瞬变电磁技术在探测上庄煤矿3 号煤富水区的应用

张 亮

（山西潞安环能上庄煤业有限公司，山西 长治 046000）

1 概 况

煤矿开采是国家能源结构中重要的一环，煤矿安全生产是制约煤炭产量的重要因素。山西省煤炭资源丰富，开采时间长，早期开采遗留的采空区积水、开采过程中的诱导裂隙等，为后期立体开采煤炭资源带来了重要安全隐患。因此，在煤矿开采过程中，探清可采煤层富水性特征，对煤矿安全生产至关重要。瞬变电磁技术在煤矿富水性勘测过程中扮演了重要角色，利用瞬变电磁技术对上庄煤矿3号煤富水区进行探测。

2 可行性分析

为证实瞬变电磁技术在上庄煤矿3 号煤富水区的可行性，综合考虑到浅表层、深层地电条件及已知资料，选择在已知区域（采空区或钻孔附近） 进行试验，以实际的地层电性分布情况验证试验参数的准确性。

全区选择了1 个试验点位，位于测区中部，ZK3503 号钻孔附近L1140 线的960～1 140 点，试验段位于山梁上，无干扰源。钻孔位置地面标高1 057.015 m，3 号煤底板标高763.57 m。

根据已知钻孔，揭露3 号煤底板标高为760 m，奥灰顶界标高为620 m。由图1 分析可知，试验段电性反映特征明显，层位清晰，各地层视电阻率由浅至深呈中阻—低阻—中阻—高阻的反映，符合区域地层的电性参数反映特征，表明瞬变电磁技术在测区富水性分析可行。

图1 试验段视电阻率综合剖面Fig.1 Comprehensive section of apparent resistivity of the test section

根据视电阻率及钻孔资料等进行分析对比，确定了对低阻异常区的划分原则，即3 号煤层采空区积水为ρs≤260 Ω·m、K8 砂岩含水层ρs≤250 Ω·m。

3 技术应用

上庄煤矿位于沁水煤田东缘，可采煤层为山西组的3 号煤层及太原组的9、15 号煤层，其中3 号煤层厚1.26～3.40 m，平均2.16 m，为较稳定可采煤层，且在井田范围内已被大面积开采，采空区积水给下伏煤层开采带来了生产隐患。

3.1 资料处理

仪器采用加拿大Geonics 公司生产的ProTEM67P瞬变电磁仪。处理软件包使用ProTEM67 电法仪的配套反演处理软件包。具体数据处理步骤：①滤波，采集过程中通常会有背景干扰，通过滤波过程，去除无效数据；②时深转换，采集得到的二次场电位是在时间域的变化，与常规地质剖面难以对比，因此通过时深转换实现二次场电位在深度域的变化；③绘制参数图件，采集得到的为二维空间的剖面，可表征沿测线电性随深度的变化，而富水区的规模需要平面分布来表征，因此通过测线测点电阻率插值，绘制参数平面图件。

3.2 资料解释

解释过程遵循以下方法步骤：①参考各条测线感应电压多测道曲线，分析高压线影响范围，为资料解释提供参考依据；②从测区实际地质规律出发，对比已落实的地质异常特征，分析地质异常的视电阻特征，对目标层系顺层视电阻率切片分析，分析地质异常平面展布特征。

3.3 成果分析

3.3.1 视电阻率剖面特征

L900 测线位于勘探区中部，视电阻率拟断面图（图2） 上，3 号煤层底板附近的视电阻率等值线明显呈波浪起伏的形态，视电阻率值随深度增加逐渐增大，反映了测线下方煤系地层及基底的电性特征。拟断面图上在测线的180～220 号点，标高810—830 m 视电阻率值逐渐减小形成了一个低阻区域（ρs≤250 Ω·m）；在测线的720～800 号点，标高800—830 m 视电阻率值逐渐减小形成了一个低阻区域（ρs≤250 Ω·m），综合分析推断该异常区为3 号煤层上覆K8 砂岩含水层富水异常区。

图2 L900 线视电阻率拟断面Fig.2 Apparent resistivity quasi section of L900 line

L980 线视电阻率拟断面图（图3） 上，在测线280～400 号点，标高810—840 m 视电阻率值逐渐减小形成了一个低阻区域（3 号煤层ρs≤260 Ω·m，此处为已知采空区），为采空积水区；在测线的680～800 号点，标高810—840 m 视电阻率值明显变低形成了一个低阻区域（ρs≤250 Ω·m），综合分析推断该异常区为3 号煤层上覆K8 砂岩含水层富水异常区。

图3 L980 线视电阻率拟断面Fig.3 Apparent resistivity quasi section of L980 line

3.3.2 视电阻率平面特征

对于煤层来说，完整的煤层应呈中高电阻率值反映，当有采空充水时电阻率值会降低，在顺层切片图上表现为低阻封闭圈。沿3 号煤层底板等高线对3号煤层做视电阻率顺层切片，图4 反映了3 号煤层视电阻率分布特征，分布范围为100～600 Ω·m。

图4 3 号煤层视电阻率顺层切片Fig.4 Bedding section of apparent resistivity of No.3 coal seam

总体来说，测区西北部和东南部呈现出中—高阻的特征，视电阻率值分布范围为300～500 Ω·m，图中虚线条圈出的区域在顺层切片图上表现为低阻封闭圈，呈现出低阻异常特征，视电阻率值为100～260 Ω·m，在所圈定的低阻异常区中，有部分区域是受高压线和村庄影响所造成的。

3.3.3 号煤富水区特征

基于瞬变电磁勘探资料，解释了上庄煤矿内3号煤8 个富水区，共计面积0.165 9 km2，其中3 m-2、3 m-6、3 m-7 推断为采空积水区，3 m-1、3 m-3、3 m-4、3 m-5、3 m-8 推断为疑似采空积水区，详见表1。

表1 3 号煤层采空积水区控制情况Table 1 Control of goaf water area in No.3 coal seam

4 结 语

瞬变电磁解释的3 号煤层富水区与实际采空区吻合度较高，证实了该技术在矿区富水性探测的适用性。但电法勘探中的相对富水概念，不等同于水文地质中的富水程度划分标准，实际应用时还要结合实际水文资料及水文钻探成果，通过多种方法手段验证解释成果的有效性，提高瞬变电磁技术在预测矿井水方面的准确性。电法勘探存在一定的多解性，在巷道掘进过程中，尤其是电法解释富水异常部位，应加强井下超前探测工作，实现安全生产。