瞬变电磁法在长沟煤矿采空积水区探查中的应用

张 洁

(阳泉煤业(集团)有限责任公司 地质测量部， 山西 阳泉 045000)

1 矿井及勘探区基本情况

长沟煤矿为资源整合煤矿，先期由于小窑开采，北翼采区形成大面积采空区，具体采空区边界、积水情况不明，且周边煤矿较多，采(古)空区积水对本井田煤层开采有一定的威胁,需进一步查明井田范围内采空、积水情况。该次勘探区范围为长沟煤矿北翼采区，面积1.51 km2.

2 勘探区地球物理特征

该次勘探目的层为15号煤层，主要查明15号煤层采空区积水情况。15号煤层位于太原组下部，上距K2灰岩15.07 m左右；距8号煤层78.56～87.84 m，平均83.20 m. 15号煤层厚度3.55～7.85 m，平均5.17 m，0～3层夹矸，结构较简单，盖山厚度380～440 m，煤层最低底板标高+860 m，处于区域奥灰水位(+670～+690 m)之上，不存在带压开采。

勘探区地表为一典型的山区地貌，沟谷纵横，高差变化较大，相对高差在300 m以上。复杂的地形条件不仅给测线布设带来困难，而且给地形校正增加了难度。本区黄土覆盖区面积不大，厚度小于20 m，70%以上为基岩出露区，出露岩石坚硬。

煤系地层基底奥陶系灰岩电阻率最高，构成本区又一良好的电性标志层。不充水的采空区电阻率明显高于岩层的电阻率；充水的采空区电阻率明显低于岩层的电阻率。以上电性差异为该次物探完成地质任务的地球物理基础。

3 野外原始资料的采集

3.1 野外施工方法及施工仪器选择

矿井瞬变电磁法施工地点离异常区最近,可更好地获得地层的信息[1]. 因此，根据该次勘探的主要目的任务，选择瞬变电磁法进行施测。

瞬变电磁法的工作原理需要两个基本的电磁原理来推导TEM测量使用的物理学:法拉第的归纳定律和兰茨定律[2]. 瞬变电磁法属时间域电磁感应方法，其原理是电磁感应定律。使用发射回线发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇时期内，观测二次磁场的方法[3-5]，见图1.

图1 瞬变电磁原理示意图

瞬变电磁法的工作方法很多，该次电法勘探选用大定源内回线装置进行试验。

3.2 试验工作

结合勘探区内具体情况，选择终孔深度较大、资料较全且人文干扰较小的长C-10钻孔作为本次孔旁试验。采空区试验线选择采区内跨已知采空和正常地层的S6线70—87号点和S10线18—35号点，确定具体的解释参数。

通过试验，确定采用480 m×480 m边长线框、8.3 Hz发射频率既能达到目的层深度，也能反映出地层电性特征，且试验线反映良好，可以满足地质任务要求。

3.3 测网布置及工作量

该次电法勘探测线方向为NW向，基本垂直地层走向，设计网度为20 m×40 m(即点距20 m，线距40 m)，布设瞬变电磁测线25条。

4 资料处理及解释

4.1 解释方法

1) 定性分析。瞬变电磁仪野外观测的主要参数为采样时间、发射电流、归一化感应二次场等[5].本区所有瞬变电磁测线均绘制了归一化二次电位剖面图、归一化二次电位差值剖面图和视电阻率断面图，用于推测采空积水异常区。

现以S10线为例分析：S10线归一化二次电位剖面图见图2，归一化二次电位差值剖面图见图3. 由图2,3可以看出，22—30号点二次电位及二次电位差值呈明显蹦跳，是采空区的典型反应，与已知采空区资料基本吻合，且从图3可以看出，22—26号点二次电位值分别较26—30号点相对较高(黑色圈定区域)，与浅部规律不一致，且从图4视电阻率断面图上可以看出，在15#煤层层位，22—26号点对应460～520 m处视电阻率值相对较低，推测为采空积水异常区。

图2 S10线归一化二次电位剖面图

图3 S10线归一化二次电位差值剖面图

图4 S10线视电阻率断面图

2) 定量解释。

长C-10钻孔旁瞬变电磁点(8.3 Hz发射频率,480 m×480 m发射线框)经反演计算后的横向视电阻率与深度对应关系图见图5. 从图5可以分辨出，二叠系与石炭系、石炭系与灰岩的界面不同电性层的电性变化情况，与钻孔资料吻合，以此进一步通过抽取采空区目的层所在深度的视电阻率，对采空区积水情况进行分析解释。

图5 视电阻率反演单枝曲线图

4.2 成果分析

正常情况地层在不受采空影响的情况下，煤系地层的电性变化有一定的规律性，反映在视电阻率断面图上为视电阻率值变化稳定，等值线呈似层状分布，变化平缓，在归一化二次电位剖面图上表现为各测道横向平滑，各点衰减基本一致。当存在煤层采空时，地层视电阻率升高，在二次电位剖面图上表现为“低值异常”，在视电阻率平面图上为高阻反应；当采空区积水时，则视电阻率值降低，在视电阻率断面图上等值线发生扭曲、变形或呈密集条带状等，在归一化二次电位剖面图上表现为“高值异常”，在视电阻率平面图上为低阻反应。据此，通过对各测线归一化二次电位剖面图、归一化二次电位差值剖面图和各测线视电阻率断面图来综合分析解释采空区积水情况。

S4线归一化二次电位剖面图见图6,电位差值剖面图见图7. 从图7可以看出，24—30号点衰减不稳定，起伏较大，且没有规律，结合图8视电阻率断面图可以看出，24—30号点(圈定区域)视电阻率较其他位置相对较高，为采空不积水的电性反应，与已知资料基本吻合。

图6 S4线归一化二次电位剖面图

图7 S4线归一化二次电位差值剖面图

根据对各测线归一化二次电位剖面图、归一化二次电位差值剖面图和视电阻率断面图的分析解释，结合该矿15号煤层底板等高线资料，对15号煤层采空积水异常区进行进一步解释。

根据目的层所在测道抽取的视电阻率平面图见

图9，圈定区域视电阻率相对较低，为明显低阻反应，推测为采空积水异常区。结合上述各线解释方法，综合圈定了采空积水异常区(图10)，圈定区域为采空异常区， Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ区域为推测的采空区，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ区域为解释的采空积水异常区。采空积水异常区共分成7部分，Ⅰ号和Ⅱ号采空积水异常区位于勘探区的西部，位于背斜的两侧，呈一条带分布，靠近采空区CK4的西部边界，积水范围较大；Ⅲ号采空积水异常区位于采空区CK2的北部，并且靠近该次勘探区北部边界；Ⅳ号采空积水异常区位于采空区CK2的西南部，位于煤层向斜的两侧，积水范围相对较小；Ⅴ号采空积水异常区位于Ⅳ号采空积水异常区的南侧，积水范围较小；Ⅵ号和Ⅶ号采空积水异常区位于采空区CK2的东南部，两者不连通；Ⅶ号采空积水异常区位于煤层隆起的南部，积水范围相对较小。

图8 S4线视电阻率断面图

图9 15#视电阻率顺层平面图

图10 15#煤层采空区及采空积水异常平面图

5 结 语

经过对电法资料处理与解释，结合已知资料，基本查明勘探区内已有采空区的积水情况。采用瞬变电磁法进行地面物探工作，基本查明了北翼采区采空积水区情况，为矿井安全生产提供了技术保障。