神府矿区采空区精细化综合勘探技术研究

刘立仁，徐 慧，吕明杰，李 杰，陈 凯，牟 义

(1.国家能源集团国神三道沟煤矿，陕西 榆林 719407；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

神府矿区早期的矿井主要采用资源回收率低、安全可靠性差的“房柱式”或“巷柱式”的炮采采煤方法，技术装备水平低、生产工艺落后，普遍存在以掘代采、采掘不分、管理水平低、矿井生产能力小的问题[1]。近年来随着长壁综合机械化开采大力开展，大多数单独保留矿井要实现壁式开采[2]。随着资源整合和技改工作的推进，原采空区所诱发的塌陷、矿震、有毒有害气体涌出、水害、火灾等问题成为困扰神府矿区的安全、可持续发展的重要问题[3]。为预防和控制神府矿区整合后开采过程中井田内原小煤窑采空区引发的灾害，需要对原小煤窑房柱式采空区开展精细化综合勘查工作，查明采空区分布范围及富水情况，为采空区治理提供科学依据。本次以神府矿区亿源煤矿作为精细化综合勘查的研究区为例，通过收集、整理与调查资料、野外现场踏勘、瞬变电磁法探测、钻探验证与测井等手段，以期精细化查明亿源煤矿采空区及富水情况，并为神府矿区类似矿井的采空区勘查工作提供借鉴。

1 研究区概况

侏罗系中统延安组(J2y)是亿源井田的含煤地层，主要可采煤层为2-2、3-1两个煤层。2-2煤层位于延安组第四段的顶部，该煤层在亿源井田的北部和南部的沟里小面积火烧，西部大面积剥蚀，剩余可采区现分布于井田的东南部，煤层埋藏深度0～98.65 m，煤厚0.40～2.25 m，平均1.30 m；3-1煤层赋存于延安组第三段的顶部，该煤层在亿源井田的西北部边界有小面积遭剥蚀，且原来小煤矿区域大部分被采空，剩余可采区现分布于井田的中南部，煤层埋藏深度0～124.91 m，煤厚1.43～2.32 m，平均1.85 m。本次通过测井、测井电性特征分析、瞬变电磁法、钻探等综合勘查手段对井田及部分周边区域的3-1煤层采空区分布范围及状况进行勘查，充分掌握采空区、地表建筑的分布情况，为综合治理方案编制提供基础资料。本次亿源煤矿瞬变电磁法勘探范围分为物探A区域和物探B区域，面积合计1.8347 km2，其中A区面积为1.0314 km2，B区面积为0.8033 km2。

为了探查矿井的地层、煤层、顶底板岩性并对物探结果进行验证，在物探区域布置了7个钻孔，其中1个地质勘查钻孔(测井钻孔)：FGX-YY-01，进尺136 m；6个物探验证孔：FGX-YY-02、FGX-YY-03、FGX-YY-04、FGX-YY-05、FGX-YY-06、FGX-YY-07，总进尺786.46 m。

2 地球物理测井及电性特征分析

测井钻孔为亿源煤矿FGX-YY-01号地质勘查孔，测井主要目的是验证地层结构及查明地层物性特征，为采空区治理设计提供地质依据。

2.1 测井方法与施工布置

本次针对FGX-YY-01号地质勘查孔进行了地球物理测井，完成常规测井45.70 m，测斜点4个，目标煤层3-1煤层。根据勘查区地层物性特征、《煤炭地球物理测井规范》及勘探设计的要求，本次选用的参数方法有：三侧向电阻率LL3(Ωm)、自然伽玛GR(pA/kg)、短源距伽玛伽玛GGS(CPS)、长源距伽玛伽玛GGL(CPS)、井径CAL(mm)、自然电位SP(mV)以及井斜DAAD(°′)等[4-6]。

2.2 测井成果分析

根据本次测井解译资料及钻探勘查成果，FGX-YY-01号地质勘查孔部分测井曲线如图2所示。根据本次测井成果，本区煤岩层物性稳定，煤层具有高电阻率、低密度、低伽玛，与围岩物性差异明显，各地质时代的地层均有其物性特征和组合规律，曲线形态明显。正常情况下泥岩和砂质泥岩电阻率最低，砂岩的电阻率随着粒径尺寸的增大而增大，煤的电阻率最高；煤的密度显著低于周围围岩，砂岩泥岩的密度较为接近；自然伽马方面煤层最低，砂岩随着粒径尺寸的增大而减小，泥岩最高[7，8]。

图2 测井成果(部分测井曲线)Fig.2 Logging results(partial logging curves)

2.3 地层电性特征分析

由于沉积环境的关系，煤系地层一般具有层状分布的特点，其电性分布具有特定规律。在同一岩层内，电性分布相对均一(横向均一性)；不同岩层组合，其垂向电性分布和变化是有序的且与岩性组合顺序相对应(垂向有序性)[9，10]。根据勘查区的测井曲线，从上至下依次表现为：

1)第四系地层电阻率一般在60～100 Ω·m，新近系地层电阻率一般在50 Ω·m左右，整体呈低～中阻反映。

2)侏罗系中统一般为安定组、直罗组和延安组，由于地形地质条件限制，上部安定或直罗组局部地区会有剥蚀现象，下部主要含煤地层延安组相对完整，且为本次物探勘查的目标地层。安定组主要成分以泥岩、砂质泥岩为主，与粉砂岩及细砂岩互层，主要呈低阻反映；直罗组成分多以泥岩、砂质泥岩为主，与长石石英砂岩，细中粒砂岩与粉砂岩互层，下部为灰白色中～粗粒长石砂岩，夹灰绿色砂质泥岩，底部局部有砂砾岩，为主要的含水层段，主要呈低阻反映；延安组主要成分为中细粒长石砂岩、钙质砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩等，一般含多层煤层，其中煤层属导电性较差的高阻层(最高大于1000 Ω·m)，而局部砂泥岩又为相对低阻层，结合该地区大量的钻孔测井资料总结，侏罗系中统延安组下部在宏观上为相对中高阻反映，而上部则表现为相对低阻。

3)侏罗系下统富县组岩性多以泥岩为主，夹含砾中粒、粗粒砂岩及薄层粉砂岩，其下部的三叠系多为较厚的层状细中粒长石石英砂岩，含大量绿泥石，局部含石英砾、灰绿色泥质包体及黄铁矿结核等，与上部侏罗系含煤地层相比，其电性呈低阻反映。

综上所述，当地层沉积层序稳定，不含局部地质构造、采空区、含/积/富水区时，地层由浅至深的电性呈稳定的“低阻—高阻—低阻”趋势特征；相反，当地层中存在这些特殊地质体和含水区时，地层电性将会发生明显的变化，如煤层被采空后由于采空区和“两带”发育了大量的空洞和裂隙，电阻率与正常岩层会有明显差异。当煤层中存在采空区且基本不含水时，采空区的电阻率通常会高于正常煤层；若煤层存在采空区且采空区充水时，采空区电阻率通常会低于正常煤层。这种地层和局部地质体间明显的电性差异，为以导电性差异为应用前提的电法勘探提供了良好的地球物理基础。

3 地面瞬变电磁勘查

3.1 现场布置

根据地质资料和此次物探工作的任务及技术要求，测线的布设原则是尽量使部分剖面经过已知采空区，同时尽可能避开电磁类干扰源，以便于资料处理和解释时进行异常的识别和提取[11]。物探区域测线点距20 m，线距40 m(即网度20 m×40 m)。亿源煤矿A区共布设瞬变电磁测线38条，生产物理点1467个，检测点84个，测线总长28620 m；B区完成瞬变电磁测线19条，生产物理点1264个，检测点79个，测线总长24940 m。物探现场布置如图3所示。

图3 瞬变电磁法及钻探布置Fig.3 Transient electromagnetic method and drilling layout

3.2 试验技术研究

勘探区试验点位于钻孔HK204附近，此处主要测试该区瞬变电磁法勘探工作的最佳参数，并结合钻孔测井电阻率曲线进行电性层位的标定。

3.2.1 参数试验内容

1)发射频率。为保证有效观测目的层并满足探测深度要求，在发射线框280 m×280 m、电流8 A，进行了25、6.25 Hz两组发射频率的对比试验[12]。从图4(a)中可看出25 Hz发射频率下观测二次场起始时间少于0.01 ms，二次场衰减时间约为10 ms；6.25 Hz发射频率下观测二次场起始时间不少于0.04 ms，二次场衰减时间约为40 ms，25 Hz发射频率观测二次场时间窗口比6.25 Hz发射频率要靠前不少，观测曲线均较为平滑。由图4(b)可以看出，25 Hz发射频率下反演深度约为20～180 m，6.25 Hz发射频率下反演深度约为40～260 m。本次目标煤层3-1煤埋藏深度0～124.91 m，反演最大深度都可达到最大探测深度要求，但6.25 Hz发射频率反演最小深度40 m，存在较大的浅部勘探盲区，而25 Hz发射频率反演最小深度为20 m，浅部探测盲区较小，可以更好地满足最小勘探深度的要求。因此，25 Hz时浅层分辨率高，分层能力更精细，本次勘探发射频率拟定为25 Hz。

图4 不同发射频率二次场曲线Fig.4 Quadratic field curves with different emission frequencies

2)发射线框。根据该区域目的层埋深，在发射频率6.25 Hz、电流8 A时，进行了不同发射线框的试验(240 m×240 m、280 m×280 m、320 m×320 m)[13]。三种发射线框的感应电压衰减如图5所示，在10 ms范围之内240 m×240 m、280 m×280 m及320 m×320 m感应电压衰减曲线依次越来越慢，而一般感应电压衰减越快，反演的不同层位视电阻率值差别越大，岩层不同层位识别能力越强，因此，240 m×240 m探测效果最好，280 m×280 m效果次之，320 m×320 m效果最差。但本次240 m×240 m发射线框的衰减曲线不圆滑，尾支较为凌乱，受随机干扰影响，出现跳点，不能有效的压制干扰，因此，考虑TEM的分辨效果、抗干扰能力，只有280 m×280 m的发射线框能够满足勘探区探测分辨效果要求。

图5 不同发射线框二次场强衰减曲线Fig.5 Secondary field attenuation curves of different emission wireframes

3)发射电流。在发射线框280 m×280 m，发射频率6.25 Hz时，进行了发射电流分别为5、6、7、8、9 A的对比试验[14]。一般来说，电流越大抗干扰能力越强，探测深度越大捕捉深部信息越多。不同发射电流的二次场曲线如图6所示，从图6(a)中可以看出5、6、7 A的电压衰减曲线尾支不再圆滑衰减，出现了起伏跳跃，不能有效压制干扰，在图6(b)中也没有呈现出稳定明显的“低阻—高阻—低阻”电性特征，但是8、9 A的电压衰减曲线整体较为圆滑，视电阻率曲线也呈现稳定明显的“低阻—高阻—低阻”电性特征。因此，针对本区地质任务，兼顾抗干扰能力与电性分辨信息，不小于8 A时衰减曲线平滑，电性分层特征明显，结合仪器承载能力考虑，最终确定选用8 A。

图6 不同发射电流的二次场曲线Fig.6 Secondary field curves of different emission currents

3.2.2 试验结论

经过对试验数据的处理、分析，并与地质资料的对比，使用地面瞬变电磁法在府谷县大昌汗镇探查小煤矿采空区，是合理有效的方法选择，可取得好的探测效果；施工参数选择采用280 m×280 m矩形发射线框、发射频率25 Hz、增益22～25之间、发射电流8 A、积分时间：15 s的参数组合，采集的试验数据信噪比高，曲线连续性好，探测深度足够，对已知采空区反映明显，满足地质任务要求。

3.3 资料分析与成果解译

3.3.1 单支衰减曲线解释

单个测点的解释主要依据各测点单支衰减曲线，通过两种及多种不同地层情况下测点之间衰减曲线的衰减速度，从而定性分析地下地质体引起的异常[15，16]。B区5200线1900号点和1960号点衰减曲线对比如图7所示。一般感应电压整体衰减相对较慢的曲线，其反演视电阻率曲线所对应目标层位视电阻率值更低，图7中1900号测点衰减明显慢于1960号测点，前者曲线为相对低阻异常反映，后者曲线为正常地层反映，即1900号点附近为采空区。

图7 不同测点衰减曲线Fig.7 Attenuation curves at different measuring points

3.3.2 剖面解释

整条测线的解释主要依据归一化二次电位部分测道剖面图和视电阻率断面图[17，18]。以A区5200线为例，首先根据矿方提供的资料，确定测线3-1煤层埋深90 m左右，倾角近似水平，根据煤层的埋深情况分析其深度附近的电性反映。对应5200线的视电阻率如图8所示，测线反映整体地层在纵向上呈均匀变化，上部呈相对高阻，中部呈相对低阻，下部呈相对高阻，成层性好，实际地层煤层相对下伏地层呈相对高阻，两者吻合良好。在5320—5720号点洋红色圈定异常区域视电阻率等值线下凹且视电阻率值在横向上变化较大，结合地面调查及采掘资料，推测为3-1煤层采空区反映。

图8 典型剖面视电阻率断面Fig.8 Typical cross-section with apparent resistivity

3.3.3 物探成果

异常区的解释主要依据已知资料和瞬变电磁反映综合考虑分析解释。根据瞬变电磁方法的特点，结合已知资料，解释异常区的范围和分布形态。解释过程中了解分析测区内地下煤层的开采条件，主要包括开采方法、现有已知井下开采开拓布局、采空区及异常区积水情况等[19]。根据掌握的地质、开采条件分析探测成果剖面的电阻率分布特征和地震同相轴特征，以此得到正确的地质解释[20]。

经过本次瞬变电磁综合勘探处理及综合对比分析，基本查明了勘探区内3-1煤采空区分布范围。经资料分析解释，从瞬变电磁资料上看：物探区域内3-1煤层大面积采空，煤层赋存完整地段零星分布，A区综合解释异常区(推断采空区)4处，编号A1—A4，面积约0.582 km2；B区综合解释异常区(推断采空区)7处，编号B1—B7，面积约0.403 km2。由此推断3-1煤层房柱式采空区总面积0.985 km2，瞬变电磁法探测成果如图9所示。

图9 瞬变电磁法探测成果Fig.9 Detection results of transient electromagnetic method

4 钻探勘查

为查明工作区地层结构、采空区埋深、煤层厚度及顶底板岩性，建立矿井钻孔柱状图以及验证物探结果，为物探解释的修正和采空区治理设计提供地质依据，进行了钻探勘查工作。

4.1 钻探施工布置

亿源煤矿共布设7个钻孔，其中地质勘查钻孔1个，物探验证钻孔6个，钻探进尺累计922.46 m，测井132.90 m。地质勘查钻孔编号为FGX-YY-01号钻孔，物探验证钻孔分别是FGX-YY-02号钻孔、FGX-YY-03号钻孔、FGX-YY-04号钻孔、FGX-YY-05号钻孔、FGX-YY-06号钻孔、FGX-YY-07号钻孔[21，22]。钻孔信息见表1，钻孔位置如图3所示。

表1 钻孔信息Table 1 Drilling information

4.2 钻探成果分析

钻探探测采空区钻孔有2个，分别是FGX-YY-03号钻孔和FGX-YY-07号钻孔，揭露采空区相关详细信息。根据FGX-YY-03号钻孔资料，该孔揭露2-2煤层采空区、3-1煤层，114.00～115.30 m为2-2煤层采空区，厚1.30 m，该采空区顶板为砂质泥岩，岩芯完整度一般，且在钻探过程中钻至该层位顶板见漏水迹象，为一般稳定顶板；130.00～131.50 m为3-1煤层，厚1.50 m，3-1煤层顶板岩性为砂质泥岩，岩芯完整度一般，且在钻探过程中钻至3-1煤层顶板见漏水迹象，为一般稳定顶板。根据FGX-YY-07号钻孔资料，该孔揭露3-1煤层采空区，129.30～131.10 m为3-1煤层，厚1.80 m，3-1煤层顶板岩性为细粒砂岩，岩芯较破碎，具斜层理，且在钻探过程中钻至3-1煤层顶板见漏水迹象，更说明煤层采空，导致顶板裂隙发育。

钻孔探测实体煤钻孔5个，均揭露煤层相关详细信息。根据FGX-YY-01号钻孔资料，该孔揭露3-1煤层，95.80～97.20 m为3-1煤层，厚1.40 m。3-1煤层顶板岩性为砂质泥岩，岩芯较完整，且在钻探过程中钻至3-1煤层顶板未见漏水迹象，更说明煤层顶板的完整，为中等稳定顶板。根据钻孔FGX-YY-02号资料，该孔揭露2-2煤、3-1煤层，146.15～147.15 m为2-2煤层，厚0.70 m，2-2煤层顶板岩性为砂质泥岩，且在钻探过程中钻至2-2煤层顶板未见漏水迹象，更说明煤层顶板的完整，为中等稳定顶板；167.84～168.84 m为3-1煤层，厚1.00 m，3-1煤层顶板岩性为砂质泥岩，岩芯较完整，且在钻探过程中钻至3-1煤层顶板未见漏水迹象，更说明煤层顶板的完整，为中等稳定顶板。根据FGX-YY-04号钻孔资料，该孔揭露3-1煤层，116.00～117.40 m为3-1煤层，厚1.40 m，3-1煤层顶板岩性为粉砂岩，岩芯完整度一般，且在钻探过程中钻至3-1煤层顶板见漏水迹象，为一般稳定顶板。根据FGX-YY-05号钻孔资料，该孔揭露3-1煤层，103.00～104.50 m为3-1煤层，厚1.50 m，3-1煤层顶板岩性为砂质泥岩，岩芯完整度一般，且在钻探过程中钻至3-1煤层顶板见漏水迹象，为一般稳定顶板。根据FGX-YY-06号钻孔资料，该孔揭露3-1煤层，105.70～107.80 m为3-1煤层，厚2.10 m，3-1煤层顶板岩性为粉砂岩，岩芯较完整，且在钻探过程中钻至3-1煤层顶板未见漏水迹象，更说明煤层顶板的完整，为中等稳定顶板。

5 结论与建议

1)通过测井工作，实施测井1次，测井长132.90 m。查明第四系地层电阻率值一般在60～100 Ω·m左右，新近系地层电阻率值一般在50 Ω·m左右，整体呈低～中阻反映，侏罗系安定组和直罗组主要呈低阻反映，侏罗系中统延安组下部在宏观上为相对中高阻反映，而上部则表现为相对低阻，其中煤层属导电性较差的高阻层(最高大于1000 Ω·m)，侏罗系下统富县组呈现相对煤层的低阻反映。

2)通过瞬变电磁法探测试验，选择采用280 m矩形发射线框、发射频率25 Hz、增益22～25之间、发射电流8 A、积分时间15 s的参数组合，满足地质研究要求。通过瞬变电磁法探测，完成面积1.8347 km2，测线57条，测线总长53560 m，总物理点2894个，最终查明3-1煤层房柱式采空区面积0.985 km2。

3)通过钻探，施工1个地质勘查孔及6个物探验证孔，钻探进尺累计922.46 m。FGX-YY-01号地质勘查钻孔揭露3-1煤层，95.80～97.20 m为3-1煤层，厚1.40 m。FGX-YY-03揭露了2-2煤层采空区，FGX-YY-07号钻孔揭露了3-1煤层采空区，根据钻孔揭露情况，3-1煤层底板标高+1185～+1215 m，厚1.40～2.10 m。

4)测区内的工矿企业和其他人文干扰源对电法数据质量有一定影响，导致圈定异常的可靠性和解释精度的降低。因此本次物探结果有待进一步验证，可能会需要根据实际采掘过程中揭露的情况进一步修正。由于原有房柱式采空区回采率较低，煤柱留设也不规范，钻探的物探验证孔很可能打到遗留煤柱上，如果打到煤柱上也不能确定附近煤层没有开采过，为了确保煤矿安全生产，建议采纳物探探测结果。