瞬变电磁和高密度电法在浅埋房柱式采空区探测中的应用

杨 勇

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

瞬变电磁和高密度电法在浅埋房柱式采空区探测中的应用

杨 勇1,2

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

隐性浅埋房柱式采空区是陕北侏罗纪煤田许多煤矿下部煤层开采的重大安全隐患。针对这一问题，在对勘探区地球物理特性研究分析的基础上，综合运用瞬变电磁和高密度电法，对陕北某矿计划开采区域的上部浅埋房柱式采空区进行综合勘查。经施工钻孔验证，综合探测成果基本查明了隐性采空区的埋藏深度、分布范围和积水情况。研究结果表明：瞬变电磁和高密度电法的综合物探方法在采空区探测和综合解释方面精度和准确度较高，具有广泛的应用前景，能够为类似矿井下部煤层的安全回采和采空区的综合治理提供科学依据。

瞬变电磁法；高密度电法；房柱式采空区；综合探测

煤矿采空区是指煤炭资源被开采出来后在井下煤岩体内残留的空洞，由于资源赋存条件、开采方法和开采时间的不同，煤矿采空区大小不同、形态特征各异、次生灾害复杂多变[1]。特别是早期的小煤窑多采用巷采或房柱式开采，缺乏科学规划和有效管理，导致许多隐性老采空区，无法确定其位置、层位、边界和影响范围等，对后期的资源开采和综合治理带来了极大安全隐患[2-4]。因此，为了防止和减少采空区引起的次生灾害事故，必须对老空区进行超前探测。物探方法作为快捷、有效、经济的探测手段，在煤矿采空区探测中得到了广泛应用。但随着探测精度和可靠性的要求不断提高、采空区复杂性和探测难度的不断增加，单一物探方法已不能够满足新形势的需要，多种方法相结合的综合物探技术成为煤矿采空区探测的必然要求[5-10]。本文根据勘探区地球物理特征，综合运用瞬变电磁法和高密度电法，对某矿计划开采区域的上部浅埋房柱式采空区进行综合勘查，通过2种方法相互印证，基本查明了采空区的位置、埋藏深度、分布范围和积水情况，为下部煤层的安全回采和采空区的综合治理提供了依据。

1 勘探区地质及地球物理特征

1.1 勘探区地质概况

勘探区地表绝大部分被第四系、新近系沉积物覆盖，仅沿各支沟两侧有基岩出露，地层由老至新依次为：三叠系上统永坪组(T2y)、侏罗系中统延安组(J2y)、新近系上新统静乐组(N2j)、第四系中更新统离石组(Q2l)，全新统河流冲积层(Q4al)及风积沙(Q4eol)。侏罗系中统延安组是勘探区的含煤地层，主要可采煤层为3-1，3-2，5-2煤层。其中，3-1煤层平均厚度为1.85m，埋藏深度在0～100m之间，存在小煤窑开采的现象，开采范围不详，区内可能存在房柱式采空区，影响下部煤层的规划设计和安全回采。

1.2 房柱式采空区工程特性

从勘探区周边矿井已揭露采空区的赋存情况和地表踏勘成果分析，本区小煤窑多采用房柱式炮采采煤方法，系统简单、不正规，具有较大的随意性，以及采深浅、开采尺寸大、留设煤柱小且形状不规则等特点。采空区内遗留大量煤柱，少部分已失稳垮塌，大部分尚未失稳，采空区处于欠充填或垮落岩块压密程度差的状态，地表移动小，没有明显的下沉迹象。但由于残留煤柱尺寸较小且不规则，受荷载或外部动载因素影响，残留煤柱会发生蠕变变形破坏，难以保持长期的稳定性，失稳或垮塌的发生时间和持续时间难以估测，对下部煤层开采和地面安全影响极大。

1.3 地球物理特征

从侏罗系煤系地层测井曲线和附近钻孔电性柱状图分析，第四系和新近系整体表现为高阻；延安组上部主要煤层为3-1号煤，表现为低阻电性特征；延安组下部为主要含煤地层，岩性主要为砂岩和煤互层，表现为高阻电性反映。综合分析认为：勘探区煤系地层具有层状分布的特点，如果没有采空区或其他地质构造，则电性在沿层横向上呈现规律均一的响应特征。当煤层中存在采空区且基本不含水时，采空区的视电阻率通常会高于正常煤层；如果煤层存在采空区且充水时，采空区视电阻率通常会低于正常煤层；但若采空区范围过小，周围裂隙发育充水，就会产生低阻屏蔽，形成低阻异常区。上述电性差异为瞬变电磁和高密度电法的应用提供了良好的地球物理前提。

2 物探方法原理及适用条件分析

2.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法是一种建立在电磁感应原理基础上的电磁探测方法，也称时间域电磁法(简称TEM)。它利用一个不接地的回线源(也可以用接地线源)向地下发射脉冲电磁波作为激发场源，脉冲电磁波结束以后，大地在激发场的作用下，内部会产生感生的涡流，电流关断后激发新的磁场(称为“二次场”)。通过观测和研究“二次场”的空间分布特性和时间特性，推测解译地质异常体或地层几何和物性特征[11-13]。在煤矿采空区探测中，如果采空区顶板垮落或充水，则在电性剖面上会表现为低电阻率异常反映，如果采空区为不充水的空洞，则会表现为高电阻率异常反映。

2.2 高密度电法

高密度电法是浅埋煤层采空区勘查的主要方法之一，其基本原理与传统的电阻率法完全相同。与传统的电阻率法不同之处在于高密度电法在观测时测点设置的密度较高，一次性完成所有电极的布设，具有同时进行深度测量和剖面测量2种功能[14]。与其他物探方法相比，高密度电法具有勘探能力高、实施效率高、成本低、探测信息量大、解释过程方便、快捷等特点[15]。

3 采空区综合勘查分析

3.1 现场施工布置

3.1.1 瞬变电磁法现场施工布置

本次瞬变电磁法探测使用的是加拿大凤凰公司生产的V8多功能电磁法探测仪。探测采用大定源回线装置；发射外框大小240m×240m；发射频率25Hz；发射电流为施工中采用尽量大的供电电流；测线N90°E，网格密度20m×40m。

3.1.2 高密度电法现场施工布置

本次高密度电法数据采集使用重庆奔腾数控技术研究所研制的WDJD-3型多功能数字直流激电仪(包括测量系统和转换开关系统)。由于勘查区地表水土流失严重、沟壑发育、地形起伏较大，高密度电法测点布设受到一定限制。本次探测采用三极装置，供电时间250ms。总的布设原则是在满足任务要求的前提下，根据现场地形特点灵活决定测线长度及方向，满足设计规定的测点密度及工作量要求，测点间距为10m，线距则灵活变化，每平方公里内测线总长度约5km，跑极范围视探测深度而定。

3.2 物探结果分析

3.2.1 瞬变电磁法探测结果分析

瞬变电磁法的探测结果主要依据单点数据(视电阻率-反演解释)结合整条测线的视电阻率断面图对测区内采空区及积水情况进行解释。图1为瞬变电磁法T13线部分区段视电阻率剖面图。

从图1中可以看出，勘探区整体地层在纵向由浅至深电阻率总体上呈“高阻—低阻—高阻”的变化趋势，与实际地质层位的电性变化特征吻合；在目标煤层3-1号煤附近，横向上电性整体表现为“左侧低，右侧高”。图中在目标煤层附近发现1处低阻异常，1号低阻异常位于0～19号测点之间的目标地层中，该区域内电阻率值较低。由已知资料可知，该区域内煤层等高线总体表现为左低右高，且该区域内存在3-1号煤采空区，因此该低阻异常区应为采空积水区的电性反映，推断为采空积水区。根据以上解释原则对其他测线进行成果解释，综合形成瞬变电磁法探测成果。

图1 T13 瞬变电磁测线视电阻率剖面

3.3.2 高密度电法探测结果分析

本次高密度电法勘探的设计初衷，主要是以补充和验证瞬变电磁法资料为目的，其分析解释原则与瞬变电磁法资料的解释原则相同。图2为高密度电法H14线视电阻率剖面图。

H14线线长600m，地表高程+1254～+1296m，3-1号煤埋深100m。从图2上看，探测最大深度在100m左右，可以控制深度100m以上的采空区分布情况，达到本次勘探任务要求。断面中发现低阻异常2处，测点范围5～23，37～ 50，高程在+1180m附近，该2处异常区与瞬变电磁探测1号低阻异常区位置吻合，整条断面的异常位置与瞬变电磁资料吻合较好。

图2 H14高密度电法测线电阻剖面

3.3.3 综合探测成果分析

采空区和异常区的划分主要以瞬变电磁法资料为主，确定异常区大的框架；高密度电法资料为辅，进行验证补充解释。经过对瞬变电磁和高密度电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煤采空区及采空积水区分布范围(具体见图3)。从图3可以看出，勘探区内解释推断采空积水区1处、采空区1处、富水区1处。

图3 综合物探勘查解释成果平面

为进一步确认3-1煤采空区及积水采空区探测的准确性及保证下部煤层的安全开采，在勘探区施工了4个验证钻孔(编号ZK01，ZK02，ZK03，ZK04及位置见图3)，其中有2个钻孔(ZK01和ZK03)在相应层位揭露3-1煤采空区，并发现有富水现象，基本验证了本次探测的准确性。

4 结 论

(1)综合运用瞬变电磁法和高密度电法对浅埋房柱式采空区分布进行了综合勘查，后期通过施工钻孔验证了物探成果的准确性，说明采用综合物探方法进行探测和解释具有较高的准确性。

(2)瞬变电磁和高密电法相结合的探测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，建议条件允许情况下应加大数据采集量，同时开展相关正反演方法技术研究，进一步提高探测效果。

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[责任编辑：王兴库]

Application of Transient Electromagnetic and High Density Resistivity on Room and Pillar Goaf Exploration in Shallow

YANG Yong1,2

(1. Safety Institute，Coal Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2.Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization State Key Laboratory，Beijing 100013，China)

Recessive room and pillar goaf in shallow was large potential safety hazard for downward coal seams mining of many coal mine of Jurassic coal field in Shanbei，to this problem，based on geophysical characteristic of exploration area，transient electromagnetic and high density resistivity were applied，room and pillar goaf that upward of mining area in planning of one coal mine in Shanbei was explored synthesize.Then the burden depth and distribution scope and hydrocele of recessive goaf were ascertained by it，the results was verified by practical drilling hole.The results showed that the synthesize exploration method of transient electromagnetic and high density resistivity has high precision and accuracy rate on goaf exploration and synthesize illustration，it has a very wide range of applications,it references for similar situation.

transient electromagnetic；high density resistivity；room and pillar goaf；synthesize exploration

2016-12-14

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.022

国家科技重大专项资助项目(2016ZX05045-001-004)；国家自然科学基金资助项目( 51404139)

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。

杨 勇.瞬变电磁和高密度电法在浅埋房柱式采空区探测中的应用[J].煤矿开采，2017，22(4)：87-89，74.

TD163

A

1006-6225(2017)04-0087-03