综合物探方法在房采采空区勘查中的应用研究

杨 勇 陈清通

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京市朝阳区，100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京市朝阳区，100013)

★ 煤炭科技·地质与勘探★

综合物探方法在房采采空区勘查中的应用研究

杨 勇1,2陈清通1,2

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京市朝阳区，100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京市朝阳区，100013)

针对单一物探方法在煤矿采空区探测中的局限性和多解性问题，结合陕北侏罗纪煤田地质及地球物理特性，综合运用瞬变电磁和可控源音频大地电磁法对普泉煤矿勘探区内浅埋房柱式采空区进行探测。综合探测成果对勘探区内3-1煤层采空区和采空积水区的位置、深度、范围等信息进行了推断解释，与地质资料和验证钻孔钻探成果基本吻合。研究结果表明：瞬变电磁和可控源音频大地电磁法相结合的方法在浅埋房柱式采空区探测方面具有较高的可靠性和准确性，能够为煤矿的安全生产和采空区的综合治理提供科学依据。

瞬变电磁法 可控源音频大地电磁法 浅埋煤层 房采采空区 综合探测技术

煤矿采空区是指煤炭资源回采后不再维护的地下空间，不仅包含老窑、已经报废的井巷，还应包含受开采扰动影响、围岩破坏形成的垮落带及顶板破碎带。煤矿采空区主要灾害类型为突水、有毒有害气体集聚、自燃、地表大面积突然塌陷诱发矿震等，具有隐蔽性、复杂性、突然性和长期性等显著特点。陕北侏罗纪煤田是我国主要的煤炭资源赋存区之一，早期存在许多采用巷采或房柱式开采的小煤窑，由于缺乏科学的开采规划和长期有效的技术资料和档案管理，遗留大量无法确定位置、深度、范围的隐伏采空区，严重威胁着后期的煤矿开采安全，必须采取有效措施进行超前探测和预警。在煤矿采空区勘查方面，地面物探作为快捷、经济、实用的探测手段得到了广泛应用。但单一物探方法普遍存在技术局限性和多解性问题，探测结果的可靠性有待提高，运用两种或两种以上物探方法相结合进行探测，可以发挥各个方法的优点，通过相互印证又能弥补各自不足之处，是新形式下煤矿采空区探测的通常选择。本文根据勘探区地质及地球物理特性，选用瞬变电磁法和可控源音频大地电磁法相结合的物探方法，对陕北侏罗纪煤田普泉煤矿计划开采区域的上覆房柱采空区进行综合探测，通过物探资料的综合解译和钻孔验证，查明了采空区及采空积水区的分布范围及赋存状态，为下组煤的规划设计和安全回采提供了地质依据。

1 物探方法原理及适用条件分析

1.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法(TEM)是一种建立在电磁感应原理基础上的人工源时间域电磁探测方法，也称时间域电磁法，利用接地线源或电偶极子，或利用不接地的回线或磁偶极子向地下发射一次脉冲电磁波作为激发场源，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用接地电极或接收线圈观测由地质异常体受一次脉冲磁场激发而产生的随时间变化的二次涡流场。根据二次涡流场的衰减规律和时空分布特征可推测解译地质异常体的电性特征、位置、埋藏深度、几何规模、产状等，也可以将观测得到的二次场衰减数据转换成视电阻率，并依据视电阻率的综合反演结果推断地质异常体的物性特征和赋存状态。在煤矿采空区探测过程中，如果采空区顶板垮落、完全充水或富含水，在电性剖面上会表现较为明显的低电阻率特征；反之，则会表现为高电阻率异常反映特征。

1.2 可控源音频大地电磁法

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是人工源频率域测深方法。由于不同频率的电磁波在地下传播有不同的趋肤深度，当电阻率固定时，电磁波的探测深度与频率成反比，低频时探测深度深，高频时探测深度浅，通过对不同频率电磁场强度的测量可以得到该频率所对应深度的地电参数，从而达到测深的目的。CSAMT法使用可控制的人工场源，信号强度大，抗干扰能力强；测量参数为电场与磁场之比，减少了地形的影响和外来的随机干扰；利用改变频率进行不同深度的电测深，且一次发射可同时完成多个点的测深。CSAMT法对大地构造反映较为明显，采空区可以视为人为因素造成的构造，所以该方法对煤矿采空区探测具有优势；另外，CSAMT法对低阻的反映比较灵敏，对于解释积水采空区具有优势。

2 勘探区地质及电性特征

2.1 勘探区地质概况

勘探区位于陕北侏罗纪煤田神府矿区新民区普泉煤矿，勘探面积为0.687 km2。该区地层总体为走向北东、倾向北西、倾角小于1°的单斜构造。勘探区地表基本被新生界松散—半固结沉积物所覆盖，基岩沿沟谷两岸出露，出露的地层由老至新依次为侏罗系中统延安组(J2y)、新近系上新统静乐组(N2j)、第四系(Q)。侏罗系中统延安组是勘探区的含煤地层，主要可采煤层为3-1煤层、4-2煤层、5-1煤层，煤层平均厚度分别为3.56 m、1.07 m、 3.11 m，埋藏深度分别为20～112 m、43～132 m、105～202 m，属结构简单的稳定可采煤层，顶板主要为粉砂岩、细粒砂岩及泥岩，底板主要为粉砂岩、泥岩。勘探区在资源整合前存在小煤窑房柱式开采3-1煤层的现象，是本次勘探的目标层位。

2.2 勘探区地质电性条件

井田内ZK401钻孔测井曲线和附近钻孔电性综合柱状图见图1和图2。

图1 侏罗系煤系地层测井曲线

分析可知，第四系和新近系整体表现为高阻；侏罗系中统延安组上部为相对低阻反映，下部为相对中高阻反映。综合分析认为勘探区煤系地层具有层状分布特征，如果没有地质构造或采空区，电性反映呈现规律均一的响应特征；反之，其电阻率与正常岩层电阻率会有明显的差异。当存在采空区且不含水时，采空区的视电阻率一般会高于正常煤层；当存在采空区且含水时，采空区视电阻率通常会低于正常煤层。勘探区不同地质条件下的电性差异为电法的应用提供了良好的地球物理前提。

图2 附近钻孔电性综合柱状图

3 勘探区综合勘查分析

3.1 现场施工布置

本次瞬变电磁法和可控源大地电磁法探测的数据采集设备均使用V8多功能电法仪。瞬变电磁法探测采用大定源回线装置，发射外框大小为360 m×360 m，发射频率为25 Hz，发射电流为施工中采用尽量大的供电电流，测线为N135°E，点距为20 m，线距为40 m；可控源音频大地电磁法探测采用TM模式，收发距为6 km，发射极距为1.4 km，测线为N135°E，点距为30 m，线距为60 m。勘探区共布设瞬变电磁测线21条，生产物理点880个，检测点31个，测线总长17180 m；共布设可控源音频大地电磁法测线14条，生产物理点398个，检测点15个，测线总长11520 m。

3.2 物探结果分析

3.2.1 瞬变电磁法探测结果分析

瞬变电磁法对勘探区内采空区及采空积水区的推断解释主要依据单点视电阻率反演数据结合整条测线的视电阻率断面图。本次瞬变电磁法探测获得21条视电阻率剖面，其中，T8线反演电阻率断面如图3所示。T8线位于物探区域中部，地形整体较为平缓，局部有起伏。纵向上反演电阻率呈低阻—高阻—低阻的变化趋势，与实际地质层位的电性变化特征吻合。横向上中部目标煤层附近反演电阻率值整体呈现较低的电性特征，只在局部反映为高阻异常特征。

图3 T8测线反演电阻率断面图

由图3可以看出，T8测线共有3处低阻异常。T1号低阻异常位于3～11号测点之间的目标地层中，反演电阻率值较低，表现为较明显的低阻异常特征，结合相关资料及现场踏勘成果分析认为，勘查区内煤层略有起伏，整体表现为西北低、东南高，地表偶见裂缝，为水的积聚提供了有利条件，因此推断其应为3-1煤层采空区积水的电性反映；T2、T3号低阻异常分别位于27～38号、39～45号测点之间的目标地层中，反演电阻率值较低，表现为较明显的低阻异常特征，根据相关资料，该两低阻异常所在区域附近，地下有密集的3-1煤层老巷道，表明该处煤层应已被开采，地表局部塌陷，为水的积聚提供了有利条件。综上所述，推断该两处低阻异常应为3-1煤层采空区积水的电性反映。

图4 TEM电阻率异常区分布及范围

根据以上解释原则对其他测线进行成果解释，综合分析形成瞬变电磁法探测成果。瞬变电磁法探测发现7处低阻异常区，总面积约0.3237 km2，异常区位置及范围见图4。

3.2.2 可控源音频大地电磁法探测结果分析

可控源音频大地电磁法探测资料的分析解释原则与瞬变电磁法相同。本次探测绘制了14条可控源音频大地电磁法视电阻率剖面图，其中，具有代表性的C9测线反演电阻率断面图见图5。

C9测线位于物探区域的中部，地形整体较为平缓，局部略有起伏。由图5可知，纵向上反演电阻率变化规律与控制范围内地层纵向上电性变化规律吻合；横向上反演电阻率整体呈现为左侧低，中间和右侧高的电性特征。C9测线共发现1处低阻异常。C1号低阻异常位于4～11号测点之间的目标地层中，该区域内反演电阻率值较低，表现为较明显的低阻异常特征，由收集到的地质资料可知，勘查区煤层略有起伏，整体表现为西北低、东南高，该区域3-1煤层存在采空区，表明该处煤层应已被开采，为水的积聚提供了有利条件。因此，推断其为3-1煤层采空区积水的电性反映。

图5 C9测线反演电阻率断面图

根据以上解释原则对其他测线进行成果解释，综合分析形成CSAMT法探测成果。CSAMT法探测发现4处低阻异常区，总面积约0.2957 km2，异常区位置及范围见图6。

图6 CSAMT电阻率异常区位置和范围

3.2.3 综合探测成果分析

采空区和采空积水区的推断主要依据瞬变电磁法和可控源音频大地电磁法资料，根据两种方法各自的特点，结合野外施工布置情况，以瞬变电磁法资料为主，确定异常区的性质及分布特征；以可控源音频大地电磁法资料为辅，进行验证补充解释。解释过程中结合勘探区地质采矿条件、开拓开采布局、采煤方法与工艺、地面钻探资料、已知采空区分布及积水情况等，综合分析物探成果中异常区的性质及分布特征，以便提高推断解释成果的可靠性和准确性。

经过本次瞬变电磁法和可控源音频大地电磁法综合勘探数据的处理及综合对比分析解释，基本查明了勘查区内3-1煤层采空积水区分布范围，如图7所示。由前述资料解释成果可见，物探勘查区域内有TEM低阻异常区7处，CSAMT低阻异常区4处。经综合分析，解释推断采空积水区7处，由于电法勘探均存在体积效应，所以房柱式开采形成的局部采空区电性反映应属范围性的，推断的采空区也具区域性特征。根据推断成果，勘探区内3-1煤层基本采空，局部采空积水，积水面积合计约0.3911 km2。后期在勘探区内施工了4个验证钻孔，其中ZK-02、ZK-04号钻孔揭露3-1煤层采空积水区，ZK-03号钻孔揭露3-1煤层采空区，基本验证了本次探测的准确性。

4 结论

(1)各种物探方法的应用均需具备相应的地球物理前提，单一方法往往存在较大的局限性，很难解决多解性问题。本文综合运用瞬变电磁法和可控源音频大地电磁法对浅埋房柱式采空区分布进行了探测，并根据两种物探方法各自的特点进行综合解释。综合物探成果与地质资料、验证孔钻探成果基本吻合，说明采用综合物探技术进行探测和解释是可行的，也是有效的。

(2)虽然瞬变电磁法和可控源音频大地电磁法结合用于采空区探测可以取得较好的效果，但该技术也存在受环境噪声干扰、探测深度与分辨率矛盾等问题，建议加强相关正反演技术研究，具体实施时加大数据采集量，进一步提高探测效果。

[1] 张俊英，王翰锋，张彬等.煤矿采空区勘查与安全隐患综合治理技术[J].煤炭科学技术，2013(10)

[2] 李宏杰，张彬，李文等.煤矿采空区灾害综合防治技术与实践[M].北京：煤炭工业出版社，2016

[3] 杨勇.煤矿安全风险预控管理模式的研究[J].煤矿开采，2012(4)

[4] 吴彬，李远强，张国华.老采空区勘查技术方法研究[J].城市地质，2015(2)

[5] 李宏杰.浅层地震和瞬变电磁法在采空区探测中的应用研究[J].煤矿开采，2013(1)

[6] 顾光跃，王东伟.大定源瞬变电磁法在探测煤矿采空区中的应用[J].中国煤炭，2014(10)

[7] 刘博文，王俊，李伟.综合探测技术在露天煤矿群采空区中的应用[J].中国煤炭，2015(3)

[8] 李学良，田迎斌.煤矿采空区探测技术分析及应用[J].河南理工大学学报(自然科学版)，2013(3)

[9] 曹静，岳建华，刘英.多层采空区综合物探方法研究[J].中国煤炭，2012(8)

[10] 程建远，孙洪星，赵庆彪等.老窑采空区的探测技术与实例研究[J].煤炭学报，2008(3)

[11] 于景邨.矿井瞬变电磁法勘探[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007

[12] 程久龙，邱浩，叶云涛等.矿井瞬变电磁法波场变换与数据处理方法研究[J].煤炭学报，2013(9)

[13] 薛国强，李貅，底青云.瞬变电磁法理论与应用研究进展[J].地球物理学进展，2007(4)

[14] 石昆法.可控源音频大地电磁法理论与应用[M].北京：科学出版社，1999

[15] 贾永梅，姚成林，邓中俊等.可控源音频大地电磁法探测煤矿采空区[J].物探与化探，2012(S1)

[16] 张永泰，郎宝华，孙远进等.可控源大地电磁法在地质灾害勘察中的应用研究 [J].安徽理工大学学报(自然科学版)，2010(1)

(责任编辑 郭东芝)

Applicationandstudyofintegratedgeophysicalprospectingingobexplorationofroom-and-pillarsystem

Yang Yong1,2, Chen Qingtong1,2

(1. Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China;2. State Key Laboratory of Coal Resources High-Efficient Mining and Clean Utilization, Chaoyang, Beijing 100013, China)

In order to solve the limitation and multiple solutions problems of single geophysical prospecting method in coal mine gob exploration, combined with the study on coal geology and geophysical characteristics of northern Shaanxi Jurassic coal field, shallow gobs of room-and-pillar system were explored by using transient electromagnetic method (TEM) and controlled source audio magnetotelluric method (CSAMT). The location, depth, range and other information of gob and water logged area in 3-1coal seam were inferred and interpreted, and the results basically matched with the geological data and hole drilling achievement. The study results showed that the integrated methods of TEM and CSAMT had great reliability and high accuracy in terms of shallow gob exploration of room-and-pillar system, which could provide a scientific basis for the safety production of coal mine and comprehensive treatment of gob.

TEM, CSAMT, shallow coal seam, gob of room-and-pillar system, integrated prospecting technology

国家科技重大专项资助项目(2016ZX05045001-004)，国家自然科学基金资助项目(51404139)

杨勇,陈清通. 综合物探方法在房采采空区勘查中的应用研究[J]. 中国煤炭，2017，43(8):47-51. Yang Yong, Chen Qingtong. Application and study of integrated geophysical prospecting in gob exploration of room-and-pillar system[J] .China Coal，2017，43(8): 47-51.

P631

A

杨勇(1976-)，男，安徽淮南人，硕士，副研究员，主要从事工程地质及灾害治理方面的研究与技术咨询工作。