地面瞬变电磁法在煤矿采空区积水调查中的应用

范晓飞

（山西省煤炭地质144勘查院物探公司，山西 临汾 041600）

1 勘探区概况

该井田位于山西省乡宁县西南边缘的西坡镇毛则渠、赵院、要坡底、乔子坡、史家湾、湛泉、铁尖村、中咀村一带，行政区划属西坡镇管辖。井田地处吕梁山脉南端，黄土高原地带，山区侵蚀地貌，梁、垣、峁发育，为沟谷纵横，地形十分复杂，总的地势为东北部、西北部高，中部、中南部低，地形最高点为井田北东部山梁上三角点，标高为1094.65 m，地形最低点为井田西南部毛则渠沟谷边界处，标高为765.00 m，相对高差329.65 m。该地属中低山区。

本次勘探区内地面最高点，位于勘探区40线560点附近，标高978.81 m，地面最低点位于勘探区中部的沟谷内，15线20点附近，标高808.88 m，相对最大高差约170 m。沟谷、梁塬的分布清晰可见。开拓方式为斜井开拓，有主斜井、副斜井及回风斜井三个井口。矿井生产能力为50万t/a，仅开采山西组2号煤层，煤层埋藏较浅，月平均产量30750 t。区内大部分已采空，采空区主要分布在井田的西、中、南部。瓦斯、二氧化碳含量低，属瓦斯矿井，矿井主要涌水为顶板砂岩裂隙水，正常涌水量7 m3/h，最大涌水量15 m3/h[1]。

2 瞬变电磁法的运用

瞬变电磁法又称时间域电磁法，简称TEM，属于电磁感应类探测方法，遵循电磁感应原理[2]。

2.1 工作方法

山西省煤炭地质144勘查院物探公司测量人员优先进场开始选点、埋石等控制测量工作。本次测量工作平面坐标采用1980西安坐标系，3°带高斯投影，中央子午线111°，高程采用1985年国家高程基准。地形图采用的是甲方提供的1：5000地形地质图。所有物理点均采用RTK动态实时定位。本次测量采用（RTK）技术作业，以已知点为基础建立基准站，流动站以各测线的设计坐标为准，放样到实地。采用二维测网布设，测网密度为40 m×20 m，即线距40 m，点距20 m，测线沿南北方向布置，由西向东测线编号依次增大。本区控制面积1.2 km2，瞬变电磁法设计施工网度为40 m×20 m，布设瞬变电磁测线41条，坐标点1353个，质量检查点41个，试验点30个，总计物理点1424个。勘探区内2号煤层埋深为81～286 m，探测目标包括K8砂岩和K2+K3灰岩含水层，本次物探探测深度最浅为40 m左右，最深为330 m左右。

2.2 段试验过程分析

图1为TEM9线300～600段试验收集已知地质资料示意图。从图中大体可看出460～600段为2号煤层采空区，300～460段为正常煤层。据调查，460～600段采空区为本矿开采所致，采空区范围较准确。试验位置选取在此目的是为了检验瞬变电磁法在采空区和正常区的是否存在明显的电性差异。

图2为TEM9线300～600号点拟视电阻率等值线断面图。图中横坐标表示距离，纵坐标表示标高。从图中大体可看出，浅部盲区约为40 m左右，埋深在150 m以上拟视电阻率相较低，为二叠系上统地层的电性反映；埋深在150～250 m拟视电阻率相对中等，为煤系地层的电性反映；埋深在300 m以下拟视电阻率随深度递增逐渐增大，为奥陶系灰岩的电性反映。图2中440～600号点之间，2号煤层附近拟视电阻率等值线发生扭曲变化，拟视电阻率ρτ≤51 Ω·m，拟视电阻率等值线呈下凹趋势，呈明显相对低阻异常反映，推断为2号煤层采空区。断面图较好地反映了地层分布特征，与已知地质资料基本吻合。

图1 TEM9线300～600段试验收集已知地质资料示意图

图2 TEM9线300～600段拟视电阻率等值线断面图

3 资料分析与解释

此次勘探成果众多，笔者特此对TEM2号煤层视电阻率顺层切片图进行分析。图3为TEM2号煤层拟视电阻率顺层切片图，图中橙色、黄色、绿色、蓝色的过渡表示拟视电阻率由高到低的变化过程。结合前述异常划分方法和整个测区内2号煤层及附近拟视电阻率情况，统计最小拟视电阻率ρτ为40 Ω·m，最大拟视电阻率ρτ为77 Ω·m，算术平均值为55 Ω·m。标准偏差为6.23，设定52 Ω·m为低阻异常区的阈值，即为小于该值的区域为相对低阻异常区，向异常区中心方向，拟视电阻率值逐渐降低，异常强度增强，填充颜色也逐渐加深。

如图3所示，该顺层切片图中共发现明显的低阻异常区4处，编号分别为YC-1、YC-2、YC-3、YC-4。其中，YC-1、YC-4为主要异常区。各异常区分析详述如下：YC-1位于勘探区西南部，异常范围中等，异常相对较强；YC-2位于勘探区南中部，异常范围较小，此处分布有井下水仓，异常相对中等；YC-3位于勘探区中东部，异常范围较大，此处井下分布有多条巷道，异常相对中等；YC-4位于勘探区西北部，异常范围较大，异常相对较强。根据已知地质和水文资料可知，该异常区存在2号煤层已知采空区，异常反映明显，低阻圈闭状等值线形态与已知采空区范围也基本一致。

图3 TEM2号煤层拟视电阻率顺层切片图

在勘探区西北部分布有1处相对高阻异常区，图中用黑色线框圈定，此处井下分布有多条巷道；在东北部分布有1处相对高阻异常区，图中用黑色线框圈定，此处可能为上分层采空导致的异常区。而2号煤层位于山西组中下部，煤层厚度3.55～8.65 m，平均厚度为6.53 m，北部较厚，南部较薄。煤层顶板大部分为粉砂岩、泥岩，其老顶为一层中－细粒砂岩。底板大部分为粉砂岩和泥岩，个别孔为细粒砂岩。因此，2号煤层为全区稳定可采煤层。

4 结论

作为一项相对应用广泛的技术，瞬变电磁法具有快速、简便、测距大、对水敏感、定向性好等优势[3]。它已成为矿井物探技术的重要手段，解决了矿井不明水害威胁影响生产的问题，增强了探测的准确性[4]。本次地面电法勘探完成了合同要求的采集任务和工程量。笔者以为，对物探确定的积水区和富水区进行验证和探放时，建议加强采掘前的水文监测和矿井物探工作，地面、井下相结合的综合物探手段是解决相对复杂地质问题的更好选择。