河南某煤矿区采空区物探应用分析实例

徐晓培, 秦学业，贾继标

(1.中煤地质集团有限公司，北京 100040； 2.河南省有色矿产地质勘查局第五大队， 郑州 450016)

采空区的存在严重地制约着矿井的生产发展。为了扩大生产规模并防患未然，对某煤矿二矿井田西部“采空区”分布情况进行物探勘测工作。测区东至107勘探线，西至井田边界，上至井田边界，下至+120m二1煤底板等高线，工作范围200m×1000m。实际完成偶极—偶极测深剖面3.3km，对称四极电测深剖面0.95km，瞬变电磁测深0.9km。测区内钻探资料较为丰富，并进行了综合测井等项工作，测区内物探工作做的较少，其物性特征依据电测井资料，对测区地层进行综合电性层分析。

1 地质概况及地球物理特征

1.1 地质概况

1.1.1 地层

勘测区地层由老到新为寒武系，上石炭统太原组，二叠系山西组、石盒子组、石千峰组及第四系坡积、冲洪积层等。含煤地层为上石炭统太原组、二叠系山西组及石盒子组；其中二叠系山西组为区内重要含煤(二1煤)地层，其次为石盒子组的三9煤层。

寒武系(∈)地层依据岩性可分为中、上寒武统，主要岩性以泥岩间夹泥灰岩、砂质泥岩间夹粉砂岩及透镜状灰岩、生物碎屑-砾屑灰岩及中厚层状白云质灰岩为主。地层沉积厚度达500m以上。

第四系(Q)主要以风积黄土为主，其次为冲积、洪积物。堆积厚度较小，一般为0～20m。

1.1.2 构造

基本构造形态为一走向北东，南东倾斜的单斜构造。构造特征以断裂构造为主，褶皱不甚发育。断裂构造一般表现为正断层，次为斜交正断层或平移断层。工作区内有韩家门正断层(F27)纵贯全区，测区位于F27断层的北西盘。

1.1.3 水文地质

勘测区几乎无地表水径流，地下水源主要来自大气降雨及雨季洪流的入泄补给。含水层岩性以砂、砾石层为主的第四系松散孔隙弱含水层，出露面积不大，分布在沟谷及河谷阶地地带。二叠系煤系地层各含煤层段的顶板砂岩属砂岩裂隙水弱含水层，由浅入深各含水层表现为煤层顶板直接充水含水层、局部地段成为间接充水含水层，深部富水性极弱。上石炭统太原组灰岩属岩溶裂隙水弱含水层，受构造的控制被切割成互不沟通的封闭块段，各块段富水性有异。老窑采空积水主要表现在采空区使得地表塌陷、断裂，雨季雨水及洪流沿裂隙导入汇集于采空区形成“富水区”，沿煤层露头多年来开采形成小窑采空，并存在大量的小窑积水，特别是小窑处于河床、沟谷旁且低于当地侵蚀基准面的采空区积水现象较为普遍，往往也是采空“富水区”。

1.2 地球物理特征

根据勘测区钻孔测井资料反映，二叠系煤系地层的含煤层段呈次高阻反映，二叠系下统各组的石英砂岩及中、粗粒砂岩呈高阻电性特征，泥岩、粉砂岩及其互层呈相对低阻；上石炭统太原组灰岩及其互层亦呈高阻特征。统计测区内钻孔的视电阻率测井曲线归纳出各层对应的电性参数见表1。

本次物探工作的主要目的是探测二1煤的采空情况。对应的物探问题是探测本区第3层电性层顶部(二1煤)电性的变化情况。根据以往的经验采空一般表现为较围岩电阻率高或次高阻。综述以上可以得出，电性剖面上下伏高阻基岩(C+∈)顶部出现的局部高阻区即为二1煤采空区的电性标志。

表1 岩石、地层电阻率参数表Table 1 Rock and strata resistivity parameters

2 工作原理方法

电阻率测深法是以地层岩石的电性差异为基础,通过人工建立稳定直流电场(或瞬变电磁场),观测与研究同一测量点下垂向不同深度电阻率的变化规律,推测解决地下各类地质问题的一组电法勘探。通过在已知探测目标体上试验,确定如下方法和装置参数。

①偶极-偶极电阻率测深。根据探测目标体埋深，装置参数选择AB=MN=a=50m、偶极子间距=na的等偶极距高密度观测系统。记录点位OO′中心，最小极距OO′=100m(即n=1)、最大OO′=700m(即n=13)。

②对称四极电阻率测深。采用MN/AB=1/10等比参数的电阻率测深法，最小供电极距AB/2=10m，最大供电极距AB/2=1 000m。剖面点距在50m的基础上加密到25m。

③瞬变电磁法。测量参数dBz/dt，根据探测目标体埋深，装置选择中心回线，发射线框边长200 m×200m，发射电流20A，发射基频为6.25Hz，时间道20个道，中心延时0.352 5～27.92ms。剖面点距50～100m。

3 资料处理与解释

对称四极电测深基本上反映了地层层状分布和大致的横向电性变化情况，对局部的电性变化反映较差。瞬变电磁法对地层垂向层状分布和横向电性变化反映较清晰、直观。偶极-偶极电阻率测深对地层垂向层状分布反映清晰，对局部电性变化也较灵敏，其异常形态复杂，解释和定位异常体难度较大。资料的解释是依据采空的电性标志(即在下伏基岩高阻层的顶部，这个特定的部位出现的局部高阻异常)利用上述方法采用相互印证、互为补充的办法进行。同时在垂向深度上利用煤矿控制的地层资料进行综合判定。

10线偶极-偶极测深视电阻率断面图(图1)，在55～80号测点有一采空电性标志高阻异常，推断为二1煤的采空区，深度在210～230m；110号点有一向大号点没有封闭的局部高阻异常，推断可能为二1煤的采空区，深度在240m。另外在测点-10～3、93～105、115～130r 浅部都出现了次高阻异常，推断在其相应位置可能为三9煤的采空区，深度约65～85m。

20线偶极-偶极测深和瞬变电磁法视电阻率断面(图2)在30～70号测点有三个采空电性标志的复合高阻异常，推断在30-70号测点为二1煤的采空区，深度200m，同时30～40号测点较浅部位存在一采空区；100号点向大号点方向有三个以上的采空电性标志高阻异常近连续出现，推断可能为二1煤的采空区，深度在200～230m。

图1 10线电测深电阻率断面图Figure 1 Line 10 electric sounding resistivity section

图2 20线电测深电阻率断面图Figure 2 Line 20 electric sounding resistivity section

30线偶极-偶极测深和四极测深视电阻率断面图(附图3)，在35-60号测点有二个采空电性标志的复合高阻异常，推断在35～60号测点为二1煤的采空区，深度在160～180m，同时50-55号测点在较浅部存在一采空区；110号点有一向大号点没有封闭的局部高阻异常，推断可能为二1煤的采空区，深度在210～220m。另外在96～102号测点浅部有一个次高阻异常，推断在96～102号测点可能为三9煤的采空区，深度约25m。

图3 30线电测深电阻率断面图Figure 3 Line 30 electric sounding resistivity section

4 结束语

(1)本次探测工作，对该矿的采空区有着电阻率异常反应，并能根据测量数据资料推断采空区深度与范围。

(2)由于主要目的层二1煤(采空区)的埋深较大，物探布设极距较大导致探测结果对规模小的采空区难于分辨、对采空区在平面位置的控制稍差。圈定采空区的边界误差,在垂直于测线方向上大于测线方向。

(3)探测方法以偶极-偶极电阻率测深对地层垂向层状分布反映清晰、对局部电性变化也较灵敏，探测效果最好。因其异常形态较为复杂，解释和定位异常体难度较大，为了弥补电法探测在垂向深度的分辩率较低的弱点，实际工作中要充分利用煤矿区已有大量的控制的地层资料，进行综合判定。