不同感应类电法勘探的煤矿采空区积水探测对比研究

林井祥 李月超 李国鑫 李博文 李彬仕

(黑龙江科技大学 矿业工程学院，哈尔滨 150022)

在煤矿建设和生产中，采空区积水成为矿井水害事故的主要原因。因此清楚地掌握采空区含水体的分布规律，成为煤矿安全生产的依据[1-4]。通过实践证明，当前主要是使用地球物理勘探技术探测采空区含水体的分布规律，而最有效的地面地球物理探测方法主要是电法勘探。电法勘探的方法有很多种分类方式，按照产生异常电磁场的原因来分类，则可分为传导类电法、感应类电法[5]。由于井工煤矿开采形成的采空区相对深度较深，所以其更适用于感应类电法勘探[6-7]。瞬变电磁法和大地电磁法这两种电法是对煤矿采空区积水很敏感的感应类电法勘探方法，同时运用这两种方法进行勘探对比研究，能更准确地反映煤矿采空区积水情况[8]。

目前基于电法勘探确定矿井采空区含水体分布规律的方法众多，但不同方法之间对比的研究较少[9-11]。鉴于此，笔者结合鸡西矿区某煤矿工程实例，应用瞬变电磁法和大地电磁法对煤矿采空区积水体进行探测，通过瞬变电磁法与大地电磁法探测反演成果与已知资料及钻探结果进行对比分析研究，比较两种研究方法四种探测设备在煤矿采空区积水体探测中的优缺点及应用效果。

1 研究方法

1.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法——基于电磁感应原理上的时间域人工源电磁探测方法。它利用发送回线Tx(磁源)发送脉冲磁场(通常称为一次场)，在一次场关断的瞬间，由于作用在良导电矿体上磁通的变化，在良导电矿体中激励起的感应涡流，其是随时间衰变的涡流场，从而激励起随时间变化的感应电磁场(通常称为二次场)。由于二次场包含有良导电矿体形状、大小、位置及导电性等丰富的地电信息，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用接收线圈Rx观测二次场(或称响应场)，通过对这些响应信息的提取和分析，从而达到探测目的[12-13]。

1.2 大地电磁法

大地电磁法——基于电磁感应原理，用于研究地球电性的一种地球物理方法。它利用宇宙中的太阳风、雷电等入射到地球上的天然电磁场信号作为激发场源，称为一次场，该一次场是平面电磁波，垂直入射到大地介质中，大地介质中将会感应出变化的电场即大地电流场，并产生二次电磁场，在地球内部，这种电磁场的分布取决于岩石的电性结构。在地面上单点观测天然交变电磁场互相垂直的Ex、Ey、Hx、Hy四个分量，分析研究地面波阻抗随频率的变化，可以探测出地球内部岩石电性随深度的分布规律[14]。

2 瞬变电磁法和大地电磁法勘探

2.1 勘探区概况

勘探区为黑龙江省鸡西市鸡冠区某煤矿，其矿井设计生产能力为0.6 Mt/a，现开采煤层为无夹矸的1#、2#煤层，1#、2#煤层均位于侏罗系上统鸡西群城子河组上部。该矿开拓方式为双斜井开拓，通风方式为中央并列抽出式通风，采煤方法为走向长壁后退式采煤法。井口高程为+295 m，现开采水平为-65 m。勘探区地层自上而下见表1。勘探区地形为山地，测区内有厂矿企业、高压线、水沟、铁路等。

表1 勘探区地层情况

为保证对比试验效果，根据勘探区地表及地质情况，试验并确定理想的采集数据参数，同时保证采集数据质量和设备仪器性能符合相关规程，因此对比试验线选择在勘探区西部的2120E测线，测点选择在勘探区北部的720 N～920 N测点，此处没有电磁干扰的厂矿企业、高压线、水沟、铁路等影响因素，同时存在已知采空积水区。

2.2 瞬变电磁法及勘探成果

本次瞬变电磁法勘探选用大定源回线装置，采用加拿大GEONICS公司生产的PROTEM-57瞬变电磁仪和澳大利亚MONEX GeoScope公司生产的TerraTEM24瞬变电磁仪，这两套仪器均具备探测精度高、受地形干扰小等优点。仪器主要性能参数见表2。

表2 PROTEM-57瞬变电磁仪和TerraTEM24瞬变电磁仪性能参数表

通过运用PROTEM-57瞬变电磁仪和TerraTEM24瞬变电磁仪对勘探区进行探测，由于论文篇幅限制，采集参数对比试验不展开介绍了，两套设备主要工作参数见表3。采用反演软件进行数据处理，使用Surfer软件成像出图，如图1中(a)为PROTEM-57瞬变电磁仪探测所得，(b)为TerraTEM24瞬变电磁仪探测所得。

表3 PROTEM-57瞬变电磁仪和TerraTEM24瞬变电磁仪工作参数表

图1 瞬变电磁法测线视电阻率剖面图Fig.1 The apparent resistivity profiles of the line of TEM

从图1中可见，第一，视电阻率变化特征基本相似，呈“低—中—高—低—中”变化。第二，视电阻率绝对值差别较大，PROTEM-57瞬变电磁仪所得电阻率值为15～85 Ω·m，TerraTEM24瞬变电磁仪探测所得电阻率值为10～105 Ω·m。第三，图中均出现了明显的低阻异常反映且存在局部差异，探测推断的采空区积水区域范围大致相同(图中椭圆圈定区域)，并推断水源的导水通道(图中虚线)。PROTEM-57瞬变电磁仪探测采空区积水区是测点840 N—920 N之间-90～+130 m标高范围内，TerraTEM24瞬变电磁仪探测采空区积水区是测点720 N—920 N之间-70～+110 m标高范围内。第四，由于采用不同的反演软件，前者是用BETEM软件，后者是用IX1Dv3软件，前者反演结果在图中显示分辨率较高，细节更丰富，识别规模的地质体特征强于后者，可见BETEM软件反演效果要优于IX1Dv3软件。

2.3 大地电磁法及勘探成果

本次大地电磁法勘探采用美国电磁研究机构EMI和电磁仪器制造商Geometrics公司联合研制的EH-4连续电导率剖面仪和Geode EM3D电磁勘探系统，这两套仪器均具备工作效率高、设备体积小、质量轻等优点。仪器主要性能参数见表4。

表4 EH-4 连续电导率剖面仪和Geode EM3D电磁勘探系统性能参数表

通过运用EH-4连续电导率剖面仪和Geode EM3D电磁勘探系统对勘探区进行探测，由于论文篇幅限制，采集参数对比试验不展开介绍了，两套设备主要工作参数见表5。采用反演软件进行数据处理，使用Surfer软件成像出图，如图2中(a)为EH-4连续电导率剖面仪探测所得，(b)为Geode EM3D电磁勘探系统探测所得。

从图2中可见，第一，视电阻率变化特征差异较大，前者呈“低—中—高—中—低—中”变化，后者呈“高—中—低—中”变化，差异主要来源于Geode EM3D电磁勘探系统浅部盲区数据导致的。第二，视电阻率绝对值没有差别，EH-4 连续电导率剖面仪和Geode EM3D电磁勘探系统探测所得电阻率值为0～100 Ω·m。第三，图中均出现了明显的低阻异常反映且存在局部差异，探测推断的采空区积水区域范围大致相同(图中椭圆圈定区域)，并推断水源的导水通道(图中虚线)。EH-4 连续电导率剖面仪探测采空区积水区是测点820 N—900 N之间-70～+150 m标高范围内，Geode EM3D电磁勘探系统探测采空区积水区是测点800 N—900 N之间-130～+130 m标高范围内。第四，由于采用不同的反演软件，前者是用设备自带的IMAGEM 2D软件，后者是用 第三方Zonge SCS 2D软件，可见前者数据处理时间明显少于后者。

表5 EH-4 连续电导率剖面仪和Geode EM3D电磁勘探系统工作参数表

图2 大地电磁法测线视电阻率剖面图Fig.2 The apparent resistivity profiles of the line of magnetotelluric method

2.4 两种方法与已知资料及钻探对比分析

根据现场勘查和矿方提供的水文地质资料及采掘工程图(图3)可知，在该测线的840 N-920 N测点处为2014年炮采形成的1#、2#左五片采空区，采空区积水的导水通道主要是该测线附近的已知F3断层与采空区及上覆岩层裂隙形成的。

图3 采掘工程图Fig.3 The mining engineering drawing

现场对该测线860 N测点处进行探空钻探验证，探空钻探结果显示：钻孔深度在160 m处见空同时见水，探空钻孔情况见表6。

表6 钻孔探空情况一览表

根据以上分析结果，瞬变电磁法和大地电磁法两种方法的四种设备探测的采空区积水相应深度与现场实际资料及钻探结果基本一致，验证了这两种方法的有效性，其中瞬变电磁法的PROTEM-57瞬变电磁仪勘探结论更为精确。

3 结论

以鸡西矿区某煤矿工程为实例，采用瞬变电磁法和大地电磁法的四种设备探测采空区积水空间位置，根据探测成果的视电阻率变化值、反演剖面图、采空区积水体探测效果的差异，结合已知资料及钻探结果进行对比分析。结果显示，四种探测设备反演结果的视电阻率变化特征基本相似，都能较好地反映出电性层在垂向上的分布规律，视电阻率绝对值差别不大，所得电阻率值为0～100 Ω·m，探测推断的采空区积水区域范围大致相同，并指出水源的导水通道，与现场实际资料及钻探结果基本一致，验证了这两种方法的有效性，其中瞬变电磁法的PROTEM-57瞬变电磁仪勘探结论更为精确。该研究可为煤矿防治水工作提供技术支持，具有十分重要的工程应用价值。