综合物探方法在煤矿采空区积水勘探中的应用

尹武平

（山西保利合盛煤业有限公司，山西 晋中 031300）

0 引 言

在一体化矿山生产过程中，地质资料的缺失会给生产安全带来很大的隐患，同时，当矿山是一些小煤矿合并重组形成的，由于这些小煤矿的开采技术大多比较落后，保存的地质资料参考价值较低，因此，煤矿生产建设的当务之急是解决煤矿采空区积水的问题[1]。2022 年11 月29 日，中国山西省屯兰煤矿陡斜煤层超深跨界开采时，煤层在上部采空区岩压和水压的共同作用下发生突水事故。类似事件表明，在水文地质条件掌握不准确的情况下，煤矿盲目开采存在着很大安全隐患[2]。山西煤炭进出口集团左云草垛沟煤炭工业有限公司是历史地质资料较少的综合性矿山，因此矿井的首要任务是水文地质调查。目前，针对矿井水害的具体问题，有很多防治方法可供选择。不同的专家学者从不同的勘探技术和防治方法的角度进行了深入研究，如通过地球物理勘探方法探测到可疑和重点区域，更准确地获取采空区的水文地质条件；采用高密度电阻率和瞬变电磁法等地球物理方法，对采空区水害问题进行理论研究和工程实践，形成勘探浅层水文地质条件的有效手段；对浅埋深采空区进行瞬变电磁干扰试验、优化试验和电响应特性分析，能够提高浅层水文地质瞬变电磁法勘探的精度。从上述研究成果来看，很多专家学者围绕地球物理勘探进行了大量的研究，因此，拟采用瞬变电磁法和高密度电阻率法两种方法，对采空区积水情况进行摸底，为采煤规划和安全生产提供参考。

1 综合物探法简介

1.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法原理如下：向一个可以产生脉冲磁场的发射线圈供电，介质被激发后可以在检测方向产生涡流，当脉冲间隔时，涡流不会立即消失，并且由于涡流的存在，介质中会产生新的磁场，新磁场的信号可以被另一个接收线圈或接地电极接收。由于地下介质的结构、含水率、矿化度、电阻率等因素不同，介质产生的二次感应电磁场的衰减特性也不同，因此，可判断地下介质的性质和空间分布规律[3]。

瞬变电磁法是在高电阻地区提高探测深度和寻找低电阻地质体最灵敏的方法，其具有自动消除主噪声源、不受地形影响、同点联合观测、与探测目标耦合最优、异常响应强、形状简单、分辨率强等优点，常用于岩溶洞槽、煤矿采空区和深部不规则含水构造等地质单元水文地质调查。

1.2 高密度电阻率法

电法勘探的工作原理是各地层电阻率由于岩性不同而不同，当发射电流传输到地下时，通过观察测量电极接收到的电阻率的变化来确定地下地质条件的变化。电学测量曲线所反映的特性，可以分析出地质单元的构造状态、电学性质和规模[4]。高密度电阻率法是电剖面法和电测探法的结合，对相应程序得到的各种参数进行处理和自动反演成像，可以快速准确地给出被测地质单元电断面的地质解释图[5]。其常用于许多工程勘探领域，如主要场地的工程地质调查，大坝基础和桥墩的选址，采空区和地裂缝检测等。高密度电阻率法的优点是，设置一组可以被仪器控制改变位置的测量点，通过增加在同一测量点上的电源电极和测量电极的距离，可以加深探测距离，由此可以掌握同一测量点探测方向上视电阻率由近到远的变化规律。

2 水文地质与地球物理特征

2.1 水文地质特征

塔山煤矿主要由8 个小矿组成，其中2 个为已关闭的煤矿，位于中国大同市以西34 km 处，面积10.102 8 km2。地层平均厚度131.45 m，煤层总厚度11.60 m，含煤系数8.82%。矿区从上到下依次为5、8、8-1、8-2、11、14 号煤层，侏罗系大同组5、8-1、8-2、11、14 号煤层均可采，其中8 号煤层平均埋深93.34 m。目前，5、8、11、14 号煤层基本开采完毕，采空区低洼地区存在大量积水，煤矿下一步计划开采8-1 号和8-2 号煤层。勘探区为380 m×1 040 m 的长带形区域，面积0.395 2 km2。该地区地势西高东低，属于黄土高原平丘陵地带。

2.2 地球物理特征

勘探区地面条件复杂，虽然相对高差只有68.2 m，但在测量线周围不均匀分布着一个黄土沟壑和6根高压线，导致浅层地表的地球物理条件很复杂。

各煤层和围岩的电气参数见表1，可以看出相同岩性岩层的视电阻率与岩石粒度呈正相关，不同岩性岩层的视电阻率与其密度呈正相关，煤层和岩层的电性差异显著，视电阻率差高达2～3 倍，其中煤层视电阻率最高。

表1 煤和岩层的电参数

3 现场测试与工程应用

检测仪器有IGGETEM-30B 瞬态电磁仪和WDJD-2 高密度电阻率测量系统。

3.1 现场测试调试

根据勘探区地表地质条件，选取勘探区三线第40 个测量点（位于煤矿8113 工作面已知采空区上方）进行单点试验，采用控制变量法比较不同参数下的衰减曲线，从而确定合适的仪器参数[6]。

1）时窗范围测试。固定发射线框范围为15 m×30 m，将关断时间、发射电流和叠加次数分别设置为75 us、7.5 A 和512 次，在采样延时为250 us 和Log14 的前提下，分别进行20 ms 和40 ms 的时窗范围测试，结果如图1 所示。可以看出，20 ms 和40 ms的V（t）/I 衰减曲线基本相同，但由于勘探区存在一些干扰，且煤层探测较深，故时窗范围选择为40 ms。

图1 时窗范围分别为20、40 ms 的V（t）/I 衰减曲线

2）关断时间测试。固定发射线框范围为15 m×30 m，将时窗范围、发射电流和叠加次数分别设置为40 ms、7.5 A 和512 次、在采样延时为250 us 和Log14 的前提下，分别进行关断时间为50 、75、90 us的3 次测试，结果如图2 所示。根据图2(b)分析，后期75、90 us V（t）/I 衰减曲线响应较好，而前期50 us V（t）/I 衰减曲线明显较高，75、90 us 的V（t）/I 衰减曲线基本相同，因此，关断时间确定为75 us。

图2 关断时间为50、75、90 us V（t）/I 衰减曲线

3）采样延时测试。固定发射线框范围为15 m×30 m，时窗范围为40 ms，将关断时间、发射电流和叠加次数分别设置为75 us、7.5 A 和512 次、在Log14的前提下，设置采样延时时间为200 us、250 us 和300 us 的3 次试验，结果如图3 所示。可以看出，后期3 组V（t）/I 衰减曲线整体响应较好，前期200us的V（t）/I 衰减曲线由于原生场的组成，表现为直线断面。250 us 和300 us 的V（t）/I 衰减曲线基本相同，250 us 的V（t）/I 衰减曲线更好。

图3 采样延时为200、250、300 us V（t）/I 衰减曲线

4）发射电流测试。固定发射线框范围为15 m×30 m，将关断时间、时窗范围和采样延时设置为75us、40 ms 和250 us、叠加次数为512 次和Log14前提下，进行了发射电流3.7 A 和7.5 A 的2 次测试，结果如图4 所示。可以看出，由于干扰的存在，3.7 A 发射电流衰减曲线具有明显的拐点，7.5 A 的V（t）/I 衰减曲线优于3.7 A。

图4 3.7 A 和7.5 A 电源发射电流的V（t）/I 衰减曲线

5）叠加次数测试。固定发射线框范围为15 m×30 m，将关断时间、时窗范围和采样延时设置为75 us、40 ms 和250 us、在发射电流为7.5A 和Log14 的前提下，进行了叠加次数分别为256、512、1024 次的3 次试验。测试结果如图5 所示。一般来说，如果衰减曲线要更平滑，则需要足够高的叠加数。考虑到工作时间，叠加时间确定为512 次。

图5 叠加次数为256、512、1024 次的V（t）/I 衰减曲线

可以发现，采集电压值与关断时间和延迟时间密切相关，但与电源发射电流关系不大。最后，仪器参数线圈采用15 m×30 m“∞”形环路，发射电流为7.6 A，时窗范围为40 ms，叠加数为512 次，关断时间为75 us，采样延时时间为250 us。

3.2 工程应用设计

勘探区设计20 条测量线，每条测线长1 040 m，间隔20 m。每条测线上设计53 个测点，测点间距为20 m。将1 号线布置在勘探区南侧，其余测线依次向北布置。每条测线的西侧是1 号测量点，其余测点依次向东排列。

首先，利用瞬变电磁法进行全覆盖勘探，确定疑似积水区，然后在疑似积水区采用高密度电阻率法进行勘测。高密度电阻率法采用图9 所示排列方式，相邻观测点之间的距离为10 m，设置60 条测量线路，每2 个测量线路之间相距为10 m。时间参数选择：供电时间为2 000 ms，电流延迟为200 ms，电源电压约为500 V，电源发射电流约为400 mA。该方法得到的检测结果的横截面为扁平“U”型。

4 工程应用结果分析

4.1 典型测量线分析

选取5、6、9、13 和20 等具有明显电性变化的测量线，分析其多道电压曲线和视电阻率曲线（图6）。可以看出，在1 号测线的1～5 点，6 号测线的28～31 点，9 号测线的23～30 点，13 号测线的25～28点以及20 号测量线的19 点和47 点处均存在异常高电压和低电阻（红色椭圆）。异常低阻区基本在1 170～1 180 m 左右，推测此异常为8 号煤层老采空区积水反射。其中，13 号测线（蓝框）的15～25 点为采坑工业现场，有数据丢失，因此，不再分析异常高压和低电阻区域。

图6 每条测线的多道电压曲线

4.2 典型平面图分析

根据勘探区煤层的标高和厚度，选择24 号和28 号测量线路的等电压值平面图分析电压变化。勘探区主要存在2 个异常高压（40V 以上）区域，分别是4～17 号测量线的22μ32 测量点和2～6 号测量线的1～5 个测量点。由于地面上无干扰，因此可以推断此区为采空区积水区。同时，在等电压值的平面图上，28 号测量线路的电性能与24 号测量线路相似，异常高压值较小，但仍超过20 μV，这表明结果是准确的。

通过绘制8 号煤层的视电阻率图（图7），可以得出，低阻区基本上对应于24 号和28 号测量线路等电压值平面图的高压区域。区别在于西北角勘探区由于地形增加导致低阻区增加。

图7 8 号煤层视电阻率图

4.3 高密度电阻率法数据分析

根据疑似采空区积水区，在6 号测线的16～45点和25～5 号测线的25 点处布置高密度电阻率法，并绘制各测量线的反演模拟视电阻率地形剖面（见图8）。可以看出，在1 170～1 180 m 的等高线处存在较大的异常低电阻率，对应28～31 测点和4～14号测量线，与瞬变电磁法反应的异常基本相同。

图8 视电阻率剖面（a）6 号（b）25～5 测线25 点

4.4 综合对比分析

在24 条测量线路的等电压值平面图上，22～32号测线的4～17 点和1～5 号测线的2～6 点出现异常高值，且异常幅值大。在8 号煤层视电阻率平面图上，低电阻率异常发生在22～28 号测线的8～17 点和1～5 号测线的3～6 点。同时，在具有高密度电阻率地形的视电阻率剖面上，反映的异常低电阻率区域与瞬变电磁法的测量结果基本一致。结合地质资料和地表条件，综合推断这两个区域为8 号煤层采空区，积水区域位置如图9 所示。同时，勘探区内有无法测量的采坑工业场地，其周围存在铁磁材料和高压线等许多干扰因素，可能会给数据处理带来多种困难，并对结果的准确性产生很大影响[7]。

图9 地球物理勘探结果

5 结 论

1) 采用瞬态电磁法在勘探区进行全覆盖勘探，然后对采空区疑似积水区进行高密度电阻率法，可以保证物探结果的可靠性。

2) 采用综合物探法，在多层采空区矿山测得8个大范围的采空区积水区。根据其位置和标高推断，其中2 个采空区积水区位于8 号煤层，其他积水区位于开采煤层上部，为煤矿安全生产和建设提供了可靠参考。

3)当勘探区内有采坑工业场地或高压线路等建筑物时，周围有一定范围的电磁场，对上述2 种物探方法影响较大，可与地震勘探等其他物探方法相结合，使勘探结果更加准确。