井安全生产的需求。因此，开展老空水害探测理论及关键技术研究具有重要的理论意义和较强的实用性及推广应用前景。

参 考 文 献

[1]罗国平.采空区含水性探测的综合电法勘探应用研究[J].中国煤炭地质，2013(01)：45-46.

[2]翟广庆.瞬变电磁法探测煤层采空区的应用[J].西部探矿工程，2010(06)：90-91.

[3]王 凯.瞬变电磁法探测煤矿充水采空区响应特征分析[D].太原：太原理工大学，2012：50-53.