瞬变电磁法探析在矿井积水异常区的应用

2019-10-28张晓波

中国矿山工程 2019年5期

关键词：电性井田富水

张晓波

(山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局，山西太原 030045)

1 前言

某矿井井田主要可采煤层有4、5、9、10、10+11号煤层。4号煤层位于太原组上部， K7为4号煤层顶板。煤层厚度0～1.55m，平均0.35m，该煤层结构简单，不含夹矸，为不稳定局部可采煤层。顶板为粉细砂岩，底板岩性为泥岩。

5号煤层位于太原组上部，距4号煤层底部为8.00m，井田内煤层厚度0～1.2m，平均0.56m，该煤层结构简单，不含夹矸。顶板岩性为泥岩、砂质泥岩，底板岩性为泥岩、砂质泥岩。该煤层为本井田内不稳定局部可采煤层。

9号煤层位于太原组中下部，上距5号煤层36.50m。煤层厚度0.4～1.9m，平均1.34m，该煤层结构简单，含0～2层夹矸。顶板岩性为石灰岩，底板岩性为泥岩。根据井下巷道揭露，井田北南部煤层变薄、顶板为细粒砂岩。该煤层为本井田内稳定大部可采煤层。

10号煤层位于太原组下部，在井田西、东南部与11号煤层合并。上距9号煤层2.10～5.53m，平均距离3.55m。本井田内煤层厚度1.07～2.40m，平均1.73m，该煤层结构简单，含0～2层夹矸，顶板岩性为泥岩、砂质泥岩，底板岩性为泥岩、砂质泥岩。该煤层为本井田内全区稳定可采煤层。

10+11号煤层位于太原组下部，上距10号煤层0.7～11.1m，平均距离4.81m。该井田内煤层厚度3.6～8.20m，平均5.85m，结构简单- 复杂，含1～10层

夹矸，夹石单层最大厚度0.8m，顶板岩性为泥岩，底板岩性为泥岩。该煤层为本井田内全区稳定可采煤层。根据井田外C- 32、J- 37及5号钻孔揭露，煤层被冲刷，推断井田内由西北至南出现冲刷和变薄带，对煤层开采及井巷布置有一定影响。

井田整体背向斜相间的褶曲构造，根据以往钻探控制、三维地震解释成果以及井下实际测量点发现井田共发育9条短轴褶曲，地层倾角一般在3°～14°；井田内经三维地震勘探和井下巷道揭露共发育断层48条，陷落柱25个；位于井田东南部主运大巷以及1101首采工作面均揭露古河床冲刷带，古河床冲刷带宽90m，整体以南北向纵贯井田。

为查明矿井内采空区和采空积水区情况，为煤矿的防治水工作提供依据。结合矿井煤层采空区及采空积水与围岩存在明显的电性差异，因此首先选择能有效分辨采空积水形成的低阻异常和采空形成的高阻异常的瞬变电磁法(TEM)进行本次勘查。

2 瞬变电磁法布置及测量

2.1 测网布置

本次勘查测网密度为20m(点距)×40m(线距)，测线方向为WE向，点线号编排遵循从西到东、由南往北的原则，共布设测线103条，坐标点13 361个。全区共计完成瞬变电磁法13 957个物理点,其中完成试验点60个，噪声调查点20个；完成坐标点13 334个，其中甲级物理点10 827，乙级物理点2 507个，甲级率81.2%；完成检查点543个，检查率4.07%。完成量与设计量对比见表1。

表1 完成工作量与设计工作量对比表个

2.2 野外施工方法

本次物探施工采用规则测网观测系统，瞬变电磁物探以每一发射回线中所包含的测点为单位施工，在发射线框1/3中心区域进行观测。在野外数据采集过程中，要对仪器和其他技术准备进行全面系统的检查、调试和标定[1]，还需要在以下具体技术环节采取有针对性的措施。

1)供电站

(1)应尽量设置在靠近测线的观测段，对供电站设备应采取必要的防潮、防雨和防晒的措施。

(2)每天观测开始前，供电站操作员应进行以下操作：

①发电机试车，观察其空载和有负载时的运转情况；

②检查仪器、装备和通讯工具的基本性能；

③检查各线路连接是否正确；

④检查导线是否漏电；

⑤粗略测量供电回路电阻，在确定电路接通和人员离开电极后进行试供电，选择合适的供电电压并调节平衡负载。

2)接收机系统

每天测量采集工作前需进行接收机的同步工作，将两台接收机与XMT- 32S发射机控制箱进行连接同步，确保发射与接收频率一致。

仪器的增益选择应适当，使仪器输出电压在正常的动态范围之内。一般选择“自动增益控制”，在外来噪声干扰较大时需要手动置入。

探头及前置放大器应正常。

同一测区如有两台以上的接收系统，应在同一点上采用相同的工作装置、相同的发射机进行接收的一致性校验。

3)接收机重复观测

(1)在观测过程中发现有明显干扰现象难以保证最终结果的精度时。

(2)仪器显示出超差的错误指示时。

(3)误差过大的观测数据可不参与计算平均值，但舍去的次数应少于总观测次数的三分之一；若超限的观测数据过多，停止观测进行检查和处理。

(4)在观测中发现有漏电存在时，立即排除，并根据漏电点的位置等因数分析漏电对已有观测结果的影响。在漏电排除后逐点返回重新观测，直到有连续三个点的结果符合要求时为止。

(5)当外部影响不严重时，可适当增加重复观测次数；当严重影响观测数据而又无法避免时，停止观测。

4)野外记录

做好野外班报，详细记录测点所在位置是否存在裂缝、塌陷等地质现象，并对地形地貌、地面建筑物进行描述等，为野外施工结束后的数据处理解释工作提供参考依据。

3 结果与分析

盲区深度取决于关断时间与测框大小，测框越大，关断时间越长，盲区深度越大，根据以往工作经验以及本物探区地质资料，瞬变电磁法测量盲区约为30m。

由于本物探区处于山区内，因此测框无法按照水平铺设，对测量数据产生影响，在进行地形校正时，只是把测深深度转换成标高，导致测线视电阻率形态受到地形影响。

正常岩层视电阻率等值线与地层延伸方向基本一致，当有构造裂隙或其他低阻异常体存在时，视电阻率等值线会发生扭曲、凹陷、凸起等形态。同一地层随着富水程度的不同，其视电阻率值也会表现出明显差异，本文分析就是利用这一电性差异来寻找同一地层中的异常地质体[2]。从纵向上看，从浅到深其视电阻率基本呈现由低- 中- 高变化的电性特征，上部为低阻反应，反映的是第四系及二叠系上部的电性变化趋势；中部视电阻率呈现逐渐升高趋势反映了二叠系地层的电性变化；下部视电阻率呈现逐渐升高趋势，反映了石炭系以及奥陶系上部地层的电性变化。

由于勘查区内4号、5号煤层间距平均间距8m，由于两层煤间距太小，体积效应在纵向上难以区分，因此对两煤层按一个电性层处理解释，编号为4+5号煤层。9号、10号煤层间距平均间距3.55m,10号、11号煤层间距平均间距5.85m，在井田西、东南部部分区域10号与11号煤层合并。由于这三层煤间距太小，体积效应在纵向上难以区分，因此对这三煤层按一个电性层处理解释，编号为9+10+11号煤层。

3.1 1010线视电阻率拟断面图阈值确定及异常推断

图1所示为1010线视电阻率拟断面图，1010线位于勘探区南部。从纵向上看，从浅到深视电阻率值基本呈现由低- 中- 高的电性特征，符合本区的电性特征。从横向上看，从图中可以看出1010测线4+5号煤层1 780～1 980m处视电阻率出现凸起形态，呈现高阻异常。9+10+11号煤层1 620～2 320m处视电阻率出现凸起形态，呈现高阻异常。根据矿方资料，1 620～2 320m处为榆树坪煤矿1989—1999年采空区，所以4+5号煤层采空异常区的阈值大于220Ω·m，9+10+11号煤层采空异常区的阈值大于280Ω·m。

图2所示为1010线2260点视电阻率、视极化率随深度变化，1010线2260点4+5号煤层埋深约200m，9+10+11号煤层埋深约240m。从图中可以看出在深度为200m范围内视电阻率较高，视极化率较低，推断为4+5号煤层存在采空异常区，在深度为240m范围内视电阻率较高，视极化率较低，推断为9+10+11号煤层存在采空异常区，解释成果与瞬变电磁法解释成果一致，与矿方提供的实际资料一致。

图1 1010线视电阻率拟断面图

图2 1010线2260点视电阻率、视极化率随深度变化曲线图

3.2 2450线视电阻率拟断面图阈值确定及异常推断

图3所示为2450线视电阻率拟断面图，2450线位于勘探区中部。从纵向上看，从浅到深视电阻率值基本呈现由低- 中- 高的电性特征，符合本区的电性特征。从横向上看，从图中可以看出2450测线4+5号煤层2 320～2 520m处视电阻率出现凹陷形态，呈现低阻异常。9+10+11号煤层2 320～2 740m处视电阻率出现凹陷形态，呈现低阻异常。根据矿方资料，2450线附近4+5号煤层没有采掘，9+10+11号煤层井下巷道大量出水，所以4+5号煤层顶板富水异常区的阈值小于80Ω·m，9+10+11号煤层采空积水异常区的阈值小于100Ω·m。

图4所示为2450线2460点视电阻率、视极化率随深度变化曲线图，2450线2460点4+5号煤层埋深约160m，9+10+11号煤层埋深约200m。从图中可以看出在深度为160m范围内视电阻率较低，视极化率较大，推断为4+5号煤层存在富水异常区，在深度为200m范围内视电阻率较高，视极化率较大，推断为9+10+11号煤层存在采空异常区，解释成果与瞬变电磁法解释成果一致，同时与矿方提供的实际资料一致。

一般来说完整的岩石，视电阻率值较高，当有岩层富水或煤层采空积水时，视电阻率值会相应的降低。通过对勘查区视电阻率顺层切片的整理，并根据视电阻率的相对高低分布，结合本次勘查区已收集到的相关地质资料对5号煤层采空区及采空积水区、L2灰岩富水区进行了解释圈定,异常区编号顺序从西往东由北到南。

图3 2450线视电阻率拟断面图

图4 2450线2460点视电阻率、视极化率随深度变化曲线图

3.3 4+5号煤层视电阻率顺层切片图异常推断

对勘查区4+5号煤层进行了数据处理切片分析，具体如图5所示，共圈定出低阻异常区7个，为4+5号DY- 1～DY- 7。根据矿方资料，4+5号DY- 1、DY- 2、DY- 3、DY- 5、DY- 6没有进行开采，推测是4号顶板K7砂岩富水引起的低阻异常。4+5号DY- 4、DY- 7位于小窑采空区位置附近，推测是由小窑采空区积水引起的低阻异常。

圈定处高阻异常区3个，为4+5号GY- 1～GY- 3。根据矿方资料，其中4+5号GY- 3为榆树坪煤矿采空区引起的高阻异常。4+5号GY- 2推断为榆树坪煤矿采空区引起的高祖异常。4+5号GY- 1推断为由小窑破坏区引起的高阻异常。

图5 4+5号煤层视电阻率顺层切片图

3.4 9+10+11号煤层视电阻率顺层切片图异常推断

对勘查区9+10+11号煤层进行了数据处理切片分析，具体如图6所示，共圈定出低阻异常区7个，为9+10+11号DY- 1～DY- 7。根据矿方资料，9+10+11号DY- 6没有进行开采，推测是4号顶板K7砂岩富水引起的低阻异常。9+10+11号DY- 4、DY- 7位于采空区位置附近，推测是由采空区积水引起的低阻异常。9+10+11号DY- 1、DY- 2、DY- 3、DY- 5附近都有原小窑井筒，推测是由小窑采空区积水引起的低阻异常。

图6 9+10+11号煤层视电阻率顺层切片图

圈定处高阻异常区5个，为9+10+11号GY- 1～GY- 5，根据矿方资料，其中9+10+11号GY- 1、GY- 2位于金庄村里，经分析，是由于资料受到干扰严重造成的假异常，9+10+11号GY- 3、GY- 5为由采空区引起的高阻异常。9+10+11号GY- 4推断为榆树坪煤矿采空区引起的高阻异常。