瞬变电磁法在煤矿采空区勘查中的应用研究

2021-07-06刘培浩

能源与环保 2021年6期

刘培浩

(山西忻州神达栖凤煤业有限公司，山西忻州 036799)

我国煤炭储量丰富，随着煤矿逐渐向深部开采，留下的采空区越来越多，给矿井安全开采带来了极大的隐患，也给矿井储量的核实增加了难度。为了准确地获取采空区的范围及分布，国内学者对此进行了大量的研究，目前常用方法为井下实测、瞬变电磁法、钻探、地球物理测井等方法，其中瞬变电磁法受到诸多学者的青睐。姜志海等[1]研究了浅埋特厚煤层小窑采空区瞬变电磁探测技术，三维数值模拟了理论地电模型与高阻采空区模型，分析了高阻目标体的瞬变电磁分布规律和响应特征，对适合该地区的时深换算系数进行了确定，选取合理的参数，瞬变电磁法可以探测出直径大于5 m的未塌陷小窑采空区；杨勇等[2]研究了综合物探方法在房采采空区勘查中的应用，采用用瞬变电磁和可控源音频大地电磁相结合的方法，对普泉煤矿勘探区内浅埋房柱式采空区进行探测，表明该方法在浅埋房柱式采空区探测方面具有较高的准确性和可靠性；杨镜明等[3]采用高密度电阻率法和瞬变电磁法，探查了煤田采空区和注浆情况，分析了开展煤矿采空区地球物理探测的物性差异；文献[4]分析了综合物探技术在煤矿采空区勘查中的应用；文献[5]使用等值反磁通瞬变电磁法，研究该技术在城镇地质灾害调查中的应用，得到已知塌陷坑在探测结果中为低阻异常；文献[6]研究了全空间瞬变电磁法在煤矿防治水中的应用，采用重叠回线装置对掘进工作面前方和回采工作面顶底板隐伏含(导)水构造进行探测。

基于此，笔者以某煤矿为研究对象，采用瞬变电磁法，分析了研究区电性异常特征以及二1煤层可靠和较可靠采空异常区分布，然后对某煤矿进行了核实测量，同时进行钻探验证，得到了采空区可靠性分布。

1 地质概况及地球物理特征

1.1 勘探区位置

某煤矿位于登封市东南，白坪乡白坪村境内，行政归属登封市白坪乡管辖，北距登封市约22 km，南距汝州市约30 km。勘探区位置如图1所示。

图1 勘探区位置

勘探区位置范围拐点坐标见表1(二1煤层(国家2000坐标系))。

表1 勘探区位置范围拐点坐标

1.2 勘探区地层

某煤矿区内大部分被第四系地层所覆盖，在矿区东部基岩有零星出露。据地表出露及生产矿井和钻孔揭露，本区地层由老到新依次为：寒武系上统崮山组(∈3g)，石炭系上统本溪组(C2b)、上统太原组(C2t)，二叠系下统山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)，二叠系上统上石盒子组、石千峰组合，第四系(Q)。

(1)寒武系(∈)。区内钻孔仅揭露寒武系上统崮山组(∈3g)，其岩性为浅灰色，厚、巨厚层状白云质灰岩，局部具有溶蚀现象，厚度为86～189 m，钻孔揭露最大厚度为56.33 m。

(2)石炭系(C)。①上石炭统本溪组(C2b)。本组厚度为6.42～25.42 m，平均厚12.10 m。岩性以浅灰色铝土质泥岩为主，局部为铝土矿，具鲕状和豆状结构，含黄铁矿结核及团块，局部呈层状出现。铝土质泥岩主要成分为一水硬铝石，其次为高岭石、伊利石、黄铁矿、赤铁矿及软水铝石。在电测井HG曲线上呈下低上高的异常反映。该层铝土质泥岩是对比一3煤层的主要标志层之一。此组为潟湖—海湾相沉积，层位稳定。本溪组与下伏崮山组为平行不整合接触。②上石炭统太原组(C2t)。本组厚厚37.72～66.40 m，平均厚46.05 m，由深灰色石灰岩、泥岩、细—中粒砂岩及煤层组成，与下伏本溪组呈整合接触。

(3)二叠系(P)。分为上、下两统，下统包括山西组和下石盒子组，上统包括上石盒子组和石千峰组。

(4)第四系(Q)。本区第四系分布广泛，顶部为耕植土、黄土或坡积物，中下部为黏土及砂质黏土，夹少量砂、砾石。厚0～16.00 m。与下伏各时代地层为角度不整合接触。

1.3 煤层

1.4 勘探区构造

本区位于嵩山背斜与箕山背斜之间的颍阳—芦店向斜的南翼东段，属嵩箕构造区，嵩箕断隆小区。总体构造形态为一地层走向280°、倾向10°、倾角为15°～23°的单斜构造。

1.5 勘探区地球物理特征

根据电法勘探资料，勘探区内各地层之间(垂向上)均有较明显的电性差异，正常情况下，浅部第四系地层电阻率较低，第四系地层较薄，其没有成为一个独立电性层表现出来，其与二叠系浅部的砂岩层形成一复合电性层，电阻率中等，下部二叠系地层为砂泥岩互层，电阻率略低，深部寒武系灰岩地层电阻率较高。根据物探资料对本区内各地层的视电阻率(ρs)作一归纳，勘探区地层电性见表2。

表2 勘探区地层电性

2 原始数据采集

2.1 瞬变电磁法原理

瞬变电磁法(TEM)是一种时间域人工源的电磁法，具有较高的抗干扰能力和分辨率，其原理是：首先给地面的发射线框供一直流电流，然后突然切断电源，线框内的电流将发生一个突变，这种瞬态变化的电流将在空间产生一个瞬态的磁场，瞬态的磁场引起地下形成涡流，涡流随时间的推移不断向地下扩散，扩散的速度与地下地层的电阻率有关，不同时间扩散到不同深度。通过记录地下涡流变化(磁场变化率dB/dT)的情况来达到了解地下电阻率的目的[7-9]。这一过程可用图2表示，图2中是一个环形发射框的情况，实际上发射框可以是任意形状，但为了布设和计算的方便，通常采用矩形发射框。

图2 瞬变电磁法原理示意

有限导电地质体瞬变电磁响应可以用一个具有电阻和电感的回线上的响应相等效，回线中的感应电压V2(t)正比于二次磁场的时间导数：

(1)

式中，τ为衰减的时间常数。

式(1)忽略了导电围岩和导电覆盖层影响，导电围岩对瞬变电磁法勘探的影响有3个方面：①半空间导电围岩中“环流”的响应；②围岩中“环流”向良导地质体集流的响应；③“环流”激发在良导地质体中产生感应涡流的响应。这3种附加响应的相对关系受导电围岩电阻率支配，当围岩电阻率较小时，集流响应起着支配作用[10-11]。

2.2 工作布置

勘探区东西长1 160 m，南北宽约1 380 m。设计工作布置为瞬变电磁勘探为40 m×20 m的勘探网度，线距40 m，点距20 m，瞬变电磁测线30条。

2018年10月19日，主要勘探人员进入现场踏勘，对勘探区内的地质、地形、道路等分布情况进行了详细踏勘，制定了工作方案。当日勘探工作正式开始。11月1日完成了设计施工任务，历时14 d。共完成测线30条，试验点50个，线上物理点1 666个，质量检查点105个，总计完成瞬变电磁物理点1 821个，剖面总长32 740 m和瞬变电磁工作量统计(表3)。

表3 瞬变电磁工作量统计

2.3 技术措施

(1)对仪器工作状况及测点周围地形、地物、高压线、村中的车辆及其他可能影响到资料解释的因素进行详细记录。

(2)做好对瞬变电磁电压衰减曲线的监测，发现有干扰存在时，要采取增加叠加时间，增加观测次数等措施。

(3)采用供电导线绝缘电阻>2 MΩ，内阻<5 Ω/km。

(4)敷设发射线框时，长度误差不大于5%、方向误差不大于1°，余线呈“S”形平行铺于地面。

(5)采用专用过水电缆，经过水盆过水浸泡检测导线绝缘电阻>2 MΩ，才能使用。

(6)提前对高速公路沿线的过水涵洞、过路涵洞进行踏勘，充分利用这些通过高速公路的通道，保证放框的精度。

3 资料处理与解释

3.1 数据处理步骤

瞬变电磁法观测资料是各测点各个时窗(测道)的瞬变感应电压，需换算成视电阻率、视深度等参数，以便对资料进行解释。处理步骤主要分为4步[12-15]。

(1)将测量资料传输到微机，对实测数据进行计算、校核后绘制成V(t)/I多测道断面图，对勘探区内可能存在的构造、破碎带、采空区进行初步解释。

(2)对实测数据进行数值积分获得Bz(磁场的垂直分量)，利用Bz进行全程视电阻率(ρs)的计算，利用全程视电阻率并结合矿层埋深及构造成果对各测点进行正、反演把“视电阻率—时间”关系变换为“电阻率—深度”模型，并绘制电阻率剖面图。

(3)对区内矿层的埋深作矿层埋深视电阻率切片，对采空区进行进一步解释。

(4)结合全区地质资料及绘制的各种图件。

3.2 资料解释推断

物探资料的处理和解释工作往往是同时进行的，存在一种从实践到认识的提高过程。资料解释是建立在数据处理后的各种剖面图和平面图的基础上的。

3.2.1 视电阻率等值线剖面图分析

通常，勘探区内测线的视电阻率等值线剖面图上，地层的视电阻率等值线与地层延伸方向基本一致，当构造发育或者有其他低阻异常体存在时，视电阻率等值线在横向与纵向上均会出现扭曲或梯度变化。地层存在地质异常体时，其视电阻率值也会表现出明显的局部差异。完整寒武系地层为高阻反映，采空区积充水时相对围岩为低阻反映，瞬变电磁正是利用这一电性差异来寻找同一地层中的异常地质体。

勘探区1000线视电阻率剖面如图3所示。该测线位于勘探区的西部，测线呈南北向布设，点号100—1320。图中横坐标为测点点号，纵坐标为标高。黑色实线为二1煤层，剖面颜色的渐变，代表了视电阻率由低—中—较高—高的渐变过程。图3中上部中高阻段+250 m标高以浅，为第四系地层及二叠系上部砂岩层的反映，标高+200～-100 m，视电阻率较低是二叠系下部砂泥岩层的反映；深部(-100 m标高以深)高阻段为下部相对较为石炭系、寒武系地层反映。当石炭、二叠系地层构造、裂隙发育和存在采空区充水时，视电阻率参数曲线的相应段均有局部低电阻体反映，在视电阻率剖面图上，视电阻率等值线向下凹陷，或呈低阻封闭圈。

图3 1000线视电阻率剖面

在点号340—520点号间，二1煤层附近视电阻率值呈现低阻圈闭现象，推测为二1煤层采空区积水异常反映。

3.2.2 视电阻率等值线平面图分析

根据数据处理程序处理后获得的测线剖面图数据，调查地质资料、二1煤底板等高线，制作了勘探区顺二1煤层视电阻率切片图，据此对该区的二1煤层附近电性特征进行研究，以此分析勘探区内采空区异常区分布情况。勘探区顺二1煤层视电阻率切片图如图4所示。

图4 勘探区顺二1煤层视电阻率切片

图4中颜色的过渡表示电阻率由高到低的变化过程。勘探区顺二1煤层视电阻率总体变化相对较大，全区零星分布有高阻区，低阻异常区主要分布于勘探区的东西两部。

由图3和图4可知，在勘探区共划分了各类电性异常17个，其中，一类电性异常3个，为可靠异常；二类电性异常10个，为较可靠异常；性质不明或干扰异常4个。

3.3 二1煤层电性与调查采空区对比

通过勘探区顺二1煤层视电阻率切片图与调查采空区分布对比，可以确定采空异常区的电性特征，采空区呈现低阻异常。根据勘探区顺二1煤层电性分布特征，把其分为3个异常区段。

(1)异常区段1。位于勘探区的中部，其平面特征表现低阻，异常区分布范围较大，剖面异常特征也明显，与调查采空区位置及范围吻合度较高。异常区段1位置如图5(a)所示(虚线所圈部位)。

(2)异常区段2。位于勘探区的中部，其平面特征表现为低阻，异常区分布范围较小，为相对低阻异常，剖面上异常有所反应，也呈现相对低阻异常，有采空区的特征反应，与调查采空区位置及范围有一定的吻合度。异常区段2位置如图5(b)所示(虚线所圈部位)。

(3)异常区段3。位于勘探区的西部和中部，其平面特征大部分表现低阻和局部高阻异常，与高压线、种植大棚、村庄等相关。图中沿1200线700点号向北延伸到勘探区以外，与勘探区的高压线高度重合为高压线的干扰所致；在其西侧的小的低阻异常区，距某矿轨道下山底部水仓附近，可能为水仓所致；勘探区南部1600线和1640线的180—300点号的小低阻异常位于东白坪村南部，为村庄电器或金属器物的干扰所致；勘探区北部1800线和1880线的860—1020点号的小高阻异常位于种植大棚区域，为种植大棚棚架为金属管材，下部埋有金属管线所致，异常区段三位置如图5(c)所示(虚线所圈部位)。

图5 异常区段位置

3.4 二1煤层采空异常区划分

据勘探区顺二1煤层视电阻率切片图以及各测线视电阻率剖面图的异常形态，结合调查采空区的形态，对勘探区的二1煤层采空区异常区进行推断解释。

根据各测线剖面图、顺二1煤层电性切片图以及调查采空区的分布，划分了勘探区采空异常区共15个，通过与调查采空区的对比，分成2类采空异常区，一类为可靠采空异常区，有电性异常存在，调查有采空区存在；一类为较可靠采空异常区，有电性异常存在，调查没有采空区。本文解释选取有代表性的采空区异常区进行解释。1号—13号采空异常区为可靠采空区，为13个可靠采空区，选取1号和2号作为代表；14号—15号采空异常区为较可靠采空区，为2个较可靠采空区。

(1)1号采空异常区。1号采空异常区位于勘探区的西部边界附近，由勘探区的1000线、1040线控制，与西部腾升煤矿采空区重合，在点号340—点号560，二1煤层附近视电阻率值呈现低阻圈闭现象，为二1煤层采空区积水异常反映，为可靠采空异常区。1040线视电阻率剖面如图6(a)所示。图6(a)中虚线所圈部位为可靠采空异常区。

图6 视电阻率剖面

(2)2号采空异常区。2号采空异常区位于勘探区的西部边界附近，由勘探区的1120线至1200线控制，在点号340—点号660，二1煤层附近视电阻率值呈现低阻圈闭现象，为二1煤层采空区积水异常反映，为可靠采空异常区。1120线视电阻率剖面如图6(b)所示。图6(b)中虚线所圈部位为可靠采空异常区。

(3)14号采空异常区14号采空异常区，位于勘探区的西部，由勘探区的1080线控制，在点号840—点号920，二1煤层附近视电阻率值呈现低阻扭曲现象，为二1煤层采空区积水异常反映，为较可靠采空异常区。1080线视电阻率剖面如图6(c)所示。图6(c)中虚线所圈部位为较可靠采空异常区。

(4)15号采空异常区，位于勘探区的西部，由勘探区的1040线控制，在点号940—点号1060，二1煤层附近视电阻率值呈现低阻扭曲现象，为二1煤层采空区积水异常反映，为较可靠采空异常区。1040线视电阻率剖面如图6(d)所示。图6(d)中虚线所圈部位为较可靠采空异常区。

综上所示，研究区二1煤层采空异常区分布如图7所示。

图7 二1煤层采空异常区分布

4 现场实测

对某煤矿11071工作面、11091工作面、11071西工作面、轨道下山、12煤柱进风巷、7平巷、11平巷进行了核实测量，共计测量巷道3 412 m，煤厚点16个，同时在11042工作面施工钻孔ck01进行钻探验证。对于井下无法到达的区域，本次核实采用瞬变电磁法勘探结合井下开采情况圈定其采空区范围。由于物探的多解性，故本次核实通过井下实测及钻探验证的采空区为可靠采空区；瞬变电磁法勘探结合井下开采情况圈定的采空区为较可靠采空区。采空区可靠性分布如图8所示。