地面电法勘探在多层煤采空区积水探测中的应用

刘 洋

（大同煤矿集团有限责任公司煤峪口矿，山西 大同 037003）

透水事故是制约煤矿安全生产的重要因素，含有多层可采煤层的矿区，由于上覆煤层开采时间长，采空区易产生大量积水，在开采下部煤层时易引发突水事故，因此需要提前对含水区域、含水水量进行探测，从而制定科学合理的疏排水措施[1-4]。

1 工程概况

煤峪口矿位于大同煤田的南西部，井田内煤层采空区遍布，地面沉降、地裂缝和地面塌陷多数还处于未稳定状态。井田内含煤19层，总厚21.99m，含煤系数9.42%。可采或局部可采煤层共9层，自上而下依次是3号、4号、8号、9号、10号、11号、12号、14-2号和15号煤层，可采煤层平均总厚17.69m。采307盘区8701、8703工作面3#、9#、11#、12#及14#层物探范围总面积1.1km2。

2 地面勘查

2.1 工作量

本次勘查面积1.1km2，测线、测点的布置以“由西向东、由南向北”的原则布署，点距20m，线距20m，瞬变电磁法设计测线36条，测点2662个，实际完成测线36条，测点26个，丢点34个，检查点80个，共计完成测点2708个，其中甲级2438个，甲级率90.42%，乙级270个，乙级率9.58%。直流激电测深点完成3个。

2.2 质量评价

本次瞬变电磁共施工检查点80个，占全区观测物理点总数的3.1%，其平均相对误差为5.4%，总均方相对误差为5.9%。依据规程要求的质量验收标准，全区工作质量合格，甲＋乙级率100%，达到规程规范的质量要求。直流激电测深法的观测质量甲＋乙级率＞95%，达到规程规范的质量要求，全区工作质量合格，无废品。

3 探测数据分析

3.1 瞬变电磁法分析

（1）典型测线分析解释

单条测线的分析解释包括瞬变电磁多测道电压剖面与拟视电阻率断面图。 通过各测点垂直方向电性变化情况和不同深度水平方向电性变化情况，对采空区积水进行探测，典型测线进行分析。

图1 10测线多测道电压及拟视电阻率剖面图

10测线多测道电压剖面图和拟视电阻率断面图见图1所示。由图1（a）可见，中、晚期测道曲线平直，无明显的高值异常。由图1（b）可见，虚线从上至下依次为3#、9#、11#、12#及14#煤层底板等高线，在各煤层底板等高线处，无明显的低阻异常，结合调查的地质资料综合分析，推断该测线无明显采空区积水的反映。

27测线多测道电压剖面图和拟视电阻率断面图见图2所示。由图2（a）可见，中晚期测道曲线在13～49#点出现明显的高值异常，异常幅度较大。图2（b）可见，虚线从上至下依次为3#、9#、11#、12#及14#煤层底板等高线，11#、12#、14#煤层底板等高线处，14～46#点阻值明显偏低，异常幅度较大，结合调查的地质资料综合分析，推断13～49#点的高电压、低电阻异常为采空区积水的反映。

（2）典型平面图的分析解释

根据勘查区煤层的埋深情况，绘制了20测道、24测道、28测道、30测道、32测道的等电压值平面图及3#、9#、11#煤层顺层等视电阻率平面图（由于11#、12#、14#煤层层间距较近，故当一层分析）。

图2 27测线多测道电压及拟视电阻率剖面图

A.等值电压

图3（a）可见，20测道测区内主要有1处范围较大的高电压值异常区（虚线圈定），位于27～30测线的35～75#点，范围较大，表现为电压值较高，异常幅度较大，异常区内无铁磁物质、高压线等干扰，分析解释为采空区积水的反映。图3（b）可见，30测道测区内主要有2处范围较大的高电压值异常区（虚线圈定），Ⅰ号高值异常区与20测道等电压值平面图相似，只是Ⅱ号高值异常区比较突出。各测道在Ⅰ号异常区所反映的高值异常基本一致，只是Ⅱ号高值异常区在20、24测道并无反映，28、30、32测道反映明显且基本一致，说明Ⅱ高值异常区是深部积水区的反映。

B.等视电阻率

图4（a）可见，9#煤层顺层视电阻率等值线数值整体上差异较大，变化范围在50～110Ω·m之间。出现1处相对低阻异常，阻值在40～50Ω·m之间，其中右侧的低阻异常与28测道电压平面图的Ⅰ号高值异常区域吻合较好，分析为9#煤层的采空区积水；图4（b）可见，12#煤层顺层视电阻率图中等值线数值整体上差异较小，变化范围在60～120Ω·m之间。出现2处相对低阻异常，阻值在40～60Ω·m左右，其中右侧的低阻异常与32测道电压平面图的Ⅰ、Ⅱ高值异常区域吻合较好，分析为12#煤层的采空区积水。各平面在Ⅰ号异常区所反映的高值异常基本一致，Ⅱ异常区在11#、12#、14#煤层切片图中反映较为明显。

图3 各测道等电压值平面图

图4 顺层等视电阻率平面图

3.2 激发极化法分析

根据瞬变电磁法圈定的高电压异常区，在Ⅰ号高电压异常区的29～63#点和34～63#点辅助性布置了激电测深工作，进一步确定瞬变电磁圈定的异常区性质和深度。

（1）29～63#点

图5 29～63#点直流激电分析图

从图5（a）ρs单支曲线看出，曲线类型为H型，AB/2=3m至24m的低阻段为覆盖层和风化带的反映，AB/2=24m至300m曲线呈直线由低到高变化，为煤系地层的反映。从图5（b）ηs单支曲线看出，中、浅部ηs值整体上较低，基本上在1%以下变化，说明该段地层富水性较差；在AB/2=150m至360m曲线出现高值异常，ηs值最大可达2.4%左右，说明此段富水性强，解释该段为中强含水层。

（2）34～63#点

图6 34～63#点直流激电分析图

从图6（a）ρs单支曲线看出，曲线类型为KH型，AB/2=3m至18m的低阻段为覆盖层和风化带的反映，AB/2=18m至360m曲线呈直线由低到高变化，为煤系地层的反映。从图6（b）ηs单支曲线看出，ηs值整体上较低，基本上在1.3%以下变化，说明该处地层富水性较差，解释该处无采空区积水。

4 采空区积水估算

采空区积水量估算采用公式：

式中：

Q-采空区积水量，m3；

S-采空区投影面积，m2；

M-煤层平均厚度，m；

K-充水系数，0.3。

井田内3号煤层厚度0～3.02m，平均厚度1.94m；9号煤层煤层厚度0～2.15m，平均0.99m；11号煤层厚度1.15～10.44m，平均4.29；12号煤层厚0～5.16m，平均厚2.47m，含夹矸0～3层；14号煤层厚0～4.77m，平均2.11m。充水系数取0.3，具体预测情况见表1。

5 结 语

（1）采用地面瞬变电磁法对各个测线的拟视电阻率断面图以及各煤层的顺层切片平面图进行解释分析，并在其高压异常区辅助性布置激电测深工作，进一步确定瞬变电磁圈定的异常区性质和深度，查明了各煤层采空区的积水情况，可有效指导矿井生产安排。

（2）煤峪口矿307盘区8701、8703工作面3#、9#、11#、12#及14#层在勘查区内稳定可采，综合分析勘查区内主要采空积水区有8处，积水区面积总计139760m2，预计积水量为99473m3。

表1 各煤层采空积水量预测表