综合物探法在调查煤矿采空区积水中的应用

张元刚

（山西省地质勘查局二一二地质队有限公司，山西 长治 046000）

1 地质概况

勘查区位于长治盆地边缘，位于太行山西麓中段，属黄土低山丘陵地貌，第四系黄土覆盖，地形较简单。勘查区总体呈向北北东—北—北北西倾伏的向斜构造。勘查区属海河流域漳河水系浊漳河支流，区内无地表水系，沿沟谷有季节性洪流或煤矿排出的地下水流过。由于煤层大面积开采，浅部地下水多被疏干。勘查区内主要含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，可采煤层为山西组(P1s)3号煤层及太原组(C3t)15号煤层，存在多处小窑及老窑采空区。

2 目的任务

本次工作主要目的是采用地面物探手段探测勘查区范围内3#、15#煤层采空积水区的分布情况及煤层上覆含水层的富水情况，为对勘查区域内各采空积水清楚、水量估算准确、上下组煤层间水力联系情况提供可靠依据。

3 工作情况

3.1 理论依据

测区内各地层存在明显的电性差异，横向上区内地层沉积相对较为稳定，其横向上电性差异应较小。但同一地层随富水程度的不同，其电阻率差异明显，变化范围较大，这一电性差异是利用瞬变电磁法寻找同一地层中异常地质体的基础。断电后二次场衰减到一半时所对应的半衰时的大小在含水岩体上半衰时通常以高值异常形式出现，断电后某一时间段的二次场的积分平均值与二次场第一个采样值的比值是衰减度，该参数在含水地段也呈高值反应。就整个工作区来说，局部地段的地形及地物会对物探勘查造成一定的影响，靠近高压区及游散电流也会有一定的影响。综合评价，本区表、浅层电性条件复杂，中、深层电性条件良好，属于电性条件较复杂的地区。

3.2 工作区物理特性

根据此区域内以往的物探成果及类似地区的地层、钻孔和测井资料，可得出如下综合地层电性一览表（见表1）。不同岩层具有不同的导电性，一般泥岩、粉砂岩、中粗砂岩其电阻率值依次增高。煤系地层有层状分布特点，在横向上导电性相对均一，纵向上视电阻率的变化规律基本一致。形成采空区后，如果采空区内不积水，一般反映为高阻异常；若采空区积水矿化度不高时，反应为高阻异常；若积水中溶解了较多的可溶性矿物，存在大量导电离子，则积水采空区呈现为低阻。灰岩在致密完整的情况下，视电阻率相对较高，如果灰岩中有充水裂隙、岩溶等构造存在，或受断层切割，破碎带含水、导水时，由于水体良好的导电性，使该区域与围岩产生明显的电性差异，这就是用电磁法进行采空区及积水范围探测的地球物理前提。

表1 综合地层电性一览表

3.3 试验及施工参数选择

（1）瞬变电磁法：考虑勘探区内目的层埋深变化较大，根据目的层深度、实地踏勘情况及勘探范围大小等，工作装置采用大定源回线，测网线距40m，点距20m。单点试验位置处于地质较完整的部位，应处在没有构造、没有已知采空区、地表没有强干扰的部位。在GDP-32瞬变电磁仪开始工作之前对仪器进行自检工作，状态及性能良好，能满足野外生产要求。通过选择不同的装置参数组合进行数据采集，对数据进行分析、计算，绘制不同参数条件下的电位衰减曲线，再结合测点的实际地质以及噪声情况，最终选定适合勘查区瞬变电磁法工作参数如下：勘探的发射电流为17A，发射频率为16Hz，发射线圈为480m×320m单匝回线发射，接收线圈采用等效面积为10000m2的探头，叠加次数128次（在干扰较大的区域适当增加到512次），以每一发射回线中间约1/9面积所包含的测点范围内施工。

（2）激电测深法：测量点位根据瞬变电磁勘探划分的异常形态及地质要求确定，选取北测区120、160、200、480四条测线进行激电测深工作，选用重庆仪器厂生产的DZD-6型多功能直流电法仪进行数据采集，测量电极使用同厂配置的硫酸铜不极化电极，供电电极使用自制的铁电极。采用对称四极测深测量装置，采集视电阻率Rs值、视极化率M值、半衰时TH值、衰减度D值及综合参数值Zp以及电流I和电压V的平均值等数据。仪器参数设置及依据瞬变电磁解译成果，选用的参数为：正反向方波供电，供电周期4s，叠加次数1，延迟时间100ms，宽度20ms，装置方法与电极距为：AB/2：3、5、7、10、15、22、34、50、70、100、150、220、340、500、600；MN/2：1、5、20、50。

3.4 数据采集及质量检查

瞬变电磁面积性测量共分二个测区，北测区控制面积0.44km2，完成瞬变电磁勘探测线17 条，物理点601 个，试验物理点36 个，检查点53 个，累计完成生产点690 个。南测区控制面积0.22km2，完成瞬变电磁勘探测线10条，物理点309个，试验物理点25 个，检查点23 个，累计完成测量点357 个。两个测区实际完成瞬变电磁勘探面积0.66km2，共计完成生产点1047个。激电测深在瞬变电磁勘探推测的低阻异常段完成测深点54个，质量检查点2个，检查率3.7%。

4 资料解释

4.1 瞬变电磁法断面图解释

经过对测区内测线进行数据整理，制作相应参数断面图，结合个点所在位置煤层埋深情况，对各断面情况进行分析解译。现就600N线视电阻率断面图（见图1）进行详细解译：断面图纵向上反映视电阻率由浅到深的变化情况，基本呈由低到高的电性特征。图中的低阻为第四系地层及基岩风化带、二叠系砂泥岩互层的反映，山西组下部的煤层位于低阻向高阻的过渡带上。下部视电阻率呈梯级增高，等值线较为紧密，为石炭系泥砂岩、煤层、灰岩—奥陶系顶界地层的反映。从横向上看，在小号点附近视电阻率等值线出现明显错动，为北仙泉断层的反映（图1中细虚线）。3号煤层位置的580～780 点呈现相对的低阻区（图1 中细虚线椭圆区域），推测为3号煤层采空区积水或岩层破碎、裂隙发育含水引起的反映。15 号煤层位置的550～600 点、660～760点呈现相对的低阻区（见1图中粗虚线椭圆区域），推测为煤层顶板岩层破碎、裂隙发育含水或采空区积水引起的反映。测线的其他地段视电阻率等值线较为平缓，与各煤层底板形态基本一致，无明显异常反映。北仙泉断层附近没有低阻异常。

图1 600N线视电阻率断面图

4.2 瞬变电磁视电阻率顺层切片图解释

为了解勘探区内低阻异常的空间分布情况，对3号煤顶板、3号煤、15号煤层顶板以及15号煤层位进行视电阻率顺层切片。15 号煤层标高位于760～840m，K2灰岩厚6.45～8.21m，平均为7.33m，K2 灰岩距15 号煤层小于1m，为15号煤层的直接顶板，3号煤层标高位于910～970m。3 号煤层顶板含水层距离3 号煤层约10m。

各层视电阻率顺层切片图中虚线所圈范围为各层位在平面上的相对低阻异常区，其中：北测区3号煤层顶板岩层异常区9个，3号煤层低阻异常区13个，15号煤层顶板K2 灰岩低阻异常区4 个（见图2）、15 号煤层低阻异常区5 个（见图3）；南测区3 号煤层顶板岩层异常区6 个，3 号煤层低阻异常区8 个，15 号煤层顶板K2灰岩低阻异常区3个、15号煤层低阻异常区9个。

图2 北测区15号煤层顶板K2视电阻率顺层切片图

图3 北测区15号煤层视电阻率顺层切片图

4.3 激电测深数据解释

根据瞬变电磁测量解译成果，选取异常段布设测深点，激电测深成果主要分析视电阻率值、视极化率值、半衰时、衰减度。半衰时是断电后二次场衰减到一半时所对应的时间；半衰时大，表示极化体二次场衰减慢、含水量大。在含水岩体上半衰时通常以高值异常形式出现。衰减度是断电后某一时间段的二次场的积分平均值与二次场第一个采样值的比值，该参数在含水地段也呈高值反应。在D≥0.4 左右，一般认为有水。综上所述，在解释中要结合水文地质条件，多参数配合使用，各参数含水特征异常吻合，基本可以认为含水。

以120 线极化率拟断面图（图4）为例对采集的数据进行分析解译。视电阻率等值线整体表现为西高东低，仅在880 点出现台阶状，分析与F8断层有关；视极化率在AB/2约100m及220m时存在极化率梯度带，推测该层位存在含煤地层，另在AB/2 约300～420m 以880点为中心位置出现封闭的极化率高值异常，分析与断层破碎带有关。通过分析测深点在AB/2为100m及220m的衰减度和半衰时（图5）可知，800～1040段在含煤地层段富水情况一般，只是在1000～1040点处200m深度左右局部富水。另外在深部340m处，半衰时有明显异常，推测该深度岩层含水较多，分析为断层破碎带或奥陶系灰岩岩溶裂隙发育含水。

图4 120线电阻率、极化率拟断面图

图5 120线AB/2=100m、200m时半衰时及衰减度曲线

5 地质成果

通过对勘查区范围内各测线视电阻率断面及不同层位顺层切片的解释推断，结合勘查区内的地质、水文资料进行综合分析，推断并圈定了勘查区范围内3号煤层、15号煤层采空积水异常区及3号煤层顶板、15号煤层顶板K2灰岩富水异常区。其中：北测区：3号煤层顶板：划分出相对低阻异常区9 个，编号为NK8-1～NK8-9，推测为3号煤层顶板K8砂岩裂隙发育或断层破碎带含水所致。3 号煤层：划分出相对低阻异常区13个，编号为N3-1～N3-13，其中N3-1、N3-2异常位于测区北西FA断层附近，推测为断层破碎带含水所致；N3-3～N3-11 异常位于测区中部和西南部，推测为3号煤层采空区积水或塌陷冒落带充水的反映，局部为井下巷道干扰所致；N3-12、N3-13异常位于测区东南15号煤层井巷揭露的F8逆断层附近，推测为断层破碎带含水或采空区塌陷冒落带含水所致，局部为井下巷道干扰所致。15 号煤层顶板K2 灰岩（见图2）：划分出相对低阻异常区4个，编号为NK2-1～NK2-4，其中NK2-1位于F8断层附近，故推测各低阻异常为15号煤层顶板K2 灰岩岩溶裂隙发育富水或断层破碎带含水所致，局部不排除为上部3号煤层采空区积水的影响。15 号煤层（见图3）：划分出相对低阻异常区5 个，编号为N15-1～N15-5，其中N15-1、N15-2、N15-3 位于15101和15102工作面采空区范围，推测为15号煤层采空区积水的反映，其它异常推测为上部3号煤层采空区积水及顶板K2 灰岩富水区影响所致。南测区：3 号煤层顶板：划分出相对低阻异常区6 个，编号为SK8-1～SK8-6，推测为3号煤层顶板K8砂岩裂隙发育或断层破碎带含水所致。3号煤层：划分出相对低阻异常区8 个，编号为S3-1～S3-8，根据走访调查，本区未开采过3 号煤层，但该区煤层埋深较浅，故推测低阻异常3号煤层上部砂岩含水层或第四系和基岩风化带含水层的反映，局部为断层破碎带含水所致。15 号煤层顶板K2 灰岩：划分出相对低阻异常区3 个，编号为SK2-1～SK2-3，推测低阻异常为15 号煤层顶板K2 灰岩岩溶裂隙发育富水所致，SK2-1位于FA断层、F7断层及X陷落柱之间，SK2-3异常位于F3断层附近，故不排除其为断层破碎带含水的反映。15 号煤层：划分出相对低阻异常区8 个，编号为S15-1～S15-8，根据调查南测区15 号煤层未开采，推测异常为上部3 号煤层采空区积水及顶板K2 灰岩富水区影响所致。结合3 号和15号煤层的低阻位置发现，各层低阻区域在空间上有一定的重合性，说明3 号煤层与15 号煤层之间的裂隙连通性较好，两者之间存在水力联系。

通过对4条瞬变电磁剖面线的激电测深工作，对异常位置从多个与含水有关的参数综合分析了各剖面含水层的位置、埋深及性质情况：本区低阻异常主要为3号、15号煤层采空区积水、煤层顶板岩层水及构造破碎带引起，其结果与地面瞬变电磁勘探结果基本一致，达到了预期验证目的。

6 成果结论

本次地面物探勘查采用瞬变电磁勘探和激发极化电测深相结合的方式，解决了测区富、含水区探测与评价问题，推测勘查区范围内3号煤层、15号煤层采空积水及顶板岩层的富水性及主要富水区域，推断3号煤层积水区与15号煤层积水区存在一定的水力联系。方法选用合理、技术手段先进、野外试验充分、施工方法和技术措施得当、数据处理精细，取得了可靠、高质量的基础资料。

7 存在问题

受工作区内沟谷、村庄房屋、变压器、电线、电缆及人为活动等不利因素影响，对勘探测点点位的偏差，对数据采集存在一定的干扰，造成局部数据质量下降，本次勘查工作对断层及煤层顶底板含水层富水性的分析解释均为静态和定性解释，由于测区内水文资料较少，对富水区的解释造成一定的不利影响。划定的富水异常区是视电阻率的相对较低值区域，由于视电阻率变化受多种因素影响，视电阻率低阻区可能不是水文地质上的富水区，但鉴于勘探区低电阻率区域主要是因为裂隙含水造成的实际情况，报告中仍依据视电阻率高低来划分富水区。