煤矿采空区瞬变电磁法物探应用实例

王志昊

(中煤邯郸设计工程有限责任公司，河北 邯郸 056031)

0 引言

随着城镇化建设的加快，城市逐渐扩张到原有地质条件较差的采空区上方，对现有地质条件评价工作提出了更高的要求。煤矿经过开采后资源枯竭，在封矿之后，地下采空区经过多年的空置垮塌后充入水或者空气等过程[1]，形成了不同于原有采矿地质资料的新变化。物探方法是现阶段有效的经济的反映地下采空区实际情况的手段之一[2]，使用物探方法来配合地质勘察钻探，既节约成本又提高时效。多种物探方法的同时应用，可以有效控制地球物理反演的多解性，解释结果可以相互对比佐证。

目前，采空区物探方法应用较多的有地震映像法、瞬变电磁法、高密度电法等[3]。采空后岩石的变形、垮塌、破碎使得岩石失去了之前的完整和连续，导致岩体波速和密度同完整围岩相比存在很大的差异。此时，利用地震映像法效果较好，在地震时间剖面会表现出反射波(组)中断，反射波频率降低以及波形不规则、紊乱甚至产生畸变等特点[4-6]，同时，该情况在电法上显示为较高的电阻率。当碎裂的岩石缝隙经过长时间的水的渗透，其充水后的岩石电阻率较小的特征较为明显。此时，瞬变电磁法和高密度电法则应用效果较好。根据前期初步踏勘和资料显示，本次采空区评价的区域地下水丰富，再加上地震方法投入成本较大，而现有高密度电法仪器的探测深度在150 m以内，因此本次评价采用瞬变电磁法，可实现最深达1 300 m范围内的勘探。

1 工程背景

1.1 采空区概况

采空区位于河北邯郸峰峰矿区北部新区，总面积约34.6万m2。根据资料搜集，场地为峰峰集团原一矿、泉头矿(原名泉头矿，后合并入二矿，后称泉头矿)井田交界位置，为煤矿采空区，采煤深度约为地面以下200～500 m，区内主要开采的是2号、4号煤层[7]，采空区具体位置如图1所示。

图1 峰峰某采空区位置图

1.2 地质构造

构造形态：区内断裂构造密集，以NNE及NE走向破碎带最发育，NWW向次之，NW向仅以小断裂形式出现。不同走向的破碎带相互切错，将煤系分割成若干小型地垒、地堑及阶梯状单斜断块组合等构造形态。

破碎带特点：①破碎带性质以正破碎带占绝对优势，煤田勘探揭露的数百条破碎带中，仅发现羊东井田和梧东井田各有一条小型逆破碎带；②破碎带具有多期活动性，多数为压扭性正破碎带；③破碎带平面组合多为“S”形，反映扭动走滑特点。

2 瞬变电磁法应用

2.1 基本原理

提到瞬变电磁法就不得不提激发、感应、二次场这几个关键词。激发，就是在地面或者某处通过不接地的回线向地下发射一次脉冲磁场。感应，是指地下目标体通过一次脉冲磁场的作用产生变化而做出的回应。二次场，就是指回应的结果，目标体产生的二次感应涡流场。在一次脉冲磁场间歇期间，在地面利用线圈来观测地下目标体中引起的二次场，这个过程就是瞬变电磁法的基本工作方法[8-10]。由于一次场是随时间变化的，它从零到强再到无，并在地下目标体中产生感应电流，一次场归零后，目标体产生的感应电流也由于损耗而随时间衰减。通过对目标体产生的二次场的观测，就可以判断出地下目标体的物理性质的不同，主要关注的物理量就是电阻率。瞬变电磁所观测的原始数据，是各测点的各个测道的瞬时感应电压，通过计算，转换成视电阻率、视深度等参数。绘制成瞬变电磁多测道断面图、瞬变电磁等视电阻率拟断面图来确定地下采空区边界位置及其深度。

2.2 测线的布置

仪器及参数：瞬变电磁法使用的仪器为武汉地大华睿地学技术有限公司生产的CUGTEM-8型资源勘查型瞬变电磁仪，通过对目的层深度的计算和现场试验，选择激发线圈和接收线圈边长为5 m，正方形布置。其他参数依次为：激发线圈匝数2匝，接收线圈匝数3匝，电缆8芯，探头等效面积600 m2。供电电流档选择100 A，供电脉宽10 ms，采集信号叠加次数15次。

测线测点：同时通过以往收集资料和物探方法解释结果，布置钻孔加以验证，在场地四周约800 m范围内布置瞬变电磁测网。测网大小为20 m(点距)×20 m(线距)，共布置瞬变电磁测线36条，自西向东编号为1～1.5～2～2.5～…～18～18.5～19，瞬变电磁测点1 517点，测网位置如图2所示(瞬变电磁测线为近南北向蓝色实线，图中只显示了整数线1，2，3…18，19)。

图2 测线及钻孔布置图(深色线为瞬变电磁法测网，浅色线为可控源大地音频法测线，黑点为验证钻孔，黑框为测区范围)

2.3 资料处理

视电阻率断面图：数据采集后，通过专业的处理软件采用瞬变电磁电流归一化法计算得出每一条测线上每个点随深度变化的视电阻率。按线成图后得到视电阻率断面图。每条断面图通过颜色的深浅变化表达视电阻率的高低，由低到高，相同的视电阻率用实线相连，形成圈闭异常。

切面图：得到断面图后，可以进一步处理得到切面图。将每个断面图中的视电阻率数据汇合后，按照深度重新排列。其中，需要对断开的数据用Surfer软件进行平滑处理，进而提取到某一特定深度的切面图[11-12]。如果地表变化剧烈，可以加入地形校正。本区域地形变化不大，不需要进行地形校正。

3 数据分析

3.1 视电阻率断面图

本次瞬变电磁工作，共获得视电阻率断面图32张，选取部分具有代表性的图进行具体解释分析。

测线1：测线1瞬变电磁视电阻率断面图如图3所示。从图中可以看出，该测线位置在-100～-300 m深度范围内存在6个视电阻率曲线异常区域(图中用虚线圈出)，推测1～3异常可能为采空区异常，均为低阻异常区域含水性强。推测4、6异常可能为采空区异常，为高阻异常区域含水性弱。根据地质钻探资料显示，推测异常6为2号煤引起的采空区，异常4为4号煤引起的采空区。

图3 测线1瞬变电磁视电阻率断面图

测线2：测线2瞬变电磁视电阻率断面图如图4所示。从图中可以看出，该测线位置在-100～-300 m深度范围内存在5个视电阻率曲线异常区域(图中用虚线圈出)，推测1、2异常可能为采空区异常，均为低阻异常区域含水性强。推测3异常为破碎带异常。推测4、5异常可能为采空区异常，为高阻异常区域含水性较弱。由于异常5的面积较大，根据地质钻探资料显示，推测异常5为2号煤、4号煤共同引起的采空区。

图4 测线2瞬变电磁视电阻率断面图

测线3：测线3瞬变电磁视电阻率断面图如图5所示。从图中可以看出，该测线位置在-100～-300 m深度范围内存在7个视电阻率曲线异常区域(图中用虚线圈出)，推测1～3异常可能为采空区异常，均为低阻异常区域含水性强。推测5异常可能为采空区异常，为高阻异常区域含水性弱。由于异常5的面积较大，根据地质钻探资料显示，推测异常5为2号煤、4号煤共同引起的采空区。

图5 测线3瞬变电磁视电阻率断面图

测线4：测线4瞬变电磁视电阻率断面图如图6所示。从图中可以看出，该测线位置在-100～-300 m深度范围内存在6个视电阻率曲线异常区域(图中用虚线圈出)，推测1、3异常可能为采空区异常，均为低阻异常区域含水性强。推测4、5、6异常可能为采空区异常，为高阻异常区域含水性弱。根据地质钻探资料显示，推测异常5为2号煤引起的采空区，异常6为4号煤引起的采空区。

图6 测线4瞬变电磁视电阻率断面图

3.2 视电阻率切面图及钻探验证

西侧-200 m电阻率切面图：通过结合已知地质资料，在分析煤层控制深度的基础上，结合瞬变电磁视电阻率断面图，本次探测在西侧区域取得1张，-200 m(地面为0 m)视电阻率切面图，如图7所示。可以看出西侧瞬变电磁测区范围内共存在6个视电阻率异常区域(虚线内，编号为G1、G2、G3、D1、D2、D3)，推测可能为采空区异常，其中D1、D2、D3异常区域含水性较强，G1、G2、G3异常区域含水性较弱。参考收集到的以往资料，在G1区域通过钻探加以验证，在-200 m深处有矿道垮塌残留，煤渣和采矿用支撑木残留，干燥，密实，水含量很低，因此在视电阻率图上显示为高电阻异常。

图7 -200 m电阻率切面图

东侧-150 m电阻率切面图：在东侧区域取得1张-150 m(地面为0 m)视电阻率切面图，如图8所示，可看出，东侧瞬变电磁测区范围内共存在4个视电阻率异常区域(虚线内，编号为D1、D2、D3、D4)，推测可能为采空区异常和破碎带异常，均为含水性较强区域。参考以往资料，在D1区域通过钻探加以验证，在-150 m深处取样明显碎裂不整，且其上部岩性和下部岩性明显不同，可判断为破碎带且含水，因此在视电阻率图上显示为低电阻异常。

图8 -150 m电阻率切面图

4 结语

煤矿采空区是夹杂地质变化较为复杂的区域，除了常见的采空因素影响，地质构造变化也为采空区的准确评价带来了一定的困难。通过本次勘察，煤矿矿道垮塌后可以产生两种视电阻率异常，一是巷道内充水，则产生视电阻率低阻异常区；二是垮塌时间较长的巷道，由于压实作用，水含量降低，而原有煤和采矿残留物，如木渣等，都是高阻体，因此也会产生视电阻率高阻异常；二者均应通过钻探加以验证。视电阻率切面图不仅准确反映了异常区的位置和深度，而且展现了它的影响范围，是较好并且直观的呈现手段。