黄土区小煤窑采空区物探技术应用

王 覃 王卫红

(中化二建集团有限公司(山西华晋岩土工程勘察有限公司)，山西 太原 030021)



黄土区小煤窑采空区物探技术应用

王 覃 王卫红

(中化二建集团有限公司(山西华晋岩土工程勘察有限公司)，山西 太原 030021)

根据采空区的岩体和地球物理特征，分别采用瞬变电磁法和自然电磁法，对该采空区进行了地质勘察，说明了两种方法的应用技术和有效性，对复杂的小煤窑采空区的物理探测提供了一定的借鉴经验。

黄土，小煤窑，采空区，瞬变电磁法，自然电磁法

0 引言

山西其亚铝业拟建场地位于山西省临汾市汾西县内，该拟建场地500 m范围内，有2号煤层的小煤窑采掘情况，拟建场地北部边界紧邻山西煤炭运销集团巨富园煤业有限公司，该公司现采掘9号煤层、10号煤层，没有超层、越界；因此，拟建场地需对存在2号煤层的采掘情况进行勘查。

铝厂地基内的东西部有数量众多的2号煤层小窑采掘井口；大都于1989年—2005年进行的开拓，采掘时未使用炸药，手工掘进，由于没有通风设施，采掘范围最远到距离井口150 m；由于该地段2号煤层顶板为泥岩、页岩，极易坍塌，巷道宽只有1 m，从150 m前后倒向回采，采掘深度在40 m～130 m。

1 采空区地球物理特征

该勘探深度范围内地层为黄土、泥岩、砂岩、煤层及灰岩等。当煤层被开采以后,采空区上方岩层在重力作用下发生一定的塌陷,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,而采空区域及裂缝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。

根据以往资料，岩石的电性特征为：土壤、粘土、亚粘土等的电阻率较低，为10 Ω·m～102Ω·m；灰岩的电阻率则较高，为102Ω·m～104Ω·m。影响岩石电阻率的因素除了与岩石的组成成分和结构有关外，岩石中所含水分的多少(或湿度大小)对其有较大影响，在岩层中含有水分时，在电法勘查中表现为低电阻率。本测区内2号煤层采空区，巷道较窄，存在高阻形式的采空区，同时，由于开采时间较长久，顶板工程地质性质不佳，存在坍塌情况，部分地段地下水较丰富，采空区中可能储存了水，也存在低阻形式的采空区；与正常地层在其他岩层均会有明显物性(电阻率)差异，对于本次以探空为主要目的来说，具备投入电法所需的地球物理条件。

同时，地层中致密岩体或人工土洞，浅表地裂，贫水裂隙均为高阻特性；构造中存在含水区域，富水砂岩变厚，泥岩变厚，裂隙富水等的地质特性在电磁法中显示为低阻，使得物探方法具有多解性。

2 勘查方法选择

勘查区为黄土丘陵区，属于典型的黄土峁地貌，地表冲沟发育，陡坎密集；地震方法，高密度电法等采用等距的检波器、电极方法，一般人员无法到达而无法布置，实际整条测线无法测量；即使采用特制线缆，特种人员布设，由于地形陡，采集的数据均不是垂直向下的地层数据，而是垂直地表坡度的地下一定深度数据，无法解释，所以，常采用的等距的检波器、电极地震法，高密度电法无法进行。

瞬变电磁法，采用大定源装置，可以通过调整接收框水平，接收到垂直地下地层不同深度数据信息，一条测线上，除人员无法到达的陡坎个别点外，均可以测量；自然电磁法可以通过调节mn水平接收垂直向下地层的数据；一般来讲，自然电磁法相对高阻灵敏，瞬变电磁法相对低阻灵敏，两种方法搭配，可以较好地发现高阻、低阻异常。

3 瞬变电磁和自然电磁法应用

3.1 瞬变电磁资料具体解释

1)视电阻率剖面单点分析。

瞬变电磁数据解释遵循从点到线的原则，首先，进行了典型区域的单点电阻率曲线特征的分析。

图1取于P23线的542600测点，该地段2号煤层埋深约140 m，2号煤层已被采空；从图1中可见，视电阻率自地表到深度50 m左右电阻率呈现相对低阻缓慢递增现象，为该地段地表第四系覆盖层、风化岩层低阻向相对高阻基岩的过渡间断的地层反应，50 m～150 m左右电阻率曲线出现向下凹陷，呈现相对低阻，表明2号煤层被采空，2号煤层上部地层相对富水反应；深度150 m左右电阻率曲线出现较大的抬升，下部奥陶系灰岩高阻反应。

2)视电阻率拟断面图。

由各测线瞬变电磁视电阻率拟断面图分析可知：测区内正常地层的视电阻率纵向上由浅到深，总体上表现为低—中—低—高变化的规律。上部第四系和二叠系表层基岩风化面表现为低阻，二叠系上石盒子组的砂岩和砂质泥岩，下石盒子组电阻率增高，二叠系山西组的泥岩、砂岩表现为相对较低的视电阻率；石炭系后电阻率呈增高趋势，奥陶系灰岩表现为高阻。

P15瞬变电磁视电阻率拟断面图(见图2)，断面自542440～543020，长度为580 m，中部542780～542940是瞬变测量的空白区(见图2)，该断面位于勘查区中部，自剖面上542600～542740处，标高1 045 m的2号煤层处，地层视电阻率出现波折，曲线有低阻凹下情况，2号煤层以上地层视电阻率也以低阻下凹为特征，分析为2号煤层采掘后岩层坍塌特征，推断该处为2号煤层采掘区域；在剖面542960～543000，自地面到标高,1 047 m的2号煤层处，地层视电阻率曲线出现波折，显示的杂乱，2号煤层以上地层，视电阻率以低阻下凹为特征，上面地层视电阻率比下部稍低，但是，低阻中心在标高1 100 m处，不能推断为2号煤层采掘区；542780～542940没有进行瞬变测量，但是由于瞬变测量具有体积勘探效果，在采用软件形成的断面图上，其空白区最边部仍有一定参考价值。

3)视电阻率顺层切片图。

本矿区山西组2号煤层大部分已经采掘，形成大范围的采掘区，2号煤层的采掘，通过对勘查区瞬变电磁2号煤层视电阻率顺层切片图分析，把切片上视电阻率大于70 Ω·m地段以及小于35 Ω·m地段均划为圈定出2号煤层采掘区范围；一般认为，高阻异常是未坍塌，不含水或少含水的巷道或采掘区域，低阻异常是坍塌含水或未坍塌而满水的巷道或采掘区域；然而，依据经验，由于采掘形成的采掘区规模不同，深度不同，采掘形成时间不同，是否富水及富水程度不同，以及煤层采掘后，会形成“三带”，加上瞬变电磁的体积勘查影响，切片本身并不是能够较完整区分出采掘情况，所以，把瞬变电磁视电阻率拟断面图的采掘异常投影到切片图上，两者结合，圈定出2号煤层采掘区范围，详见2号煤层顺层视电阻率平面等值线图(见图3)。

3.2 自然电磁资料解释

视电阻率剖面图。

采掘解释原则，是在视电阻率层状分布的等值线图中存在相对低值，相对高阻，并配合地质等资料情况综合分析，根据勘查区的具体试验，正常的自然环境地层视电阻率一般小于15 Ω·m，煤层受到采掘坍塌或含水异常区域，视电阻率一般大于25 Ω·m巷道类未坍塌煤层采掘区，含水少的采掘区、较完整的巷道视电阻率异常大，大于60 Ω·m，最大者几百欧姆米，结合调查情况，划分出2号煤层采掘区域。

本次把等值线上视电阻率值大于25 Ω·m区域划为可能的2号煤层采掘异常区域，结合剖面判断异常的结果划分出2号煤层采掘异常区域，具体如图4所示。

4 结语

本次勘查自然电磁法先进行“扫面”，自然电磁对于同样异常，异常数据却灵敏，所有异常不会遗漏；由于该方法属于剖面方法，异常的深度无法判断，会有深部、浅部异常干扰；但是，瞬变电磁法则具备剖面、测深两种特性，在自然电磁剖面异常基础上，加做瞬变电磁，可以判明异常深度，排除部分非煤层采掘异常。我们把自然电磁采掘异常成果与瞬变电磁采掘异常成果进行综合判定，两种方法互相印证补充能更好的得出物探勘查成果。

[1] 李 坚.小煤窑采空区物探技术在铁路工程地质中的应用[J].物探与化探,2012,36(S1):1-6.

[2] 汝 亮,钟伟杰,朱裕振,等.用瞬变电磁数据精细处理技术探测煤矿采空区[J].物探与化探,2012,36(S1):158-160.

[3] 蒋帮远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京:地质出版社,1998.

Application of physics exploring technology in mined-out area of small coal mine in loose region

Wang Tan Wang Weihong

(ChinaChemical2ndConstructionGroupCo.,Ltd(ShanxiHuajinGeotechnicalEngineeringSurveyCo.,Ltd),Taiyuan030021,China)

According to the rock and geophysical features of the mined-out area, the paper respectively applies TEM and natural electromagnetic method for geological survey, and illustrates their specific application techniques and effectiveness, which has certain guiding meaning for geological survey of mined-out area in small complicated coal mine.

loose, small coal mine, mined-out area, Transient Electromagnetic Method(TEM), natural electromagnetic method

1009-6825(2017)14-0065-03

2017-03-07

王 覃(1984- )，男，工程师； 王卫红(1984- )，女，工程师

P624

A