官地煤矿北三采区综合物探技术应用研究

张 瑜

(西山煤电(集团)有限责任公司 官地煤矿，山西 太原 030022)

官地煤矿周边经多年小煤窑开采，采掘、积水情况不清。现小煤窑大多已关闭，随着时间的推移其积水会越来越多，给矿井的安全生产带来水害隐患。因此，必须综合采用瞬变电磁试验、高密度电法试验、二维地震试验和测氡法试验等物探方法，并对各种物探方法所获数据进行检查评价，结合矿井相关的地质、钻探资料，对原始数据进行精细处理，从而获得准确的物探参数综合成果，为矿井防治水工作提供具有针对性的基础资料，进而保证矿井的正常安全生产[1-2]。

1 北三采区基本情况

官地煤矿采用平硐斜井联合开拓方式，分南、北、中3条石门延伸条带式布置工作面，主要采用走向长壁后退式全部跨落综合机械化采煤法，综合机械化开采工艺，全部垮落法管理顶板。矿井主采山西组中部2号煤层，上距1号煤约7 m，煤厚0.85～4.16 m，平均2.72 m，属中厚煤层，顶板多为砂质泥岩、泥岩，底板为细砂岩、砂质泥岩，矿井主要充水因素是太原组、山西组裂隙含水层对矿井充水和大气降水经塌陷裂隙直接渗入。太原组、山西组含水层性质为裂隙、溶隙含水层、补给水源小，属简单类型；地表塌陷变形后大气降水沿地表裂隙渗入采空区，形成采空区积水、小窑破坏区积水。矿井水文地质类型为中等型。

北三采区位于九院沟、神底沟两侧，北石崖及其东北部区域，面积3.59 km2。采区地表属中山区，地势西高东低，最小高程1 082.96 m，最大高程1 449.21 m，最大落差366.25 m，地形复杂,切割剧烈。地表黄土主要分布于山顶及缓坡地带，山脊及陡坡处岩石裸露，风化剥蚀作用强烈。地表植被较为发育，多被灌木覆盖。沟谷山梁间仅有羊肠小道通行，井田内村庄稀少。测区内10条高压线纵横交错，对野外施工影响较大。据地质资料显示，北三采区分布的采空区有本矿采空区和小煤窑采空区两种。本矿采空区为2号煤层，小煤窑采空区分布于采区的中部、东部，小煤窑多采用巷道采掘的方式。

2 物探技术试验

2.1 试验仪器及工作装置

瞬变电磁法选用加拿大凤凰公司生产的V8多功能电法仪，采用大定源内回线装置和重叠回线装置进行试验；测氡法选用太原理工大学生产的TYHC-1活性炭能谱氡气测量仪；直流电法仪器选用DUK-2A高密度电法仪，工作装置采用温纳装置；二维地震采用Summit多道遥测数字地震仪器[3]。

2.2 试验点、试验段选择

瞬变电磁试验点选择在测区内人文干扰较小，揭露地层最全的已知钻孔附近，在煤层埋藏较深的官37钻孔和较浅的官19钻孔附近进行孔旁试验；孔旁试验后，在J1线进行采空区试验段试验。测氡法试验线物理点40个，位于勘探区西南部；高密度试验线位于北石崖沟底；二维地震在有代表性区域布设试验点(J1)和3条试验线(S1、S2和S3)。具体布置，见图1。

图1 北三采区试验点及试验段布置示意

2.3 试验方法

1) 瞬变电磁试验：试验选择电流范围为20～40 A，定于J1线处进行采空区试验，对施工参数作进一步试验，如果采空区较正常地层有明显电性差异，说明所选择的施工参数合理，可进行正常施工。

2) 高密度电法试验：采用温纳装置跨过已知采空区和正常地层，采用1 200 m的线长进行试验[4]。

3) 二维地震试验：在区内有代表性的地段布设试验点，且使其在区内分布均匀，为了及时验证试验点确定参数的合理性，在区内典型地段布置3条试验线[5]。

4) 测氡法试验：测氡法选择1条跨过正常地层和已知采空区的测线作为试验线。通过试验了解采空区的氡异常，为后续资料解释工作提供依据。

2.4 试验结果

1) 瞬变电磁法结论。①仪器稳定性：V8多功能电法仪稳定性良好，精度符合规范要求，可以用于该次电法勘探施工。②施工装置及参数：经试验确定瞬变电磁法采用重叠回线装置，施工参数如下：发射频率用25 Hz配5 Hz双频；2 m×2 m线圈15匝发射；1.8 m×1.8 m线圈15匝接收。③采空区探测效果：在J1试验线，试验结果与已知资料基本吻合，证明所选参数合理有效，可以满足地质任务的要求。

2) 高密度电法及二维地震结论：反映均不明显，无法满足地质任务要求。

3) 测氡法结论：试验线对采空区反映明显，采空区的氡值异常下限为500个计数/3 min。

综上所述，为了保证探测结果精度，查明采区内主采2号煤层的采空异常区及采空积水异常区分布范围，文章综合选择瞬变电磁法和测氡法对北三采区进行综合探测。

3 物探技术应用

3.1 测网布置及工作量

1) 瞬变电磁法工作量：该次瞬变电磁法勘探设计测线方向为NW向，点距20 m，线距50 m(即网度20 m×50 m)，布设试验点198个，瞬变电磁测线94条，坐标点3 884个；检测点121个，另外预留5%的机动工作量，机动工作量测点221个，总物理点4 424个。实际完成试验点198个，瞬变电磁测线94条，坐标点3 884个，检测点143个，机动工作量224个，总物理点4 449个。

2) 测氡法工作量：设计试验点40个，坐标点1 066个，检测点26个，总计物理点1 132个。实际完成试验点80个，坐标点1 064个，检测点26个，总物理点1 170个。

3.2 勘探成果分析

3.2.1 瞬变电磁法

图2为试验线归一化二次电位剖面图和视电阻率断面图。从图2可以看出：

图2 试验线瞬变电磁法成果

1) 0～6.5号点二次电位相对稳定，对应各地层横向视电阻比较均匀，是未开采的正常煤层的反映；

2) 6.5～12.5号点归一化二次电位值偏高，在断面图上呈低阻异常，经对比已知资料发现是陷落柱的反映；

3) 13.5～18号点的归一化二次电位值不稳定、衰减速度起伏较大，分析是采空区的反映，从视电阻率断面图上可以看出，2号煤层高程1 125 m上呈高阻反映，与采空区的反映吻合。

3.2.2 测氡法

通过采空区的氡异常下限值(即500个/3 min)，可以推测出北三采区的采空异常区，可以看出异常主要分布在I测区基本全部，II测区基本全部和III测区的南部。

3.2.3 综合分析

在勘探区，采取上述瞬变电磁和测氡解释方法，并结合踏勘等已知资料，划定了勘探区内的煤层采空区；以瞬变电磁绘制的2号煤层视电阻率等值线平面图为基础并参考瞬变电磁法各相邻测线的视电阻率断面图及水文地质资料，积水异常区以81 Ω·m为基准判断标准值，将成果放在了煤层底板等高线上，可以推测出采空积水异常区范围，见图3。

图3 2号煤层采空区及采空积水异常区平面

采空区及采空积水编号的命名遵循从左到右、从下到上的原则。从图3可以得出：

1) 采空区CK1位于测区西部，面积0.042 km2，采空积水零星分布；

2) 采空区CK2位于测区西部，面积0.042 km2，未积水；

3) 采空区CK3位于测区西南部，面积为0.158 km2，有4处积水异常区；

4) 采空区CK4位于测区西部，面积0.051 km2，无采空积水；

5) 采空区CK5位于测区中西部，面积0.628 km2，采空积水主要分布在采空区边缘地带；

6) 采空区CK6位于测区的中部，面积0.160 km2，采空积水主要分布在3处；

7) 采空区CK7位于测区中部，面积0.412 km2，采空积水主要分布在西侧，采空区中地势较低的地方；

8) 采空区CK8位于测区中部，面积0.340 km2，采空积水主要集中于3个地方；

9) 采空区CK9位于测区东部，面积0.355 km2，采空积水较分散。

该次将综合物探技术应用于官地煤矿北三采区，基本查明了采区内主采2号煤层的采空异常区及采空积水异常区分布范围，并对采空积水异常区较多的区域进行了评价：2号煤层共解释采空异常区9处，大部分位于神底沟两侧，个别位于九院沟东部。积水异常区主要分布在3个区域：官地煤矿采掘后形成的采空积水异常区，神底沟两侧附近的小煤窑积水异常区，官地街办九院煤矿和九院沟北山煤矿形成的采空积水异常区。