地面物探技术在煤矿安全生产中的应用

韩江涛

（山西高平科兴牛山煤业有限公司，山西 晋城 048000）

1 概况

安全问题是制约煤矿高速发展的重要问题之一，煤矿井下安全隐患因地而异，因矿不同。山西晋城牛山煤业整合前不规则开采、小窑破坏开采形成的采空区积水是该矿下伏煤层开采的重大安全威胁，因此需要对该矿采空区进行探查。故采用综合地面物探技术，综合分析、相互验证，结合地质资料综合解释，提高预报精度。

牛山煤矿采空区勘探区位于井田中北部，面积2.19 km2，如图1所示。勘探目的为探查勘探范围内3号、9号煤层采空区积水及15号煤层上覆K2灰岩的富水情况。区内约三分之二面积为林区，小部分区域为耕地，整体呈现南高北低、中部高、东西低的低山丘陵地貌。勘探区内最大高差为203.14 m，区内山地植被茂密，山地起伏较大，部分区域有陡崖、深沟，地形较为复杂。

图1 勘探区范围Fig.1 Exploration area range

勘探区内3号煤层整合前已被地方煤矿、原牛山煤矿大面积采空，现已闭层；9号煤层已自采形成3个采空工作面，无小窑老空区；15号煤层处于建设阶段，无小窑老空区。据区内地质资料、钻孔资料统计，K2灰岩层中线距15号煤层底板平均距离为8.7 m。K2灰岩属太原组碎屑岩夹碳酸盐岩裂隙岩溶水含水层，厚度86.43～121.36 m，组内含水层主要为K2、K4、K5灰岩和K2、K5灰岩之间的砂岩，累计厚度24.13 m，据水文地质孔资料，太原组含水岩组富水性大部较弱，局部中等，该含水岩组富水性具有不均一特点。

2 地球物理特征

根据此次勘探试验数据、测线数据反演结果，物探有效深度350 m。地层根据视电阻率值变化趋势可分为2个综合电性层，第一电性层的视电阻率为60～220 Ω·m，基本反映第四系中上更新统覆盖层及二叠系地层综合电性特征；第二电性层视电阻为80～300 Ω·m，反映石炭系、奥陶系地层电性综合特征，详见表1。此次物探工作试验及解释参考钻孔Zk202测井及地层资料，钻孔测井电阻率9号煤层局部成果如图2所示。

图2 9号煤层附近测井视电阻率曲线Fig.2 Apparent resistivity curve of well logging near No.9 coal seam

表1 地层电性特征Table 1 Table of stratum electrical characteristics

3 方法选取

电磁法勘探是利用岩层之间以及岩层与地质异常体之间的电性差异为基础，来区分不同的岩层，圈定高、低阻异常体以及进行勘查区水文地质分析解释。表1显示地层电性差异较为明显，为采用电磁法技术解决地质问题奠定了物性基础。根据牛山煤矿以往地质工作程度，区内水文地质条件及勘探目的任务，地面电法勘探物探工作采用瞬变电磁法及直流电测深法相结合的形式。

瞬变电磁法观测纯二次场，对含、导水构造等低阻体反应敏感，体积效应小、分辨率高，在判断构造的富水性、圈定富水区位置及其分布范围上优势。在瞬变电磁探测的基础上，采用直流电法测深对重点区域进行针对性探测，最终确定地下岩层富、含水情况，为矿方今后防治水工作提供科学依据。

4 具体应用

4.1 测网布设

根据调查测区精度要求及野外实际作业情况，地面瞬变电磁法采用40 m×20 m的网格密度，测线距40 m，测点距20 m，测线方向基本垂直于地层走向。地面瞬变电磁法测线47条，基本物理点2 924个，试验线1条（共11个测点）；直流电法测深基本物理点30个，1个试验点，如图3所示。

图3 勘探区测网布置Fig.3 Layout of investigation network in exploration area

4.2 瞬变电磁施工参数

瞬变电磁法确定的施工参数发射线框360 m×360 m，发射电流10 A，采样频率25 Hz，采样时间2 min，增益×4。

4.2.1 瞬变点试验

瞬变试验点位于Zk202号钻孔旁L19线460 m里程点，对试验点采集的数据进行反演，与钻孔资料对比，反演结果基本反映出了钻孔旁地层的电性特征，如图4所示。

图4 试验点反演成果Fig.4 Inversion results of test points

4.2.2 瞬变段试验

瞬变段试验布置在L23线里程900～1 100 m段，该处位于已知9号煤层采空积水区上方。图5为瞬变段试验处理解释结果，从图中可以看出里程995～1 050 m范围9号煤层位于明显低阻异常区域，推测该低阻异常区为9号煤层采空区积水所致。

图5 试验段视电阻率断面图Fig.5 Profile of apparent resistivity in test section

点试验、段试验表明，选取的瞬变电磁采集参数可靠有效，探测深度、精度能够满足此次勘探任务要求。

4.3 直流电测深

电测深方法的主要目的是和瞬变电磁探测结果相互比较，提高探测结果的精确性。勘探选取AB/2＝600 m作为直流电测深的最大供电极距。以L34测线140 m里程直流测深点为例。此处3号煤层埋深112.39 m，9号煤层埋深166.85 m，K2灰岩埋深197.20 m。根据瞬变解释结果，该点位于3号煤层低阻异常区圈定范围内。

直流电法测深视电阻率探测结果如图6所示。曲线视电阻率在二叠系底部视电阻率值出现明显低阻反映，推测为3号煤层采空区积水所致，验证了瞬变低阻异常，采空积水区解释更合理。

图6 L34-140点直流电法测深视电阻率曲线Fig.6 Apparent resistivity curve of direct current method exploring depth in No.L34-140 point

4.4 物探成果

通过顺煤层瞬变电磁切片圈定视电阻率相对低阻异常，结合地质资料、直流电测深成果，最终解释采空积水区或岩层富水区。以3号煤层成果为例，如图7所示。

图7 3号煤层采空积水区分布Fig.7 Distribution of goaf water accumulation area in No.3 coal seam

共解释3号煤层采空积水区15处，全部位于小窑开采破坏区或采空区或老巷、废弃井口集中区。据调查，X1陷落柱在掘进3号煤层五盘区材料巷时揭露，岩石破碎，裂隙发育，有少量淋水，随着附近煤层的破坏及开采，陷落柱中心区域已充水，物探成果与揭露地质情况吻合。

5 结 论

（1）岩层电性差异是物探勘查的前提条件，分析勘探区地层地球物探特征，有利于目标层位的异常圈定与电性解释。

（2）瞬变电磁法对采空积水区敏感，辅以直流电测深进行异常验证，可提高解释精度。

（3）物探成果解释应结合已知资料、地质成因等进行综合地质解译。

（4）综合地面物探技术在牛山煤矿探查采空积水区、岩层富水区取得了良好效果，给井下防治水工作提供了明确防治、探放靶区，有利于煤矿安全生产工作。