綜合物探方法在煤礦采空區積水勘探中的應用

尹武平

（山西保利合盛煤業有限公司，山西 晉中 031300）

0 引 言

在一體化礦山生產過程中，地質資料的缺失會給生產安全帶來很大的隱患，同時，當礦山是一些小煤礦合并重組形成的，由于這些小煤礦的開采技術大多比較落后，保存的地質資料參考價值較低，因此，煤礦生產建設的當務之急是解決煤礦采空區積水的問題[1]。2022 年11 月29 日，中國山西省屯蘭煤礦陡斜煤層超深跨界開采時，煤層在上部采空區巖壓和水壓的共同作用下發生突水事故。類似事件表明，在水文地質條件掌握不準確的情況下，煤礦盲目開采存在著很大安全隱患[2]。山西煤炭進出口集團左云草垛溝煤炭工業有限公司是歷史地質資料較少的綜合性礦山，因此礦井的首要任務是水文地質調查。目前，針對礦井水害的具體問題，有很多防治方法可供選擇。不同的專家學者從不同的勘探技術和防治方法的角度進行了深入研究，如通過地球物理勘探方法探測到可疑和重點區域，更準確地獲取采空區的水文地質條件；采用高密度電阻率和瞬變電磁法等地球物理方法，對采空區水害問題進行理論研究和工程實踐，形成勘探淺層水文地質條件的有效手段；對淺埋深采空區進行瞬變電磁干擾試驗、優化試驗和電響應特性分析，能夠提高淺層水文地質瞬變電磁法勘探的精度。從上述研究成果來看，很多專家學者圍繞地球物理勘探進行了大量的研究，因此，擬采用瞬變電磁法和高密度電阻率法兩種方法，對采空區積水情況進行摸底，為采煤規劃和安全生產提供參考。

1 綜合物探法簡介

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法原理如下：向一個可以產生脈沖磁場的發射線圈供電，介質被激發后可以在檢測方向產生渦流，當脈沖間隔時，渦流不會立即消失，并且由于渦流的存在，介質中會產生新的磁場，新磁場的信號可以被另一個接收線圈或接地電極接收。由于地下介質的結構、含水率、礦化度、電阻率等因素不同，介質產生的二次感應電磁場的衰減特性也不同，因此，可判斷地下介質的性質和空間分布規律[3]。

瞬變電磁法是在高電阻地區提高探測深度和尋找低電阻地質體最靈敏的方法，其具有自動消除主噪聲源、不受地形影響、同點聯合觀測、與探測目標耦合最優、異常響應強、形狀簡單、分辨率強等優點，常用于巖溶洞槽、煤礦采空區和深部不規則含水構造等地質單元水文地質調查。

1.2 高密度電阻率法

電法勘探的工作原理是各地層電阻率由于巖性不同而不同，當發射電流傳輸到地下時，通過觀察測量電極接收到的電阻率的變化來確定地下地質條件的變化。電學測量曲線所反映的特性，可以分析出地質單元的構造狀態、電學性質和規模[4]。高密度電阻率法是電剖面法和電測探法的結合，對相應程序得到的各種參數進行處理和自動反演成像，可以快速準確地給出被測地質單元電斷面的地質解釋圖[5]。其常用于許多工程勘探領域，如主要場地的工程地質調查，大壩基礎和橋墩的選址，采空區和地裂縫檢測等。高密度電阻率法的優點是，設置一組可以被儀器控制改變位置的測量點，通過增加在同一測量點上的電源電極和測量電極的距離，可以加深探測距離，由此可以掌握同一測量點探測方向上視電阻率由近到遠的變化規律。

2 水文地質與地球物理特征

2.1 水文地質特征

塔山煤礦主要由8 個小礦組成，其中2 個為已關閉的煤礦，位于中國大同市以西34 km 處，面積10.102 8 km2。地層平均厚度131.45 m，煤層總厚度11.60 m，含煤系數8.82%。礦區從上到下依次為5、8、8-1、8-2、11、14 號煤層，侏羅系大同組5、8-1、8-2、11、14 號煤層均可采，其中8 號煤層平均埋深93.34 m。目前，5、8、11、14 號煤層基本開采完畢，采空區低洼地區存在大量積水，煤礦下一步計劃開采8-1 號和8-2 號煤層?？碧絽^為380 m×1 040 m 的長帶形區域，面積0.395 2 km2。該地區地勢西高東低，屬于黃土高原平丘陵地帶。

2.2 地球物理特征

勘探區地面條件復雜，雖然相對高差只有68.2 m，但在測量線周圍不均勻分布著一個黃土溝壑和6根高壓線，導致淺層地表的地球物理條件很復雜。

各煤層和圍巖的電氣參數見表1，可以看出相同巖性巖層的視電阻率與巖石粒度呈正相關，不同巖性巖層的視電阻率與其密度呈正相關，煤層和巖層的電性差異顯著，視電阻率差高達2～3 倍，其中煤層視電阻率最高。

表1 煤和巖層的電參數

3 現場測試與工程應用

檢測儀器有IGGETEM-30B 瞬態電磁儀和WDJD-2 高密度電阻率測量系統。

3.1 現場測試調試

根據勘探區地表地質條件，選取勘探區三線第40 個測量點（位于煤礦8113 工作面已知采空區上方）進行單點試驗，采用控制變量法比較不同參數下的衰減曲線，從而確定合適的儀器參數[6]。

1）時窗范圍測試。固定發射線框范圍為15 m×30 m，將關斷時間、發射電流和疊加次數分別設置為75 us、7.5 A 和512 次，在采樣延時為250 us 和Log14 的前提下，分別進行20 ms 和40 ms 的時窗范圍測試，結果如圖1 所示?？梢钥闯?，20 ms 和40 ms的V（t）/I 衰減曲線基本相同，但由于勘探區存在一些干擾，且煤層探測較深，故時窗范圍選擇為40 ms。

圖1 時窗范圍分別為20、40 ms 的V（t）/I 衰減曲線

2）關斷時間測試。固定發射線框范圍為15 m×30 m，將時窗范圍、發射電流和疊加次數分別設置為40 ms、7.5 A 和512 次、在采樣延時為250 us 和Log14 的前提下，分別進行關斷時間為50 、75、90 us的3 次測試，結果如圖2 所示。根據圖2(b)分析，后期75、90 us V（t）/I 衰減曲線響應較好，而前期50 us V（t）/I 衰減曲線明顯較高，75、90 us 的V（t）/I 衰減曲線基本相同，因此，關斷時間確定為75 us。

圖2 關斷時間為50、75、90 us V（t）/I 衰減曲線

3）采樣延時測試。固定發射線框范圍為15 m×30 m，時窗范圍為40 ms，將關斷時間、發射電流和疊加次數分別設置為75 us、7.5 A 和512 次、在Log14的前提下，設置采樣延時時間為200 us、250 us 和300 us 的3 次試驗，結果如圖3 所示?？梢钥闯?，后期3 組V（t）/I 衰減曲線整體響應較好，前期200us的V（t）/I 衰減曲線由于原生場的組成，表現為直線斷面。250 us 和300 us 的V（t）/I 衰減曲線基本相同，250 us 的V（t）/I 衰減曲線更好。

圖3 采樣延時為200、250、300 us V（t）/I 衰減曲線

4）發射電流測試。固定發射線框范圍為15 m×30 m，將關斷時間、時窗范圍和采樣延時設置為75us、40 ms 和250 us、疊加次數為512 次和Log14前提下，進行了發射電流3.7 A 和7.5 A 的2 次測試，結果如圖4 所示?？梢钥闯?，由于干擾的存在，3.7 A 發射電流衰減曲線具有明顯的拐點，7.5 A 的V（t）/I 衰減曲線優于3.7 A。

圖4 3.7 A 和7.5 A 電源發射電流的V（t）/I 衰減曲線

5）疊加次數測試。固定發射線框范圍為15 m×30 m，將關斷時間、時窗范圍和采樣延時設置為75 us、40 ms 和250 us、在發射電流為7.5A 和Log14 的前提下，進行了疊加次數分別為256、512、1024 次的3 次試驗。測試結果如圖5 所示。一般來說，如果衰減曲線要更平滑，則需要足夠高的疊加數?？紤]到工作時間，疊加時間確定為512 次。

圖5 疊加次數為256、512、1024 次的V（t）/I 衰減曲線

可以發現，采集電壓值與關斷時間和延遲時間密切相關，但與電源發射電流關系不大。最后，儀器參數線圈采用15 m×30 m“∞”形環路，發射電流為7.6 A，時窗范圍為40 ms，疊加數為512 次，關斷時間為75 us，采樣延時時間為250 us。

3.2 工程應用設計

勘探區設計20 條測量線，每條測線長1 040 m，間隔20 m。每條測線上設計53 個測點，測點間距為20 m。將1 號線布置在勘探區南側，其余測線依次向北布置。每條測線的西側是1 號測量點，其余測點依次向東排列。

首先，利用瞬變電磁法進行全覆蓋勘探，確定疑似積水區，然后在疑似積水區采用高密度電阻率法進行勘測。高密度電阻率法采用圖9 所示排列方式，相鄰觀測點之間的距離為10 m，設置60 條測量線路，每2 個測量線路之間相距為10 m。時間參數選擇：供電時間為2 000 ms，電流延遲為200 ms，電源電壓約為500 V，電源發射電流約為400 mA。該方法得到的檢測結果的橫截面為扁平“U”型。

4 工程應用結果分析

4.1 典型測量線分析

選取5、6、9、13 和20 等具有明顯電性變化的測量線，分析其多道電壓曲線和視電阻率曲線（圖6）?？梢钥闯?，在1 號測線的1～5 點，6 號測線的28～31 點，9 號測線的23～30 點，13 號測線的25～28點以及20 號測量線的19 點和47 點處均存在異常高電壓和低電阻（紅色橢圓）。異常低阻區基本在1 170～1 180 m 左右，推測此異常為8 號煤層老采空區積水反射。其中，13 號測線（藍框）的15～25 點為采坑工業現場，有數據丟失，因此，不再分析異常高壓和低電阻區域。

圖6 每條測線的多道電壓曲線

4.2 典型平面圖分析

根據勘探區煤層的標高和厚度，選擇24 號和28 號測量線路的等電壓值平面圖分析電壓變化?？碧絽^主要存在2 個異常高壓（40V 以上）區域，分別是4～17 號測量線的22μ32 測量點和2～6 號測量線的1～5 個測量點。由于地面上無干擾，因此可以推斷此區為采空區積水區。同時，在等電壓值的平面圖上，28 號測量線路的電性能與24 號測量線路相似，異常高壓值較小，但仍超過20 μV，這表明結果是準確的。

通過繪制8 號煤層的視電阻率圖（圖7），可以得出，低阻區基本上對應于24 號和28 號測量線路等電壓值平面圖的高壓區域。區別在于西北角勘探區由于地形增加導致低阻區增加。

圖7 8 號煤層視電阻率圖

4.3 高密度電阻率法數據分析

根據疑似采空區積水區，在6 號測線的16～45點和25～5 號測線的25 點處布置高密度電阻率法，并繪制各測量線的反演模擬視電阻率地形剖面（見圖8）?？梢钥闯?，在1 170～1 180 m 的等高線處存在較大的異常低電阻率，對應28～31 測點和4～14號測量線，與瞬變電磁法反應的異?；鞠嗤?。

圖8 視電阻率剖面（a）6 號（b）25～5 測線25 點

4.4 綜合對比分析

在24 條測量線路的等電壓值平面圖上，22～32號測線的4～17 點和1～5 號測線的2～6 點出現異常高值，且異常幅值大。在8 號煤層視電阻率平面圖上，低電阻率異常發生在22～28 號測線的8～17 點和1～5 號測線的3～6 點。同時，在具有高密度電阻率地形的視電阻率剖面上，反映的異常低電阻率區域與瞬變電磁法的測量結果基本一致。結合地質資料和地表條件，綜合推斷這兩個區域為8 號煤層采空區，積水區域位置如圖9 所示。同時，勘探區內有無法測量的采坑工業場地，其周圍存在鐵磁材料和高壓線等許多干擾因素，可能會給數據處理帶來多種困難，并對結果的準確性產生很大影響[7]。

圖9 地球物理勘探結果

5 結 論

1) 采用瞬態電磁法在勘探區進行全覆蓋勘探，然后對采空區疑似積水區進行高密度電阻率法，可以保證物探結果的可靠性。

2) 采用綜合物探法，在多層采空區礦山測得8個大范圍的采空區積水區。根據其位置和標高推斷，其中2 個采空區積水區位于8 號煤層，其他積水區位于開采煤層上部，為煤礦安全生產和建設提供了可靠參考。

3)當勘探區內有采坑工業場地或高壓線路等建筑物時，周圍有一定范圍的電磁場，對上述2 種物探方法影響較大，可與地震勘探等其他物探方法相結合，使勘探結果更加準確。