川南地区煤矿采空区的瞬变电磁法异常特征

张旭林, 周 昊, 刘 磊, 刘 洋

(1.四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610072；2.四川长宁天然气开发有限责任公司，成都 610056)

0 引言

川南地区页岩气资源丰富，也是目前国内页岩气开发的主战场，2012年4月国家发改委、国家能源局设立“长宁—威远国家级页岩气示范区”，正式开始了大规模开发页岩气[2]。但该地区发育有须家河组、龙潭组含煤地层，由于煤矿的开采形成有情况不明的煤矿采空区，因此，选择合适的钻井平台位置具有十分重要的意义。

这里以工作区中部署的钻井平台为例，通过在预选钻井平台位置开展煤矿采空区电法勘探工作，采用瞬变电磁法对煤矿采空区进行探测，对物探异常特征进行分析和总结，判断出预选平台位置下方煤矿采空区的分布情况，以达到选择合适的钻井平台位置的目的。

1 地质背景

1.1 地层

工作区内出露地层由新到老依次为上沙溪庙组、下沙溪庙组、凉高山组、自流井组、珍珠冲组、须家河组、雷口坡组、嘉陵江组、飞仙关组、长兴组、龙潭组，主要为各类沉积岩，其中以各类碎屑岩为主，碳酸盐岩类及泥岩类次之[3]。

1.2 煤层

三叠系上统须家河组(T3xj)是本工作区的含煤岩系之一，含煤地层共有三个段，即须家河组一段、三段、五段。可采煤层主要为五段的双连，三段的小白炭，一段的上元炭，由上而下为：

1)双连煤层，俗称“双梁子”，位于五段中上部，煤层层位稳定。煤层总厚为0.66 m～1.56 m，平均为 1.12 m；煤层有益厚度为0.31 m～1.15 m，平均为0.72 m；上分层煤厚为0.08 m～0.81 m，平均为0.36 m 。结构较复杂，一般含夹矸1层～2层，局部含夹矸3层～5层，夹矸总厚为0.17 m～0.72 m，平均为0.41 m，岩性多为泥岩，局部为炭质泥岩。该煤层在区内基本大部分开采，煤层厚度变化不大，属较稳定煤层。

2)小白炭煤层，俗称“二棒炭”，一般含煤2层，上分煤层厚为0.05 m～0.15 m,下分煤层厚为 0.30 m～0.35 m,煤层总厚为0.62 m～0.82 m,夹研厚度一般在0.20 m～0.50 m之间,岩性为细砂岩及泥岩。

3)上元炭煤层，上距二岩炭为6 m左右，下距中元炭为4 m左右，煤层分布比较广泛，厚度变化相对较稳定，为单一煤层，一般在0.20 m～0.43 m左右。上元炭顶板为深灰色砂质页岩，底板为深灰色页岩。

二叠系上统龙潭组(P2l)为本工作区的另一含煤岩系，含煤地层共有三个段，即龙潭组一、龙潭组二、龙潭组三段，可采煤层主要为B4、B3、A2、A1煤层。本工作区主采B4、B3煤层，由上而下为：

1)B4煤层，俗称“矮炭”，产于P2l2+3组地层顶部，上距K7标志层为0.90 m～4.54 m，平均为 2.66 m，下距B3煤层为1.72 m～13.24 m，平均为4.14 m。煤层总厚为0.41 m～1.50 m，平均为 0.86 m；煤层倾角为5°～33°，平均为20°；以双层结构为主，单一结构次之，一般夹矸厚为0.02 m～0.25 m，平均厚为0.08 m，夹矸岩性为粘土岩、炭质泥岩；顶板以泥岩为主，含炭泥岩次之，偶见生物碎屑灰岩，泥岩中富含瓣鳃、腕足类动物化石，底板多为泥岩，直接底板为粘土岩，富含深灰色肾状菱铁矿结核，稳定性为较稳定。

2)B3煤层，俗称“高炭”，产于P2l2+3组地层上部，上距B4煤层为1.72 m～13.24 m，平均为4.14 m，下距B2煤层为1.30 m～8.22 m，平均为3.65 m。煤层总厚为0.20～2.88 m，平均为1.25 m；煤层倾角为5°～33°，平均为20°；以单一结构为主，双层结构次之，一般夹矸厚为0.03 m～0.14 m，平均厚为0.07 m，夹矸岩性为粘土岩、炭质泥岩；顶板以粉砂岩为主，泥岩次之，底板多为泥岩，直接底板为粘土岩，富含草黄色球粒状菱铁矿。稳定性为较稳定。

1.3 构造

工作区内预选平台位置地层呈单斜构造，构造较为简单。受区域构造以及区域应力作用的影响，须家河组及龙潭组岩石节理裂隙较为发育。

1.4 水文

工作区内各类碎屑岩具性脆、抗压强度高、抗剪、抗拉强度却低的力学特性，裂隙的发育，是本工作区内碎屑岩具有含水性的主导因素；碳酸盐岩这些可溶性岩石，在裂隙发育的基础上，湿润多雨的气候条件下，溶蚀作用强烈，岩溶发育，使得本工作区内赋存有丰富的碳酸盐岩岩溶管道水；各类泥岩特别是侏罗系的泥岩具塑性，往往只形成细小而密集的微裂隙，在构造应力集中的部位，裂隙相对发育，并经风化作用而得到扩大，给浅层地下水的储集创造了条件，几乎都赋存有基岩裂隙水，一般水量贫乏[4]。

2 地球物理特征

物性差异是开展地球物理勘探的前提[5]，在收集工作区周边及以往工作的测井、电性资料基础上，在工作区内采集岩样进行室内物性测试[6]，综合统计结果见表1。

表1 岩石视电阻率值统计表

通过物性测试统计结果可以得出如下结论：

1)不同岩性之间存在较明显的电性差异。泥岩视电阻率值最低，一般在10 Ω·m～300 Ω·m之间，在工作区属低视电阻率；砂岩视电阻率值次之，一般在90 Ω·m～710 Ω·m之间，在工作区属中视电阻率；灰岩视电阻率值最高，一般在800 Ω·m～3 520 Ω·m之间，在工作区属高视电阻率。

2)空洞不含水、无充填状态下，一般呈高视电阻率；空洞充水或泥质充填状态下，一般呈低视电阻率。

3)相邻地层自流井组和须家河组，雷口坡组和嘉陵江组没有较明显的电性差异，而须家河组与雷口坡组有较明显的电性差异。

4)采空区、构造发育区与完整地层相比，由于地应力对完整岩层的破坏，导致岩体的裂隙发育，同时使得传播于勘查范围内的导电性发生变化，导致岩石的视电阻率大小发生变化，与完整岩体产生一定的电性差异。

综上所述，工作区具备开展瞬变电磁法煤矿采空区勘查工作的地球物理前提条件。

3 瞬变电磁法工作原理

瞬变电磁法是利用不接地回线向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用另一回线或探头接收由地下地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场(按指数规律衰减)[7]。根据这个原理，可把地表测得的随时间变化的瞬变响应转化为电阻率随深度变化的函数曲线(式(1)、式(2))[8]，从而实现瞬变电磁测深。

(1)

M=IL2

(2)

式中：ρ(t)为延时t时刻视电阻率，Ω·m；μ0为真空磁导率，μ0=4π×10-7H/m；M为发射磁距， A·m2；q为接收线圈有效面积， m2；t为衰减时间， ms；dB(t)/dt为磁场感应强度B关于时间的导数；I为发射电流， A；L为发射回线边长， m。

通过二次场衰减曲线的特征，就可以判断出地下地质体的电性、性质、规模和产状等，从而解决如断层、地下暗河、采空区等地质问题[9]。瞬变电磁法工作原理如图1所示。

图1 瞬变电磁法工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of working principle of tem

4 物性标定

根据收集的煤矿资料及本次煤矿调查情况，某平台下方须家河组地层分布有小白炭、上元炭、中元炭、下元炭煤层。该平台下方主采煤层为上元炭，目前，采空区为充水状态，小白炭煤层未开采。图2为该平台煤矿采空区勘查瞬变电磁法测线视电阻率反演断面图。从图2中可以看出：①雷口坡组和嘉陵江组地层没有较明显的电性差异；②而须家河组与雷口坡组地层有较明显的电性差异，须家河组地层整体呈现出中低视电阻率特征，测线下方未开采小白炭煤层埋深位置，视电阻率等值线分布较为均匀，与围岩没有明显的电性差异；③测线下方已开采上元炭煤层埋深位置，视电阻率等值线分布不均匀，整体呈现出低视电阻率特征，与围岩有明显的电性差异。因此，我们可以通过视电阻等值线的分布特征以及电性值对采空区进行判定。

图2 某平台瞬变电磁法测线综合解译断面图Fig.2 Section map of comprehensive interpretation of survey line by transient electromagnetic method of a platform

5 案列分析

5.1 案列1-A平台

5.1.1 基本情况

根据收集的煤矿资料及本次煤矿调查情况，A平台下方龙潭组地层分布有B4、B3、A2、A1煤层。煤矿主采煤层为B4、B3煤层(图3、图4)，本次物探测线布置覆盖已知采空区，控制采空区外延情况，S5线里程0 m～640 m为已知采空区，目前，已知采空区处于空洞状态。

图3 A平台煤矿采空区电法勘探测线布置图(局部)Fig.3 Layout of electric exploration and survey line in goaf of coal mine of platform A (local)

图4 A平台煤矿采空区电法勘探S5线地质剖面图Fig.4 Geological section of S5 line of electric exploration in goaf area of coal mine of platform A

5.1.2 异常特征

1)整体规律。反演剖面由浅至深主要为嘉陵江组、飞仙关组中低阻电性特征，长兴组、龙潭组、茅口组的中高阻电性特征。

2)局部分析。通过瞬变电磁法S5线视电阻率反演断面图可以看出，剖面在里程0 m～580 m，高程约660 m～790 m，出现等值线不均匀分布的高视电阻率的现象，结合S5线地质剖面在对应位置的投影，推测为B4、B3煤层采空区的电性反应。说明瞬变电磁法对煤矿采空区勘探是有效的，采空区为空洞状态时呈现出等值线不均匀分布的高视电阻率的特征。

5.2 案列2-B平台

5.2.1 基本情况

根据收集的煤矿资料及本次煤矿调查情况，B平台下方须家河组地层分布有小白炭、上元炭、中元炭、下元炭煤层。煤矿主采煤层为小白炭、上元炭，如图6、图7所示，本次物探测线布置覆盖已知采空区，控制采空区外延情况，L1线里程0 m～750 m为已知采空区，目前已知采空区处于充水状态。

图6 B平台钻前电法勘探测线布置图(局部)Fig.6 B. Arrangement of exploration and survey line before platform drilling by electric method (local)

图7 B平台钻前电法勘探L1线地质剖面图Fig.7 Geological section of L1 line by pre-drilling electric method for platform B

5.2.2 异常特征

1)整体规律。反演剖面电性特征明显，由浅至深主要为须家河组砂泥岩的中低阻电性反映、雷口坡组灰岩的中高阻电性反映。

2)局部分析。通过瞬变电磁法S1线视电阻率反演断面图可以看出，剖面在里程400 m～800 m，高程约460 m～520 m，出现等值线不均匀分布的低视电阻率的现象，结合L1线地质剖面在对应位置的投影，推测为小白炭采空区的电性反应。在里程400 m～800m，高程约330 m～370m，出现等值线不均匀分布的低视电阻率的现象，结合L1线地质剖面在对应位置的投影，推测为上元炭采空区的电性反应。说明瞬变电磁法对煤矿采空区勘探是有效的，采空区为充水状态时呈现出等值线不均匀分布的低视电阻率的特征。

5.3 案列3-C平台

5.3.1 基本情况

图8 B平台瞬变电磁法S1线综合解译断面图Fig.8 Section map of comprehensive mterpretation of line S1 by transicnt eletromagnetic metod of platform B

根据收集的煤矿资料及本次煤矿调查情况，C平台下方须家河组地层分布有双连、铁炭、龙骨炭煤层。煤矿主采煤层为双连，本次物探测线布置覆盖已知采空区，控制采空区外延情况，L14线里程1 060 m～1 480 m为已知采空区，该矿山采空区为全部垮落法管理顶板，大部分采空区已用砂泥岩回填，部分区域充水的状态(图9、图10 )。

图9 C平台钻前电法勘探测线布置图(局部)Fig.9 C. Arrangement of exploration and survey line by pre-drilling electric method for platform drilling (local)

图10 C平台钻前电法勘探L14线地质剖面图Fig.10 Geological section of L14 line by pre-drilling electric method of platform C

5.3.2 异常特征

1)整体规律。反演剖面由浅至深主要为下沙溪庙组、新田沟组、自流井组、珍珠冲组、须家河组砂泥岩的电性反映，中深部呈现中高阻电性特征主要为须家河组厚层状砂岩的电性反映。

2)局部分析。从图11可以看出，剖面在里程约750 m～1 200m，埋深约-90 m～90 m，出现视电阻率整体值偏低，高低阻相间，视电阻率等值线分布凌乱的现象，反映地层介质极不均匀，与该层位地层电性背景值差异明显，异常区域与已知采空区在相应里程和高程上大致对应。说明瞬变电磁法对煤矿采空区勘探是有效的，在这种大部分采空区用砂泥岩已回填，部分区域充水的区域，瞬变电磁法视电阻率反演剖面呈现出视电阻率整体值偏低、高低阻相间、视电阻率等值线分布凌乱的特征。

图11 C平台煤矿采空区电法勘探瞬变电磁法S14线视电阻率反演断面图Fig.11 Inversion section of apparent resistivity of S14 line by transient electromagnetic method for goaf exploration in coal mine of platform C

6 结论

通过在预选钻井平台位置开展煤矿采空区电法勘探工作，采用瞬变电磁法对煤矿采空区进行探测，总结出川南地区煤矿采空区具有以下特征：

1)煤层未开采状态，呈现出视电阻率等值线分布均匀，与围岩没有明显的电性差异的特征。

2)采空区为空洞状态，呈现出等值线不均匀分布的高视电阻率的特征。

3)采空区为充水状态，呈现出等值线不均匀分布的低视电阻率的特征。

4)采空区为有物质充填、部分区域充水状态，呈现出视电阻率整体值偏低，高低阻相间，视电阻率等值线分布凌乱的特征。