综合物探方法在探测煤矿采空区积水中的应用

林建功，张 磊，肖 勇

（1.山西大同大学 煤炭工程学院，山西 大同037003，2.山西省煤炭地质115勘查院，山西 大同 037003）

0 引 言

采空区积水给矿井安全生产造成隐患，因此，查明老采空区的位置、分布以及积水情况，降低煤矿水害发生的可能性。地球物理勘探技术利用煤层与采空区、岩层之间的岩石物性差异探测识别地下构造体结构、采空区分布及含水情况，是煤矿防治水工作中常用的勘探方法。但工区的干扰以及物探资料解释的多解性，单一的探测方法往往难以取得理想的效果，造成探测精度不足，无法准确测定地质状况。因此多种物探手段相互结合，相互验证的综合物探方法可以取得更好的效果。瞬变电磁法因其对低阻敏感性高，在煤矿井下水文地质勘测方面应用较好，常用于矿井水害防治；激电中梯法在金属矿探测、地质勘查中应用较多，主要特点是效果明显，特别是对于含硫化矿物的反应，能很好的吻合地质情况，提高勘探效率和勘探精确度。此次试验决定选择此两种物探方法，在已知采空区进行试验研究，分析其最优探测参数，先使用瞬变电磁法在采空区探测积水情况，再使用激电中梯法验证采空区积水状况，最后综合分析探究两种方法在煤矿中对于采空区积水的勘探效果。

1 测区地质概况

山西兰花沁裕煤矿坐落于沁水煤田西南部边沿地带，获批采掘2～15号煤层，井田总体面积为11.1214 km2，地形呈西北高东南低之势，为一不规则多边形，南北最宽约2.5 km，东西最长达7.0 km，井田范围内无大的地表河流、水库等，矿井充水大多由大气降水和地下水组成。

井田内含煤地层总厚130.44 m，共10层煤，煤层总厚度7.34 m，含煤系数5.63%。2号与15号两煤层可采，可采煤层总厚度大约3.64 m，含煤系数2.79%。2号煤层处在山西组中部，煤层厚度0～2.40 m，平均为1.40 m，井田西部煤层稳定，中部变薄，局部无煤，向东、向西煤层变厚，总体上向西有变厚的趋势，井田中总体西部煤层较稳定，赋存区大量可采，一般无夹矸，煤层结构较简单，顶板主要岩体分布为泥岩、粉砂岩，底板大多为泥岩、砂质泥岩。

该井田2号煤层已开采多年，存在较大面积的采空区，其中有1个采空区存在积水。

2 探测方法

此次运用瞬变电磁法与激电中梯法相结合的综合物探方法进行物探勘测。

物探勘查区域覆盖井田中部，勘查区内海拔最高处1 247 m，最低处1 005 m，高差242 m。设计勘查面积2.33 km2。勘探区地层整体近东西向之势，为收集最佳地电信号，达到最佳效果，瞬变电磁测线偏南北向布置，共设计瞬变电磁测线46条，线距40 m，点距20 m。激电中梯法勘探线布设在瞬变电磁法分析推断的采空积水异常区域及采空区上，用来验证瞬变电磁法的推断，共布置3条测线。

3 参数优化试验

3.1 瞬变电磁法参数优化试验

此次实验所选探测仪器为IGGETEM-30A瞬变电磁仪，数据采用重叠回线进行采集，回线参数为20 m×20 m×5匝。在试验点上对增益、叠加次数、测量延时进行试验。

3.1.1 增益对比的选择

瞬变电磁探测增益能够解释为：与无向性的理想点比对，等倍放大输入功率，在一定距离外的测试点产生理想的可测信号。因此选择发射电流5.5 A，对增益为1、10进行试验，采取从最大、最小两端开始逐渐逼近的方法，衰减曲线如图1所示。分析图1可知，增益为1时，衰减曲线晚期道有跳跃；增益为10时衰减曲线表现圆滑，因此选择增益为10为数据采集参数。

图1 增益1、1 0衰减曲线对比Fig.1 The comparison of gain No.1 and No.10 attenuation curves

3.1.2 叠加次数的选择

在瞬变电磁法探测中，无线电或者高压线的存在会对探测信号造成不同程度的干扰，为提高采集数据的信噪比，可通过增加叠加次数的方式抑制游离的干扰信号。为确定压制随机电磁干扰的最少叠加次数，采用上述实验所得参数，同时根据以往经验选取128、256、512次进行叠加次数试验，如图2所示。可看到叠加次数为128和256次曲线有曲折，而512次叠加对干扰信号抑制效果显著。

图2 叠加次数为1 28、256、51 2次衰减曲线对比Fig.2 The comparison of attenuation curves for superposition times of 128,256 and 512

3.1.3 延迟时间的选择

延时和探测地层深度相关，低延时虽然能增加对较浅地层的探测能力，但影响深部地层信息的探测能力；相反，高延迟会提高对深部地层的探测准确性，但是会对浅部地层的探测造成一定误差。因此探测精度与合适的接收延时密切相关。通过在发射电流5.5 A、叠加次数512次、增益10的条件下进行接收延迟0、50μs、120μs的试验，试验结果如图3所示。可以发现，0及50μs两种延迟时间的早期数据存在溢出或畸变现象，120μs延迟时间数据平滑且规律，因此选用延迟时间120μs。

图3 采样延迟0、50μs、1 20μs衰减曲线对比Fig.3 The comparison of attenuation curves for sampling delay of 0μs,50μs and 120μs

3.2 激电中梯法参数优化试验

激电中梯法选用多功能直流电法（激电）仪，型号为DZD-6A。为选择合适参数，优化实验结果，进行了AB线对比试验及供电时间与供电电流选择对比实验。

3.2.1 供电极距的选取

供电极距长度受信号大小的限制不宜过大，一般在1 200～1 800 m，在观测信号能保证精度要求下，设置接收电极MN距离为40 m，在勘探区进行1 200 m、1 500 m供电极距对比试验，如图4所示。2条曲线从800～1 080 m处均呈现了低视电阻率和高视极化率的特征，分析认为此处符合采空积水的特征，精度较高且平稳性好、异常反应稳定且规律，因此选用AB=1 200 m的极距。

图4 供电极距分别为1 200、1 500 m电阻率曲线Fig.4 The resistivity curves of the power supply polar distances of 1 200 m and 1500 m

3.2.2 供电时间的选取

采用1 200 m极距，激电工作的供电时间试验选择4、8、12 s做对比，如图5所示。发现供电时间为8 s时，所测激电异常值能达到饱和值的90%左右，可以满足激电中梯法探测异常区的需求，因此供电时间选择8 s。

图5 不同供电时间剖面图Fig.5 The profiles of different power supply time

3.2.3 供电电流的选取

采用所选定的极距、供电时间在异常点上选择几组由小到大的电流进行观测，如图6所示。经比对，2 A和3 A的供电电流，曲线区别不大，因此供电电流选取2 A。

图6 不同供电电流剖面图Fig.6 The profiles of different power supply currents

3.3 参数优化试验成果

对瞬变电磁法增益、叠加次数、接收延迟时间等参数进行试验，确定最终参数为：时基40 ms、增益10、采样道46道、接收延时120μs、叠加次数512次、发射电流5.5A。

根据激电中梯法参数优化试验，施工参数最终确定为：供电极距AB=1 200 m，点距MN=20 m，供电时间8 s，供电电流2 A。

4 物探成果分析

4.1 瞬变电磁法分析

瞬变电磁多测道曲线用来描述二次感应电压不同延时沿测点的变化，电阻率变化较小时图像变化均匀且平缓，有小概率存在电性异常体（含水地质体）。平面上，各测线感应电压多测道曲线是瞬变电磁资料的主要依据之一，二次感应电压中间高两侧低可解释含水异常体特征，富水性越强，变化幅度越大。740线多测道曲线如图7所示。图7中，560～640 m、780～860 m和1 150 m处感应电压比周围测点高，推断可能是含水异常区。

图7 740线多测道曲线Fig.7 The multi-trace curve of No.740 line

视电阻率拟断面图可解释勘测区内存在的地质异常情况，是瞬变电磁数据的重要图件资料，可判断含水异常体。740线视电阻率断面图如图8所示。纵坐标为深度，横坐标为测点。纵向分析表明，视电阻率值按颜色深浅表现不同电性特征，反映不同地层的电性变化。从横向上看，2号煤层附近的视电阻率等值线总体平直，表明所测区域地层构造及基底形态。在620 m、760～860 m处电阻率呈低阻或剧烈变化态势，分析是由含水异常引起的；1 150 m处为F2断层。

图8 740线视电阻率拟断面图Fig.8 The apparent resistivity section diagram of No.740 line

顺层电阻率图也常常被用来分析瞬变电磁法。在顺层电阻率平面图中，它不仅可以显示含水异常的整体轮廓，而且配合多测道曲线和视电阻率拟断面图可以进行详细准确的含水异常解释，一般在电阻率富水性分析图中含水异常显示为较低数值。

2号煤层顺层电阻率情况如图9所示。根据地质资料并结合视电阻率拟断面图的整体数据与走势综合分析，对于低于10Ω·m的低阻区域，推断出疑似采空积水异常区8处，分别编号YC1～YC8。

图9 2号煤层顺层电阻率平面图Fig.9 The plane of No.2 coal seam bedding resistivity

4.2 激电中梯法与瞬变电磁法对比分析

对瞬变电磁法分析推断出的疑似采空积水区和已测得的采空区，运用激电中梯法探测进行验证。选取横跨勘查区内可疑采空积水区YC2的1060测线进行典型对比分析。已有资料得知，2号煤层底板标高950—970 m，采空范围380～1 280 m桩号。1060线物探成果如图10所示。

1060线视电阻率拟断面图（图10a）可以看出，整个剖面电阻率值为15～105Ω·m，在测点480～1 240煤层上覆岩层电阻率畸变明显，符合采空区特征，与已知采空区资料显示一致；在测点820～900电阻率明显较低，为可疑采空积水区YC2。

在上述测线布置激电中梯法进行验证，通过视极化率、视电阻率剖面图（图10b）可知，在840～900范围在采空区内，电阻率相对较低、极化率较高，与瞬变电磁探测结果异常特征一致，判断840～900范围为采空区积水段。

图1 0 1 060线物探成果图Fig.10 Geophysical exploration results of No.1060 line

经上述方法，通过在所测异常区处打钻验证，均有水涌出，可知2种物探方法结合的探测结果可信度较高，8处推断异常区域均可定性为采空积水区。综合对比可知勘查区内2号煤层底板标高890—990 m，2号煤层在勘查区中部有较大范围采空。

5 结 论

运用瞬变电磁法及激电中梯法两种物探方法对已知采空区进行地面物探参数优化试验、综合物探效果分析，总结了试验结果。经过对试验数据的处理、分析，并与地质资料的对比，得出结论如下。

（1）对瞬变电磁法及激电中梯法探测参数进行优化，确定瞬变电磁法仪器参数为时基40 ms，采样道46道，关断时间120μs，叠加次数512次，发射电流5.5A；激电中梯法供电极距1 200 m，供电时间8 s，供电电流至少2 A。将优化后参数应用到现场，表明在沁水煤田2号煤层探测效果较好，为以后该地区探测提供理论依据。

（2）地面物探采用瞬变电磁法探测，确定可疑采空积水区8处，在此基础上采用激电中梯法进行验证，将8处可疑区域定性为采空区积水，经打钻验证有水涌出，表明两种物探方法结合应用效果较好，结果可信度较高。