瞬变电磁法在煤层采空区勘探中的应用——以山西柳林碾焉煤矿为例

王伟明，李 勇，向 琳，王俊茹，刘颖倩，邵崇建，栗晓军（.成都理工大学（油气藏国家重点实验室），四川成都 60059；.石家庄经济学院，河北石家庄 0565；.中国煤炭地质总局水文地质局，河北邯郸 056000）



瞬变电磁法在煤层采空区勘探中的应用
——以山西柳林碾焉煤矿为例

王伟明1，李 勇1，向 琳1，王俊茹2，刘颖倩1，邵崇建1，栗晓军3
（1.成都理工大学（油气藏国家重点实验室），四川成都 610059；2.石家庄经济学院，河北石家庄 052165；3.中国煤炭地质总局水文地质局，河北邯郸 056000）

摘 要：山西柳林碾焉煤矿在巷道开挖过程中，发现煤壁出现挂汗以及巷道渗水等相关现象。初步认定为采空区遭到一定程度的破坏，并产生渗漏水现象。为探明本区内采空区的分布范围及其积水情况，针对该区进行瞬变电磁法勘探。运用加拿大凤凰公司研发生产的V-8多功能电法系统参与勘探，通过勘察结果数据的解译表明：工区内绝大部分电阻率剖面表现为高阻异常，说明区内采空区不存在大规模水体或者说没有发生大面积漏水。电阻率剖面只有局部表现出低阻异常，范围较小。分析得出在西南区极小区域存在由于地形较低使得地下水以及地表水沿顺层向采空区渗漏，但是并不能够对矿井的正常生产造成危害。本次勘探成果可以为解决矿山建设和矿藏开采中的一些地质方面的问题提供地球物理依据，进一步为矿山开采提供安全保障，增加社会经济效益。

关键词：瞬变电磁；采空区；电阻率；矿山开采；含水情况

0 引言

为了确保本次勘探任务的质量，我们通过收集、整理并分析了山西柳林碾焉煤矿的基础资料，并对井口及井下巷道和采空区做了详细的测量。主巷道的测量采用J2经纬仪，利用三角测量加密控制。首先测量近井点的接触测量，然后再逐点测量井下导线点，用以满足规范要求，确保质量可靠。次要巷道和回采工作面，采用半仪器的测量方法，能满足实际生产的需要，并将测量结果绘制成采掘工程平面图和井内对比，为矿山生产和建设提供依据。根据煤炭销售的需要，进行了商品煤样采样化验工作，由县、市、省质检部门以及用户定期或不定期地进行抽样化验，但只是按商品煤的要求进行采样化验，对煤质全面了解不够。该矿井下涌水量不大，在生产过程中对矿井涌水量及其变化进行了观测，积累了一定的经验数据，并根据涌水量及时向地面抽排，确保了煤矿生产安全。该矿产公司的相关部门也做了大量的工作，并制绘了采掘工程平面图，很好地表现出2010年井下巷道以及构造等实际分布情况，资料较准确，精度较高。

本次勘探任务严格遵守以下中华人民共和国相关行业标准及安全要求执行：《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/ T18314—2001）、《地面瞬变电磁法技术规程》（DZ/ T0187—1997）、《物化探工程测量规程》（DZ/ T0153—95）［1］。

1 勘探区概况

勘探任务区位于山西省柳林县，整合后井田南北延伸4km，东西横跨3km，面积6km2。勘探区位于柳林县县城20km，交通运输条件较为便利。

该煤矿位于鄂尔多斯聚煤盆地东缘的河东煤田中段东边缘。区域出露地层由老到新顺次为：太古界界河口群，吕梁超群，元古界野鸡山群，长城系，古生界寒武系中、上统，奥陶系下、中统，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组，二叠系上统上石盒子组、石千峰组，三叠系下统刘家沟组、各尚沟组，三叠系中统二马营组、铜川组，新生界上第三系上新统，第四系中上更新统，全新统。老地层（界河口群-长城系）出露于三交详查区东、东北部的枣林、汉高山、关帝山、峪口、张子山及起云山一带，早古生代地层出露于煤田边缘地带，晚古生代含煤地层出露于离石煤盆及黄河东缘临县一柳林一带，中生代地层沿黄河分布于河东煤田西侧，新生界地层广泛出露［2］。

区内含煤地层主要为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，太原组地层为一套海、陆交互相含煤岩系，为本区主要含煤地层之一，岩性主要为黑色泥岩、砂质泥岩、中粗粒砂岩、灰色石灰岩及煤层。从沉积特征看，太原组含煤地层形成于海进过程中，聚煤作用形成于滨海平原上，海侵之初将潜水面抬升，致使滨海平原沼泽化，大面积沼泽分布，堆积了泥炭层，海侵的发生为泥炭层埋藏保存创造了条件［3］。该组中共发育有五层灰岩，为地层对比的主要标志层，共发育有6、7、8、9、10号五层煤，其中8、9号为全区可采煤层，其余为零星可采或不可采煤层。山西组地层也是主要含煤地层之一，为一套陆相含煤沉积地层，其含煤地层形成于海退过程中，聚煤作用发生于海退造成的三角洲平原环境中，该组总共发育有3、4、5号煤，其中4号煤层为可采煤层，其余在本区为零星可采或不可采煤层，该组其它岩性为长石石英砂岩、泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩等组成。

2 施工依据

2. 1 探测方法理论

地下的掩埋煤层被开采后，在地下岩层内部会遗留一定规模的采空区，围岩与采空区的电阻率理论上是无穷大的。但是随着长时间变化，上覆岩层就会在各种力的作用下产生裂隙或者陷落空间，地下及地表水就会趁机进入，因而会改变采空区的电阻率，即出现相对高阻或低阻异常区［4］。

一般情况下，地下水位没有漫过采空区的将会在电阻率图上表现相对高阻特征（图1），地下水位高出采空区之后会表现出相对的低阻特征（图2），将研究区内地层地球物理差异进行对比，运用综合资料解释方法可以圈定煤层采空区的位置及规模和探明采空区是否有渗水现象的产生。

如果在地层完整的区域内进行勘探测量，因为没有采空区，依据《地面瞬变电磁法技术规程》指导意见，结合该区的实际地质特征，电阻值高于170Ω·m为高阻异常，低于120Ω·m的为低阻异常。电阻率断面电性特征表现为正常（图3）。

2. 2 测区地层电性特征

根据收集到的地质资料可知，区内与本次勘探相关的地层从上到下一般为新生界地层、三叠系地层、二叠系地层、石炭系地层以及奥陶系灰岩地层。正常情况下，纵向上新生界表层视电阻率较高，向下趋于线性减小；二叠系上石盒子组的顶部是泥岩以及砂质泥岩混生主，呈低阻特征；下部上石盒子组的地层以砂泥岩互层，地层电阻率表现中低阻，以砂泥岩为主的下石盒子组和山西组地层，电阻率表现为低阻；以灰岩为主的石炭系和奥陶系地层，地层的电阻率表现为较高阻。因而研究区内整套地层的电阻率纵向上表现为为高～低～中～高型，为HA型［5］。

2. 3 施工难点与对策

根据现场踏勘，本次工作存在的施工难点及针对措施为：

（1）区内有数条高压线对数据质量会带来较大干扰，在高压线附近数据采集工作中，将与甲方协商，尽量在数据采集过程中断电以减小干扰影响，提高采集数据的信噪比。

（2）本区是标准的黄土高原地貌，地表沟壑发育，地形交错复杂，对数据的采集和最终结果的解释将会产生一定的影响。因此数据的正确处理是完成本次勘探任务的关键保障所在［6］。

3 工作方法

3. 1 瞬变电磁勘探原理

磁性源TEM法是经过在地表铺设的不接地回线通入脉冲电流，当回线中的稳定电流突然切断后，根据电磁感应理论，发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场，该磁场称为一次场。当一次场在周围传播过程中，如遇地下良导电的地质体，将在其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流［7］。导电地质体并不是非线性分布的，因而脉冲电流从峰值跃变到零，一次场就会瞬间消失，而产生的涡流场并不会随着消失，它表现为一个瞬变的过程，这个瞬变过程的快慢与地下导体的地球物理特征参数相关联，地质体如果具有良好的导电性，则体现出较长的瞬变过程。涡流场瞬变的过程中在周围的三维空间内产生相应的瞬变磁场，则称为二次磁场。利用已经架设好的接收线圈可以得到二次磁场的分布形态并且以感应电压表现出来，再通过对感应的二次场进行数据处理和解释，地下异常的地质体就会完整的浮现出来，目标异常体的电性特征以及空间分布都可以被获取到。勘探过程中因为没有一次场的前提下观测纯二次场的相对异常响应，所以可以获得更加直接、明显的保真度较高的原始数据［8］。

3. 2 技术思路

根据瞬变电磁勘探原理，确定的技术思路如下：

（1）以地质任务、地理、地质信息为依据，分析以往勘探资料及方法技术存在的问题。对表、浅、深层电性地质条件进行分析研究，根据现有资料科学制定施工方案，使施工方案设计合理具有针对性，并在施工过程中根据探测结果进行分析研究，及时调整施工方案。

（2）依据地质任务的要求和电性地质条件，有针对性的进行各种采集参数的论证［9］。

（3）在工区附近已知地质资料区进行各种采集参数的充分试验，针对不同的电性地质条件下的参数做采集工作。

（4）切实做好电性差异地层的调查工作，为电法数据处理及解释提供准确的参数。

（5）贯彻采集、处理、解释一体化的指导思想，确保地质任务的完成。

利用矿区已有的测量控制点作为基础控制测量的起算数据，坐标采用1954年北京坐标系统，高程采用1956年黄海高程系，高斯投影，中央经线111°。

此次勘探任务以《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/ T18314—2001做为施工依据，采用中海达的V8 GPS RTK系统作为支持［10］。V8 CORS RTK系统是新一代基于CORS技术的RTK GPS系统，系统采用超长距离RTK技术，第三代GPS卫星L5信号接收技术。系统静态测量标称精度为平面±（5mm + D×1ppm）；高程：±（10mm + D ×1ppm）。实时动态RTK测量标称精度为平面：±（1cm + D×1ppm）；高程：±（3cm + D× 1ppm）。

测量工作任务中要求点位误差小于±0. 4m，高程误差小于±0. 4m，质检点不少于原始测点总数的4%。

3. 3 工作装置及测网

1.工作装置

依据本次勘探的地质任务及各种TEM装置的特点，结合以往类似工作经验，拟采用大定源回线装置，框内观测方式。该装置具有勘探深度大、横向分辨率高的特点［11］。

2.测网网度

本次瞬变电磁勘探在甲方划定的约1. 96km2面积内拟定测网为40×20m。

3. 4 布置工作量

1号勘探区布置测线31条，测点651个。2号勘探区布置测线29条，测点1944个。

全区共计布置测线60条，测点2595个，按相关规范要求，检查点不应少于总工作量的3%计算，设计检查点78个。

4 成果解释

4. 1 数据处理

工作采集的TEM数据在处理前，我们首先用专业预处理软件对原始数据进行整理或预校正，严格判定数据质量，避免不合格数据的影响，然后对其进行整理，转换成专用数据处理软件所匹配的顺序以及格式［12］；第二，对数据进行滤波以消除或解除干扰信号的影响，重新识别信号的变化规律，科学地突出有用地质信息；第三，用软件计算得出视电阻率和视深度数据［13］；最后，基于本区地质特征，通过有关测量、地质以及钻孔资料做科学的地形与高程校正处理等过程，绘制出视电阻率拟断面图及相关图件（具体流程见图4）［14］。

4. 2 资料解释

勘探结果解释时要严格遵循已有原则：通过已知得到未知、由点及面、先简单后复杂、做到局部到全区并且兼顾的原则［15］。收集研究区的地质、地球物理资料必须要做到周全并丰富，考虑各种因素对观测结果的影响要面面俱到，遵守地球物理的科学定律，分析断面的参数和地质断面的联系时要细致彻底，一切手段符合科学规律［16］。

4. 3 成果分析

通过严格地数据解译发现仅在西侧地形较低位置发现了一条低阻带（图5），低阻异常区域最低值达到90Ω·m。并且分析得出仅在西南角一处小区块内有渗漏现象，通过安全评估检验认定其不影响安全生产。同时圈定了富水区和含水区的位置、范围和形态，圈定了区内采空区范围。结果表明，富水区主要存在于西部地理位置较低处，并且认定为地下水和地表水顺层侵入。

5 结论

通过本次勘探任务，基本确定了研究区内矿井出现煤壁出现挂汗以及巷道渗水等相关现象的主要原因为地下水和地表水顺层侵入，不会对矿井的正常生产造成危害。另外也圈定了煤层采空区含水情况以及采空区地下范围。瞬变电磁法在本次勘探任务中起到了巨大的作用，证实了瞬变电磁法的广泛运用给人类的生产带来巨大的经济利益。此方法可以在确保生产安全的前提下，给生产实践提供可行性建议。希望这项技术在其他方面得到更好的利用和发展。

参考文献

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Application of Transient Electromagnetic Method in Mining Goaf about Coal Seam——Taking Nianyan Coal Mine（Liulin，Shanxi）as an Example

Wang Weiming1，Li Yong1，Xiang Lin1，Wang Junru2，Liu Yingqian1，Shao Chongjian1，Li Xiaojun3
（1. Chengdu University of Technology，State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Chengdu 610059；2. Shijiazhuang University of Economics，Shi Jiazhuang 052165；3. Hydrology Geology Bureau，China National Administration of Coal Geology，Handan 056000）

Abstract：There was tunnel seepage phenomenon in the excavation process of in coal tunnel wall of Nianyan coal mine in Liulin，Shanxi. Preliminary estimate was that the goaf had been damaged to some extent，and caused the leakage. To explore in the area of the mining goaf and the water situation in the region，the transient electromagnetic method exploration was used. The V-8 multi-function electrical system，developed by Phoenix Company of Canada，was used in the exploration. Observation data could be interpreted that the majority of high resistivity means no large water leakage. Low resistivity anomaly is partial. Water leakage is in a small area in the southwest，and does not harm the normal production. Some geophysical data can be provided，and will be beneficial for the society and economy.

Keywords：transient electromagnetic method；goaf；resistivity；anomaly；water

中图分类号：P618. 110. 8

文献标识码：A

文章编号：1673-8047（2016）01-0066-06

收稿日期：2015-07-05

基金项目：国家自然科学基金项目（41372114）

作者简介：王伟明（1990—），男，硕士研究生，主要研究方向为盆地分析与成藏动力学。