基于瞬变电磁法在晋牛煤矿采空区积水的探测应用

李 高 鹏

（太原煤炭气化（集团）有限责任公司地质测量部，山西 太原 030006）

0 引 言

大规模、高强度的矿产资源的开采在带来巨大的经济效益的同时，对环境造成的破坏也日益凸现。到目前为止，几乎全国各地都存在因煤炭资源的开采而引发的众多矿山地质环境问题，这些问题在造成大量的财产损失和人员伤亡的同时，还严重制约着当地社会经济的发展[1]。煤矿采空区积水问题是影响煤矿安全生产的主要问题之一，由于前期小煤窑的乱采乱挖，导致煤矿在兼并重组后，不能准确的判断采空区分布及积水情况，因此，采用瞬变电磁法对采空区积水分布状态进行研究，就成为当前矿山地质环境治理的首要任务[2,3]。

1 工程概况

晋牛煤矿为2009 年兼并重组整合矿井，井田属于霍西煤田，位于山西临汾市西部。井田内小煤窑主要分布在2 号、9+10+11 号煤层露头线一带，沿煤层露头分布。2 号煤层小煤窑36 处，9+10+11 号煤层小煤窑12 处。井田内2 号煤层东部和东南部区域已开采完毕，目前开采9+10+11 号煤层为厚煤层，厚4～9m，采用放顶煤采煤方法开采。

本次勘查区为井田东部，面积共计约1.38km2，针对勘查区内老窑、小窑2#及9+10+11#采空区积水情况进行探测。勘探范围与矿区相对位置见图1。需针对矿井下部采空区积水情况进行探测，以便采取合理的探放水方案，保证矿井安全生产。

图1 勘探范围与矿区相对位置图

2 瞬变电磁法工作原理及参数

2.1 工作原理

不同岩性具有不同的导电性能，泥岩电阻值较低，依次增高的有粉砂岩、中粗砂岩等，灰岩在致密完整时，电阻率相对较高，如其中存在大量裂隙，并充水、岩溶存在，会发生明显的电性差异。当下部处于未采区时，电阻率相对显示是岩性电阻率，当下部是采空区且积水时，由于水的良好导电性，采空区积水处电阻率明显增高，这是瞬变电磁法进行采空区及积水范围探测的前提。

2.2 设备仪器及工作参数确定

本次瞬变电磁法施工选用的试验仪器为西安煤科院生产的TEM-6 型大功率瞬变电磁仪。野外数据采集使用5m×5m 的单匝方形发送回线、接收使用中心探头（T50- 等效面积为100m2）装置进行，供电瞬间脉冲电流可达1500A，保证勘探深度及深部数据的信噪比。

根据具体地质条件及工程经验，为了满足本区勘探目的，最终参数定为：

3 采空区积水探测

3.1 瞬变电磁法测点布置

线、测点的布置，以“由南向北、由西向东”的顺序统一布署，测线号从南到北由小到大编设，测点号从东到西由小到大编设，线距40m，点距20m，勘查区面积1.38km2，设计测线共计28 条，共设计测点1 855个，实际完成测点1 785 个。在进行野外数据采集之前，进行了充分试验工作，包括单点试验和有效性线试验。

经限差统计计算后，按勘查区91 个检查点，1～45 道进行计算，检测总的相对均方误差为±5.88%，符合技术规范中不超过±15%的要求。按上述评级标准，勘查区1 785 个物理点中甲级品1 482 个，占物理点总数的83%；乙级品303 个，占物理点总数的17%，无废弃点。

3.2 数据处理

瞬变电磁仪器首先在野外测得归一化感应电动势值△V（t）/I，每个观测点测得：采样时间、发射电流、窗口宽度、归一化感应二次场、转换得到的磁感应强度值。将测得合格数据收集进行处理分析，采用专用软件转换得到ρt（视电阻率）和ht（视深度）等参数，再根据地形高程信息可以获得等值线图，然后采用ρt（视电阻率）和ht（视深度）可以构制沿测点和测线的视祖率ρs 拟断面图和综合切片图，及可以在图上直观的分析沿测线断面的视祖率及电性分布特征。

3.3 数据成果分析

3.3.1 拟断面图异常特征。

在ρs 拟断面图上，可以直观的看出地层岩性电阻率的变化，当下部为未采区时，电阻率呈现变化稳定状态，等值线呈层状分布，变化平缓。当下部存在采空区时，视祖率增大，采空区积水时，视祖率降低，等值线发生扭曲变形，可以直观确定出视祖率变化的空间赋存情况。

整个测区电阻率值由西向东基本均匀变化，在垂向上，测区地层视电阻率由浅到深呈相对高阻—低阻—高阻的变化特征，在各条测线上都得到了明显的反映。

断面图上，电性层位表现比较明显。依据本次数据反演模型，浅地表，以黄土层为主，平均视电阻率值在40Ω·m 左右，局部砾石层有所增大，最大达80Ω·m；其下是石炭系含煤地层，以砂岩、泥岩、灰岩及其互层为主，视电阻率值增高，平均在120Ω·m；其中，根据试验线数据采空积水区视电阻率值小于60Ω·m（或表现为同层明显的低值闭合或半闭合圈）；再往下是以灰岩为主的奥陶系地层，视电阻率一般＞150Ω·m。当然，在煤层埋深变化明显或有构造分布的测区，视电阻率变化规律会略有差异，且视电阻率为接收到的电压信号的反演值，与真实地层电阻率也会有区别，进行分析应充分考虑该情况。需要特别说明的是，瞬变电磁法本身存在浅层观测“盲区”，根据经验及本次观测参数粗略估算，本次观测盲区约30m。由于本次勘探工作目的层2#、9+10+11#号煤层埋藏较浅，露头附近煤层处于观测盲区内。

下面以1 线、9 线、23 线典型特征视电阻率断面进行分析。

图2 1 线视电阻率拟断面图

1 线视电阻率断面图如图2 所示，图中黑色虚线为9+10+11#煤层底板等高线，在9+10+11#煤层底板等高线附近36～42#测点（700m～820m）、50～53#测点（980～1 040m）处视电阻率相对较低，均小于60Ω·m，推断为9+10+11#煤层顶板K2 灰岩裂隙发育富水异常。

图3 9 线视电阻率拟断面图

9 线视电阻率断面图如图3 所示，图中黑色虚线为9+10+11#煤层底板等高线，在9+10+11#煤层底板等高线附近视电阻率均在60Ω·m 以上，故此测线无明显低阻异常。

图4 23 线视电阻率拟断面图

23 线视电阻率断面图如图4 所示，图中黑色虚线为9+10+11#煤层底板等高线，在9+10+11#煤层底板等高线附近13～27#测点（240～520m）、77～81#测点（1520～1600m）处视电阻率相对较低，均小于60Ω·m，推断为9+10+11#煤层顶板K2 灰岩裂隙发育富水异常。

3.3.2 平面图反应特征

在煤层视电阻率异常平面图上，若层位分布稳定、无采空区等的影响下，电性分布稳定，或沿煤层或构造方向均匀变化，视祖率分布稳定，等值线平缓、均匀；如存在采空区及采空区积水时，在平面图上则体现为高阻及低阻异常区，视祖率突增及突减，等值线不均匀变化。

在2#煤层视电阻率平面图为测区内煤层视电阻率顺层切片等值线图，反映了煤层的电性分布特征。从图5 上看，测区内视电阻率整体均匀变化，局部高低阻形成闭合区域，整个勘探区共呈现2 处低阻异常区域，分别为J2-1、J2-2 低阻异常区，由于此两处异常埋深较浅，故推断为风氧化带所致。

在9+10+11# 煤层视电阻率平面图为测区内煤层视电阻率顺层切片等值线图，反映了煤层的电性分布特征。从图上看，测区内视电阻率整体均匀变化，局部高低阻形成闭合区域，整个勘探区共呈现5 处低阻异常区域，分别为J10-1、J10-2、J10-3、J10-4、J10-5号低阻异常区，推断为9+10+11#煤层采空积水区或者顶板K2 灰岩裂隙发育富水异常。

图5 2#煤视电阻率顺层切片图

图6 9+10+11#煤视电阻率顺层切片图

4 结 论

图7 勘探成果图

通过参考晋牛煤矿已知采空区试验成果，根据对各条测线瞬变电磁视电阻率平面图的综合解释推断，并结合地质上最有可能形成积水的一般地质规律与矿区的水文地质条件对全区异常进行了划分，共圈定了2 处2# 煤层低阻异常（推断为风氧化带）、5 处9+10+11#煤层处低阻异常（其中J10-1、J10-5 推断为9+10+11#煤层采空积水区；J10-2、J10-3、J10-4 推断为9+10+11#煤层顶板K2 灰岩裂隙发育富水异常），共计面积231 020m2，如图7 所示。此次采空区积水范围的确定为下一步环境治理及矿井工作面安全回采提供了坚实的基础。