瞬变电磁探测技术探查采空区分布研究

刘 赛，李小明，周起谋

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

0 前言

在煤矿建设和生产过程中，经常发生孔隙水、裂隙水、岩溶水、老空水、地表水等各类水体通过断层、陷落柱、采动裂隙和钻孔等诸多导水通道溃入井下[1]，造成矿井突水事故，直接威胁矿工生命和国家财产安全，甚至造成众多人员伤亡和经济上的巨大损失。鉴于矿井水害事故具有破坏强度大、救援难度大、治理恢复时间长等特点，煤矿必须提前做好矿井的相关防治水工作，防患于未然。因此，矿井防治水规划作为矿井防治水的前期工作就显得尤为重要，通过规划方案的逐步实施，可以进一步掌握和查明矿井水害的分布特点，以此为基础，编制矿井充水性图，为矿井水防治和正确决策提供可靠的基础资料。

对下辛佛煤矿井田内水文地质情况探查，物探工作的主要地质任务是查明圈定范围内采空区的分布范围、富水情况及其它不良地质体的赋存状况。煤炭的过度开采已使地下形成了大量的采空区[2]。采用瞬变电磁技术对井田内的采空区范围及富水性进行精细探查[3-4]，并进行精细化解释，对晋辽下辛佛煤业有限公司提出综合防治措施具有重要意义。

1 地质概况

1.1 地层

井田所处位置为太行断块沁水块坳郭道安泽近南北向褶带的西部翘褶带边缘，西部为太岳坳缘翘起带，沁水煤田西南部霍东找煤区的北部边缘。井田范围内地表大部分为基岩出露，少量被黄土覆盖，出露地层为二叠系下统下石盒子组、山西组，石炭系上统太原组，石炭系中统本溪组，奥陶系中统峰峰组在井田内均有出露。本井田主要含煤地层为石炭系上统太原组及二叠系下统山西组。

1.2 构造

井田所处位置为太行断块沁水块坳郭道安泽近南北向褶带的西部翘褶带边缘，西部为太岳坳缘翘起带，沁水煤田西南部霍东找煤区的北部边缘。区内地层走向及主要构造线方向均为北北东至北东向，地层倾角不大，并伴有轴向北东向宽缓褶曲和断层构造。井田位于区域次级构造霍山背斜之东南翼。

1.3 水文地质

该井田地表水属于黄河流域汾河水系，区内主要河流为洪安涧河，洪安涧河由东北向西南流入汾河。

含水岩组包括：奥陶系中统碳酸盐岩岩溶裂隙含水组，石炭系上统太原组石灰岩、砂岩岩溶裂隙含水组，二叠系下统山西组砂岩裂隙含水组，二叠系下统下石盒子组砂岩裂隙含水组，第四系松散层孔隙含水组。

隔水岩组包括：本溪组隔水层：本溪组厚度19.70m左右，主要由泥岩、铝土岩，砂质泥岩和泥岩组成，岩性致密，裂隙不发育，具有良好的相对隔水性能，为井田主要隔水层。

石炭二叠系层间泥质岩隔水组：本溪组之上太原组中砂岩、灰岩含水层之间均发育有厚度不等的泥岩、砂质泥岩，因其结构致密相对不透水，均可起到层间相对隔水作用。但当临近地表，受风化或构造作用影响而产生裂隙时，隔水性能则遭到一定破坏。

2 地球物理响应特征

从不同岩性地层的物性差异分析，一般变化规律为从泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩到煤层，电阻率值逐渐增高，即煤层相对泥岩、砂岩等岩层呈现为相对高阻层。随着岩石的湿度或饱和度的增加，电阻率急剧下降[5]。

采空区为空气填充时，视电阻率会呈现出高阻特征，当地层与构造含水时，由于地下水的移动及电离作用，电阻率呈现良导体低阻特征。分析对比电性参数，区分物性差异，寻找异常区可以划分采空区及其含水特征。

3 瞬变电磁工作原理

瞬变电磁勘探对地下良导电介质具有较强的响应能力，适用于断层及裂隙带富水性评价，陷落柱探测，煤层顶底板含(隔)水层划分等，具有突出地电异常响应、无电极接触制约、穿透高阻覆盖能力强、体积效应小、低阻反映灵敏、施工速度快、效率高等特点[6]。

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法【7】，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。其基本工作方法是：在地面或空中设置通以一定电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流，断电后，感应电流由于损耗而随时间衰减。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

在探测时令线圈法线方向对准要探测的目的方向，在发射线圈中通以阶跃电流，然后利用接收线圈测量感应二次场。通过接收到的二次场的感应电动势随时间的变化特征，就可以了解在探测范围内的目的方向介质的电磁性质变化规律，通过对数据的解释处理进而确定探测方向的地质情况，如果有异常就可以确定其空间位置，异常体大小等，工作原理如图1所示。

4 采空区探测研究

以矿井一号勘探区为例，在一号勘探区布设30 m×20 m的测网，即每30 m为一条测线，每条测线每20 m为一测点。按照规范实验点个数大于物理点的5%。其中J测区布置测线8条，物理点88个, 为了保证本次勘探数据质量，提高测量精度，在工作区内布置一定量的质量检查点；质量检查点个数大于测区内测点数的5%，设计成线性分布，检查点剖面与测线剖面垂直，在测区内测点工作完成以后，返回测线中部进行。

图1 地下感应电流环带分布图

根据处理所得不同深度成果图做出解释，并推测区内存在的异常区(如图2)。

图2 一号勘探区煤层视电阻率切片图

2#煤层视电阻率切片图在有一处低阻闭合异常，该处影响范围中等，与下层3#煤层有明显连通，推测该异常可能为采空富水引起。

3#煤层视电阻率切片图形态与2#煤层大致相似，在测区出现一低阻闭合异常，与2#煤层异常区连通性较强，但影响区域明显减小，该异常可能为采空富水引起。

6#煤层视电阻率切片图视电阻率形态大致与上层的2#煤层和3#煤层相似，但整体电阻率值相对较大，已经无明显的闭合低阻区域，该层位富水可能性较小。

9#煤层视电阻率切片图中有一处低阻闭合异常，与上下层位无明显的连通现象，可能具有富水性，推测为采空区富水引起。在测区的东南部有一处高阻异常区，为采空区影响引起，与下层11#煤层存在连通性。

11#煤层整体表现为中高阻形态，无明显低阻闭合异常，在测区的东南部有一处高阻异常区，在这个层位上富水性较差，高阻异常区由采空区引起。

结合晋辽下辛佛煤矿综合柱状图对测区垂向上的低阻异常进行分析:

图3 一号勘探区各水平截面切片立体图

对测区不同深度切片立体图进行分析解释得到目的层低阻异常区的垂向特征如下(如图3)：测区内出现的低阻闭合异常，主要集中在2#煤层、3#煤层和9#煤层，位于测区的中部偏东位置，在2#煤层，3#煤层之间有一定的的连通现象，向下异常区范围减小，9-10#煤层在测区中部偏北位置出现低阻异常区，与上下层空间无连通现象。在2#煤层，3#煤层和6#煤层所出现的异常由采空区富水引起。

一号勘探区内三处异常集中在J测区，现选取J1和J2代表性的剖面线对异常进行纵向分析(如图4)。

图4 一号勘探区工程布置平面图

由J1测线视电阻率剖面图中可知(图5)，剖面地质体电阻率呈现出自上而下，视电阻率由低到高，在中部夹了一层低阻区域，整体上电阻率较低。在测线35 m-85 m，标高750 m-850 m有一处明显的低阻异常区，在其中心轴处标高与9#煤层相近，这两处异常是由9#煤层采空区富水引起。

图5 J1测线视电阻率剖面图

由J2测线视电阻率剖面图中可知(图6)，可得到如下结论：剖面地质体电阻率呈现出自上而下，视电阻率由低到高，深部高低阻相间形态，整体上电阻率较低。在测线0 m-110 m，标高920 m-970 m有一处明显的低阻异常区，在其中心轴处标高与2#煤层、3#煤层相近，这两处异常是由2#煤层、3#煤层采空区富水引起。

5 结论

1) 测区内出现的低阻闭合异常，主要集中在2#煤层、3#煤层和9#煤层，位于测区的中部偏东位置。

2) 在2#煤层，3#煤层之间有一定的的连通现象，向下异常区范围减小。9-10#煤层在测区中部偏北位置出现低阻异常区，与上下层空间无连通现象。在2#煤层，3#煤层和6#煤层所出现的异常由采空区富水引起。

图6 J2测线视电阻率剖面图

[1] 王文波. 龙口矿区海下采煤导水通道类型及防水措施[J]. 煤炭科学技术,2011,36(5):112-115.

[2] 胡承林. 综合物探技术在煤矿采空区的应用研究[D].成都：成都理工大学,2011.

[3] 高俊良,段建华,郭粤莲. 综合物探技术在探测煤矿采空区及其富水性中的应用[J]. 中国煤田地质,2007,37(2):111-113，125.

[4] 熊家勤. 瞬变电磁法在探测宏石煤矿采空区中的应用[J]. 中国煤炭地质,2012,39(1):52-56.

[5] 孟庆鑫. 瞬变电磁在煤田导水构造勘查上的应用[D].西安：长安大学,2009.

[6] 静恩杰,李志聃. 瞬变电磁法基本原理[J]. 中国煤田地质,1995,37(2):83-87.

[7] 孙吉益,李玉宝,李文峰,等.井下瞬变电磁技术在含水陷落柱治理中的应用[J]. 华北科技学院学报,2009,11(4):47-50.