瞬变电磁法在探测浅部煤层采空区的应用实例

＊赵辉 王辉 周旭光

（陕西省煤田物探测绘有限公司 陕西 710000）

2000年至今，煤炭行业呈现爆发式增长，随着煤层长期开采导致煤矿采空区大量出现，由此引起了地质环境的局部变化，严重影响矿山安全生产和周边人民群众生命财产安全[1]。目前针对深度在200m以内采空区的探查，常用的勘探手段有钻探法和物探法。钻探法是一种以点带面的勘探方法，其周期长、费用高、而且布置的钻孔数量和勘探规模有限，很难满足查清采空区的整体空间分布特征的要求，通常是作为验证物探结果的重要手段。而物探法因其施工周期短、信息量大、无损且成本低的特点，成为目前主要的勘探手段，同时结合钻探验证，对煤层采空区和积水区能够进行有效的判定和控制。

探查采空区通常采用的物探方法有地震勘探法、高密度电法和瞬变电磁法[1-2]。地震勘探法是根据地下弹性介质的波阻抗差异所引起的地震波场响应特征来识别存在于地下介质中的波阻抗界面，而采空区内完整煤层和围岩介质与采空区内部介质存在波阻抗差异，因此这种波阻抗差异为地震法识别采空区的地震响应特征提供了理论基础[3]。但探测埋深在100m左右且埋藏深度变化较大的煤层采空区时，其分辨率相对较差，同时对采空区的积水情况无法分辨。高密度电法集剖面测量和深度测量为一体，可快速测量地下地质体的横向和纵向分布规律，常用于解决目的层埋深在30～100m左右异常地质体的探测[4]。如需探测深度更大的地质异常体，需要增加排列长度来实现，伴随排列长度的增加，体积效应也相应增大，同时地形起伏和接地条件对高密度电法数据影响较大，从而降低了横向分辨率。而瞬变电磁法作为一种经济高效的地球物理勘探手段，该方法对不同介质电性差异分辨率高、探测深度大、功效高、施工成本低等，同时兼顾剖面测量和深度测量，近年来在工程勘查、地下水调查、矿产资源勘查等领域得到了广泛的应用，并取得了显著的成果[5-9]。本次结合矿区工程实际，采用瞬变电磁法探查煤层采空区和积水情况，为后期工作面布置和采空积水区的治理提供了有效的地质依据。

1.瞬变电磁法的基本原理

地面瞬变电磁勘探主要探测多煤层的顶板砂岩富水性，其对水体敏感且分辨率较高。该方法的物理基础为电磁感应原理，以接地导线或不接地回线通以脉冲电流作为场源，以激励探测目的物感生二次电流，在脉冲间隙利用不接地线圈或接地电极观测二次场随时间变化响应的一种电磁方法[10]。其基本工作方法是设置以一定波形电流的发射线圈，在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后，通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。良性导电地质体产生的感应二次场与地质体的电阻率密切相关，电阻率越低、低电阻地质体规模越大，感应二次场越高、二次场衰减越慢（图1）。

图1 瞬变电磁原理及二次场强时序关系示意图

2.煤层采空区的地球物理特征

在陕北地区，煤系地层一般呈水平或平缓单斜分布，同一层位岩性的电性变化比较均一，因而煤层在没有采空的情况下，横向上是相对均一的，视电阻率等值线呈水平或平缓状展布；当煤层采空后，若不充水或少量充水，则视电阻率呈相对高阻特征，视电阻率等值线表现为明显的高阻圈闭和扭曲；当煤层采空区饱含地下水或充水较多时，视电阻率则呈现相对低阻特征，视电阻率等值线表现为明显的低阻圈闭和凹陷等；对于煤层规模化采空暨煤层规律性、大面积采空后，煤层顶板在自重及上覆岩层作用下产生变形、破碎、坍塌等，则视电阻表现为局部的、规律性的低电阻凹陷特征。但无论那种异常特征，视电阻率等值线均会出现较为明显的起伏或者较为凌乱的变化。

3.测区概况

石窑店煤矿位于陕西省神木市东北部，属陕北侏罗纪煤田神府矿区新民开采区。生产规模为300万吨/年，批准开采2-2煤、3-2煤、5-2上煤和5-2煤。测区位于石窑店煤矿井田的中西部（图2），勘探区面积约0.57km2。地形支离破碎，沟壑纵横，为典型的黄土高原地貌。基岩及红土沿沟谷两侧大面积出露，局部沟帮及梁峁之上覆盖第四系黄土或风成沙。地表标高一般在1080～1240m左右，最大高差为160m。地层由老到新依次有三叠系上统永平组、侏罗系中统延安组、新近系上新统保德组，第四系中更新统离石组、全新统冲积层和风积层。地层总体为北西走向，倾向南西单斜构造，平均倾角1°～3°。未发现大的断裂及褶皱存在。本次的目的煤层（3-2煤层）位于延安组的第二段顶部，埋深在35～120m，可采煤层厚1.24～2.91m，平均约2.15m。其与上覆2-2煤层平均间距约30m，但2-2已经全部自燃，部分地段已剥蚀待尽。同时根据本区的地形地质及水文地质情况可以看出，3-2煤层上覆含水层主要为顶板砂岩裂隙含水层和2-2煤烧变岩孔洞裂隙潜水含水层。3-2煤平均厚度2.15m，其采空后形成的裂隙带可达62m，直接通2-2煤烧变岩含水层，在沟谷地段可达地表。因此煤层采空后，上部岩层水和部分地表水通过裂隙向采空区进行补给，因此在电性上，3-2煤采空后，较围岩表现为明显的低阻反映。

图2 勘探地形及工作面布置示意图

此次测网密度为20m×20m（线距20m、点距20m），设备采用GDP-32多功能电法工作站。采用大定源内回线装置，发射线框120m×120m、接收采用TEM-3探头（等效接收面积10000m2），发射频率32Hz。

4.数据处理及解释

数据的处理采用GDP-32配套的shred和TEMAVG程序进行数据的转换、圆滑、静态校正，再利用Rstem程序加载地形文件进行数据的正、反演计算，同时对地形进行了几何校正，最终使用地形校正后的反演视电阻率数据进行成图分析解释。

图3为L0线综合解释剖面图，该测线位于勘探区西部（见图1）。由L0线视电阻率等值线断面图（图3上）可以看出，视电阻率数值随深度增加呈先升高后降低趋势，煤层附近电阻率相对较高。横向上视电阻率等值线基本呈层状变化、曲线相对较平稳，幅值约50Ω·m左右；结合地质及等值线的变化特征，分析剖面段3-2煤层未采动，为正常煤层段。

图3 L0线综合解释剖面示意图

图4为L1线综合解释剖面图，该测线位于工作面切眼附近（图1）。由L1线视电阻率等值线断面图（图4）可以看出，视电阻率数值随深度增加呈先升高后降低趋势，煤层附近电阻率相对较高。在剖面100～134点，视电阻率等值线基本呈层状变化、曲线相对较平稳，幅值约50Ω·m左右；在剖面136～164点，视电阻率等值线呈明显的低阻扭曲状，幅值约30Ω·m左右。结合地质及等值线的变化特征，分析该采空区边界位于高阻向低阻密集变化带的中点位置，暨135点附近，135～164点为3-2煤层采空异常段，且分析其存在一定量的积水。

图4 L1线综合解释剖面示意图

图5为L2综合解释剖面图，该测线位于工作面中部（图1）。由L2线视电阻率等值线断面图（图5）可以看出，视电阻率在纵向和横向上的变化与L1线基本一致。正常煤层段暨100～134点，曲线变化平稳，数值在50Ω·m左右；煤层采空异常段暨136～164点，视电阻率等值线亦呈明显的低阻扭曲状，幅值约42Ω·m左右。结合地质及等值线的变化特征，分析该采空区边界位于135点附近，135～164点为3-2煤层采空异常段，该区段积水相对较少。

图5 L2线综合解释剖面示意图

为了更直观的显示煤层附近的电性变化特征，并进一步对采空范围进行分析，笔者选取断面图上3-2煤底板等高线上、下各10m深范围内的电阻率值取平均，绘制了视电阻率等值线平面图（图6）。可以看出，在测区西部及南部，电阻率等值线变化平缓，数值变化相对较小。而在测区的中北部及东北部，视电阻率数值明显低于煤层正常区域约6Ω·m，且视电阻率低值区域分布比较规律，宽度约250m、长度约650m的矩形区域，符合煤层规模化采空的电性特征。综合分析认为该低阻异常区域为煤层采空区。同时该矩形区的西南部（切眼附近）和东北边界处，视电阻率等值线较其他地段呈明显的低阻圈闭特征，分析认为该地段为采空积水异常区。

为了验证此次的勘探成果，笔者将矿方在施工后提供的采掘资料及解释成果进行了比对，此次解释的采空区边界与实际采掘资料基本一致。同时在掘进和回采期间，切眼附近3-2煤顶板有淋水现象且持续时间较长，同时在东北部圈定区域，地表为沟谷地段，回采时亦有不同程度的淋水。说明解释的采空积水区与实际情况相吻合。

5.结论

通过瞬变电磁对浅部煤层规模化采空区进行探查，分析解释了采空区和采空积水区的位置和范围，与矿井实际情况基本一致，说明瞬变电磁是探查煤层规模化采空区的一种有效手段。为瞬变电磁探查浅部煤层采空区提供了有益的借鉴。