綜合電法勘探探測采空積水區的應用研究

武盼盼

（山西汾西正升煤業有限責任公司，山西 汾陽 032200）

2013年9月28日，正升煤礦東翼回風巷發生透水事故，造成重大財產損失和人員傷亡，礦井現處于被淹井停產狀態。近日正升煤礦準備恢復生產，首要任務是查明首采區采空區積水情況。

針對采空區及采空積水區的探測，國內外不少同行采用不同的技術手段進行了大量的工作和研究，取得了一定的效果。但由于采空區自身的特殊性和地球物理方法的局限性、多解性，目前對采空區及采空積水區的精確探測還存在一定差距。筆者認為在正升煤業91采區研究綜合電法勘探探測采空積水區的技術應用是很有必要的。

1 瞬變電磁法及激發極化法的工作原理

1.1 瞬變電磁法工作原理及優缺點

（1）瞬變電磁的工作原理

本次綜合電法勘探使用的瞬變電磁裝置是大定源內回線裝置，其工作原理是在地表鋪設不接地發射線框，然后輸入脈沖電流，當回線中電流突然斷開時，在下部空間就要激勵起感應渦流，以維持斷開電流前已存在的磁場，并且此渦流場隨時間以等效渦流環的形式向下傳播、向外擴展，利用地面中心接收探頭在發射線框中心三分之一處觀測此二次渦流磁場的變化情況，用以研究目標層的地電結構，本方法是在沒有一次場背景的情況下觀測純二次場異常變化，因而異常變化更直接，探測效果明顯。

（2）瞬變電磁法優缺點

瞬變電磁法具有以下優點:

① 適宜于各種地理環境下的野外工作；

② 工作效率高；

③ 施工成本相對較低；

④ 可采用不同的裝置與探測目標達到最佳耦合，取得異常響應強，可以相應地提高橫向、縱向分辨能力。

缺點：受高壓線、建筑物等人文干擾嚴重，存在低阻屏蔽、盲區和多解性。

1.2 激發極化法工作原理及優缺點

（1）激發極化工作原理

在向地下供入穩定電流時，測量電極間的電位差隨時間而變大并經過一段（一般約幾分鐘）時間后趨于某一飽和值（充電過程）；在斷開供電電流后，測量電極間的電位差在最初一瞬間很快下降而后隨時間相對緩慢地下降，并經過一段（一般約幾分鐘）時間后衰減接近于零（放電過程）。這種在充電和放電過程中產生隨時間緩慢變化的附加電場現象，稱為激電效應（激發極化效應）。

激發極化法是以地殼中不同巖、礦石的激電效應差異為物質基礎，通過觀測與研究人工建立的直流（時間域）激電場的分布規律進行找礦和解決地質問題的一組電法勘探分支方法。

（2）激發極化法優缺點

優點：

① 用長脈沖供電時間可獲得較小的激電異常，即使在極化效應較小情況下測量，也可能發現較小的地質異常目標；

② 在斷電后，觀測和研究激電二次場的變化，異常更加明顯；

③ 可以在較長的時間內觀測和研究激電異常場的變化，有可能在更廣闊的時間域內，揭示激電異常源的性質；

④ 分辨率高，縱向分層好，不僅可以提供電阻率參數，而且還可以提供極化率、半衰時等參數，可以通過不同極化率區分低阻巖體和采空區積水；

缺點：對接地條件要求較高，受地形影響較大，施工效率較低，成本較高。

2 應用實例

正升煤業有限公司井田位于晉中市新裂陷西部，呂梁山東麓的黃土丘陵地帶，為黃土高原地貌；井田內大部為黃土所覆蓋，溝谷內存在零星基巖出露。井田內地形復雜，溝壑縱橫；地勢總體為西高東低，最高點位于井田西部梁上，標高+1101m，最低點位于礦井東南部邊界處，標高+855m，最大相對高差246m左右。

本礦井2、3、4號煤層埋藏淺，小煤窯開采現象普遍。據2010年調查統計，礦井西部有40多處以往私開小窯。這些小窯在礦井西部2、3、4號煤層造成大面積的破壞區。經調查整個礦井內大小井筒共計51個，對礦井安全生產威脅很大。

為查明91采區采空區及采空積水區分布情況，應用瞬變電磁法和激發極化法進行了綜合電法勘探。技術思路為：利用施工效率高、成本較低的瞬變電磁法進行全區控制，針對瞬變電磁法探測成果，應用激發極化法進行補充勘探驗證，利用激發極化法的極化率判斷低阻異常區是否為采空區積水。兩種物探方法相互驗證綜合解釋可提高勘探的精度。

2.1 瞬變電磁勘探資料解釋

（1）瞬變電磁測線解釋

瞬變電磁采用了大定源內回線裝置，圖1為S27線9號點～S83.5線9號點瞬變電磁法視電阻率斷面圖，從圖中可以看出淺部高阻區域為第四系底部砂礫石的電性反應，中上部電阻率值相對較低，視電阻率等值線呈封閉半封閉狀，為煤系地層泥巖、砂質泥巖、砂巖及煤層的電性反應，下部高阻區域為奧陶系灰巖的電性反應，與實際地層的電性反應基本一致。

根據已掌握資料，2、3、4號煤層基本全部采空，S27線9號點～S37線9號點和S64線9號點～S69線9號點為2、3、4號煤層采空積水區。9+10+11號煤層S62線9號點～S71線9號點為已知采空區，且采空區內存在大量積水。

圖1中2、3、4號煤層S30.5線～S36線和S65線～S71.5線視電阻率等值線下凹呈明顯低阻反應，且與已知積水區域基本一致，因此分析S30.5線～S36線和S65線～S71.5線為2+3+4號煤層積水異常區（見圖中網格填充區域），據此分析S61線～S83線也為2+3+4號煤層積水異常區（見圖中網格填充區域）。圖1中9+10+11號煤層S65.5線～S71.5線視電阻率等值線下凹呈明顯低阻反應，且與已知積水區域基本一致，因此分析S65.5線～S71.5線為9+10+11號煤層積水異常區（見圖中點狀填充區域），據此分析S61線～S83線也為9+10+11號煤層積水異常區（見圖中點狀填充區域）。綜上所述，瞬變電磁法對地層和采空區及采空區積水反應明顯。

圖1 S27線9號點～S83.5線9號點瞬變電磁法視電阻率斷面圖

（2）瞬變電磁平面圖解釋

從圖2中可以看出，全區瞬變電磁資料處理解釋結果表明，低阻區主要分布在測區的東部和東南部，成面積分布，另外還有零星分布的低阻異常區。根據已知資料本區積水主要分布在測區的東南部，與瞬變電磁探測的結果基本一致。

圖2 瞬變電磁解釋視電阻率斷面圖

圖3 激發極化法視電阻率和極化率斷面圖

2.2 激發極化法勘探資料解釋

為驗證瞬變電磁的解釋成果，我們在測區東南部進行了激發極化法補充探測，以進一步驗證采空區積水的可靠性。

（1）激發極化法測線解釋

圖3為激發極化法視電阻率和極化率斷面圖，從激發極化法視電阻率斷面圖中可以看出上部淺灰色區域電阻率值相對較低，視電阻率等值線呈封閉半封閉狀，為煤系地層泥巖、砂質泥巖、砂巖及煤層的電性反應，下部深灰色高阻區域為奧陶系灰巖的電性反應，與瞬變電磁、實際地層的電性反應基本一致。

視電阻率在2、3、4和9+10+11號煤層，從840號點以后明顯變小，而極化率明顯升高。電阻率較小、極化率相對較高，正是采空區積水的電性反應，并與瞬變電磁解釋的積水異常區及實際掌握的資料基本吻合。

圖4 激發極化法視電阻率平面圖

（2）激發極化法平面解釋

為了更準確解釋采空區積水的范圍，利用激發極化法抽取了平面圖，圖4為激發極化法視電阻率平面圖，從圖中可以看出視電阻率整體呈低阻反應，只有J30延長線小號點為高阻反應，與瞬變電磁解釋的低阻區域基本重合，且與已知的資料也是基本一致。

3 結論

在綜合電法解釋積水區內布置了三個鉆孔，對綜合電法勘探解釋成果進行了驗證，并測量了主立井、副立井和風井的水位。經實測本區的積水標高為790m，結合煤層底板等高線分析，煤層低于790m區域主要分布在測區的東南部；主井、副井和風井實際積水情況證明采空區積水區主要分布在測區的東南部，與綜合電法勘探的成果基本一致。綜上所述，應用瞬變電磁法和激發極化法綜合電法勘探探測正升煤礦91采區采空區及積水區效果明顯，可以在井田其他采區推廣應用。