基于瞬变电磁法的采空区探测研究

赵磊磊

（山西凌志达煤业有限公司，山西 长治 046600）

大规模、高强度的煤矿开采在带来巨大经济效益的同时，对环境造成的破坏也日益凸现。我国多数产煤地区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，还严重制约着当地的社会经济的发展[1]。因此，查明已存在的矿山地质环境问题、预测矿区可能出现新的地质环境问题，成为当前矿山地质环境治理的首要任务之一[2-3]。

泰安煤业位于山西朔州，由于煤矿的开采，形成多处采空区，破坏了地下岩体结构，造成地面多处沉陷，有的对房屋主体结构产生威胁。因此，查明工作区内煤矿采空区的空间分布，对矿山地质环境进行综合评价及整治具有十分重要的现实意义。

1 工程概况

1.1 矿井概况

泰安煤业位于村庄一带范围内，矿区东、南部均有煤矿分布，北、西部无矿。井田内及周边无小窑开采。该矿可采煤层有4#、9#、11#煤。全矿共划分为8个采区，其中4#煤层2个采区，9#煤层4个采区，11#煤层2个采区。采煤方式为综采放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板。

1.2 工作面及采空区开采概况

该矿开采9#煤层，4#煤层在矿界东北角小面积采空，其范围进入9#煤层的6#采空区内。本次预测根据相近采空区及工作面情况就近合并分区。根据调查工作面及采空区情况见表1、图1。

表1 工作面及采空区情况

图1 工作面及采空区位置

2 测点布置方案

瞬变电磁法是根据不同岩体的电阻率大小进而反应数据，分析可以得到采空区的分布范围。本次综合物探勘查工作线框敷设在确定了物探测点的基础上，使用GPS及罗盘结合地形图定出发射回线的四个角点，敷设100 m×100 m的发射线框，其物探测点的确定及线框敷设精度满足工程物探测量要求。测点高程以各测线的方式给出。利用仪器内部集成的反演软件对不同发送频率、不同发送电流、发送电压、不同迭加次数，不同接收面积等情况下的数据进行计算观测。根据计算结果在野外进行实际探测试验，根据试验结果，最终选定工作参数：发送电压24 V，发送电流9 A，发送基频12.5 Hz，发送边长100 m×100 m，探头有效面积40 000 m2。本次工作在村庄北部、东部和南部共布置大回线源瞬变电磁测线18条，村庄内部布置重叠小回线瞬变电磁测线1条，在典型地段布置直流电测深点6个。

3 数据处理分析

3.1 大回线源瞬变电磁探测成果解释

本次瞬变电磁法勘探共完成18条测线，分别控制了村庄的北部，南部和东部区域。下面分别分析讨论：

（1）村庄东部电性情况分析

由现场踏勘可知在村庄的东南部有一个范围较大的积水区，推断为采空区造成地表沉降形成的。为了探明其采空区范围，布置了测线1～6，每条长450 m。测线1～3南起高速公路辅路，北至村庄干道北侧杏树林。处理数据可知，三条测线表现出基本一致的电性变化。测线2数据（见图2）在0～100 m，地层电阻率随地层加深呈现递减趋势，测线剩余部分的电阻率在浅部为低阻，中间深度为高阻，深部又变为低阻。由于煤层被采后形成的富水采空区呈低阻反映，可以推断1～3线的小号区域可能存在富水采空区100～150 m范围内半高阻区域，可能为采空区与稳定地层的过渡区域，或者该区域煤层已被开采，但并未出现大面积塌陷而形成富水采空区；三条测线在300～350 m范围内的高阻区域在垂向上明显更大，推测是由地下巷道引起的。

图2 测线2视电阻率断面

测线4～6平行于测线1～3，并位于其西侧，处于村庄东南侧两排民房之间，测线长150 m。从处理数据可知，该三条测线的电性变化，表现出与测线1-3小号点部分类似的变化特性。在含煤地层深度范围内，地层电阻率普遍偏低，未表现出典型的石炭系高阻反映，推断该区域可能为富水采空区，且推断该区域与测线1～3推断的富水采空区为同一个。

（2）村庄北部电性情况分析

为确定村庄北部采空区影响范围，我们共布置了9条测线，即测线7～15。其中测线7～9位于村庄干道北侧，西起村庄养猪场，东至村庄东侧一废弃公路，测线长度为700 m。由数据可知，测量区域内，含煤地层基本稳定，该深度范围内未出现大面积的低阻带，推断测线并未穿过大面积的富水采空区。根据现场踏勘，测线7～9北侧不远处即为明显的地面塌陷区域，因此应注意塌陷区范围，随时间推移可能会继续扩大，向南部延伸。需要说明的是，受高压电的影响，测线600～700 m范围内(图中右侧实线线框圈出区域)的数据质量较低，一定程度上影响了该区域的反演结果质量。测线9数据见图3。

图3 测线9视电阻率断面

测线10～15位于村庄北部养猪场附近，测线北临沟壑地带，南邻村庄北侧干道。分析数据可知，测线10～15的电阻率断面都表现出稳定的无采空高阻特性，且比测线1～9的高阻层深度更大，表明该区煤层的埋藏深度、更大。根据测量结果及现场踏勘，推测该测量区域内不存在采空区。

（3）村庄东部电性情况分析

为确定村庄南部采空区边界范围，在村庄南部沿高速路布置测线16～18。测线近北北东向布置，西起高速路桥洞，长度为600 m。分析数据可知，三条测线的电阻率分布在东西两段表现出完全不同的特性：西段(0～260 m范围)电阻率由浅及深是“低-高-低”的变化趋势，表明该段区域地层稳定，煤层未被开采；而东段(260～600 m范围)电阻率的变化趋势是“高-低-高”，表现为典型的富水采空区电性特征。需要说明的是在该段范围内深部的高阻反映，并非代表底部真实存在的高阻地层，而是由于中间富水区的极低电阻率引起的假异常。

3.2 重叠小回线瞬变电磁探测成果解释

由于对村庄内部的探测受房屋的阻碍，大回线装置不能开展，为此采用重叠小回线装置。其装置参数为：发射回线边长为3 m×3 m，10匝；接收回线边长为3 m×3 m，5匝，发射电流8.9 A，发射基频为12.5 Hz，最晚观测时间道为20 ms。由于小回线装置的发射磁矩小，激发的感应电压幅值小，加上村庄内部电磁干扰强烈，因此在较早的时间道(约8 ms)内，感应电压便衰减至噪声水平，导致小回线的探测深度最大只能到50 m。

由探测结果可得，在深度50 m范围内，地层电性基本呈递增的变化趋势，并未出现明显的纵、横向电阻率突变。虽然该深度并未达到含煤地层的深度，不能据此判断下覆煤层是否已被开采。但若测线覆盖区内已发生塌陷，浅部地层同样会导致电性的变化。因此，根据小回线探测结果，可以判定测量范围内不存在塌陷。

3.3 直流测深探测成果解释

对于直流电测深法探测，分两个阶段进行。第一阶段是在进行瞬变电磁测量之前，首先在测区明显塌陷区和未塌陷区进行测量，以确定两种情况下电性的变化特征，为瞬变电磁探测结果解释提供依据；第二阶段是在完成瞬变电磁法测量之后，在解释异常区边界区域选择个别位置进行测量，一方面验证瞬变电磁测量成果，另一方面为钻孔点选定提供参考。

图4为直流测深点的电阻率反演曲线。可以看出，六个测点处的电阻率整体上表现出两种不同的变化趋势：一种是 “高-低-高”(包括DC-2、DC-4、DC-6)，表明这三处位置可能存在富水采空区；另一种是“低-高-低”(包括DC-1、DC-3、DC-5)，表明这三处位置的煤层未被开采，不存在采空区。直流电测深结果与对应位置的瞬变电磁测深结果基本吻合，证明了瞬变电磁探测成果的可靠性。

图4 直流电测深电阻率反演曲线

4 结语

据上分析，由于采空区的存在，导致岩体破坏，岩石间裂隙增大，形成导水及富水区域，表现为瞬变电磁法的低阻反应。因此，高阻判断为未采地区，低阻判断为采空区。

基于上述解释原则，对各测线瞬变电磁探测成果进行汇总，并结合现场踏勘，可大致确定村庄四周的采空区范围。将推测采空区范围绘制于村庄航拍图上，得到图5。图中矩形线框区域为矿方标明的已采空区，粗线段为基于本次物探工作推断的采空区影响边界。据图5可知，村庄的南部和北部基本未受采空区影响，东部受采空区影响较严重，并有一采空区进入村庄内部。此次采空区范围的确定为下步环境治理及保护提供了坚实的基础。

图5 采煤影响范围确定地质灾害勘察采空区物探勘察成果