瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用

曹麗珠

（同煤集團晉華宮礦地質(zhì)科，山西 大同 037016）

1 概述

晉華宮煤礦位于大同煤田東北部，生產(chǎn)大部分為優(yōu)質(zhì)煤，硫分和灰分低，發(fā)熱量多在6 400 大卡，生產(chǎn)規(guī)模核定為3.5 Mt/a，是全國重要的煤炭生產(chǎn)基地。 晉華宮煤礦建于1956年，研究區(qū)內(nèi)3 號煤層下距9 號煤層43.54～62.72 m， 平均51.33 m，煤層厚4.62～6.19 m，平均為5.56 m。礦井采用立井開拓方式，運輸大巷采用木柱支護方式，經(jīng)過多年開采，礦區(qū)部分已經(jīng)采空。 采空區(qū)使地表出現(xiàn)塌陷及地層斷裂引發(fā)地表積水，影響地面建筑安全。 基于此，晉華宮煤礦成立專業(yè)采空區(qū)治理小組，應(yīng)用瞬變電磁勘探法對采空區(qū)進行探測，圈定采空區(qū)位置、范圍及積水情況，通過形成高阻的斷面圖，繪制采空區(qū)平面圖，為采空區(qū)填充提供條件。

2 瞬變電磁勘探原理

瞬變電磁法勘探的探測原理是以不同地質(zhì)組成結(jié)構(gòu)的電性標志不同，依靠專業(yè)監(jiān)測儀器測量不同深度地質(zhì)層的導(dǎo)電性，將信號通過數(shù)據(jù)分析得出可識別的物理數(shù)據(jù)，繪制不同深度的二次電位剖面圖和視電阻率剖面圖，結(jié)合地質(zhì)水文資料，完成地質(zhì)探測，反應(yīng)真實的巖層結(jié)構(gòu)組成，見圖1。

圖1 瞬變電磁法勘探橫向視電阻率分層

項目組還對3#煤層所處地層區(qū)間的地質(zhì)組成結(jié)構(gòu)進行了研究， 根據(jù)鉆孔取樣研究結(jié)果顯示：3#煤層底部層賦存完整性和分層性較為理想，巖層基底的奧陶系和石灰系與煤層的電阻率能夠很好的區(qū)分，相互間能夠形成區(qū)分明顯的電性標志層。 另外，采空區(qū)上覆巖層還有以下特點：①上覆巖層下部坍塌：在采空區(qū)形成后，上覆巖層支撐力消失，在重力作用下，巖層坍塌，堆積在采空區(qū)底部，巖層的導(dǎo)水系數(shù)改變，為瞬變電磁勘探法的應(yīng)用提供了條件；②上覆中部巖層裂隙：上覆巖層裂隙的形成與坍塌的形成原理相同，只是在巖層間形成了較大的裂縫，對上覆巖層的穩(wěn)定性也是不利的；上覆巖層上部彎曲：主要是由于自生重力或者地表壓力形成的非破壞性巖層變形， 巖層彎曲的規(guī)律性較明顯，不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)擁有不同的電性標志。 晉華宮煤礦采空區(qū)的形成主要包含兩種方式：一種是采用長臂式開采模式形成的采空區(qū)，該類采空區(qū)最大的特點是大部分已經(jīng)發(fā)生坍塌，采空區(qū)內(nèi)部大體積空間較少，多為坍塌碎石，因此采空區(qū)上部巖層密度低，具有離層裂隙發(fā)育的特征；另一種是采用房柱式或者條柱式開采模式形成的采空區(qū)，該類采空區(qū)存在預(yù)留煤柱，大體積空腔特征明顯。 采空區(qū)大空間和積水的電性標志更加容易區(qū)分。

3 晉華宮3#煤層采空區(qū)勘探

1）數(shù)據(jù)采集及處理

項目組成員根據(jù)探測礦區(qū)的地質(zhì)情況，選用美國進口GDPS-42 型電法儀進行電法模型建立，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 瞬變電磁儀技術(shù)參數(shù)

圖2 探測礦區(qū)視電阻率單枝曲線

野外探測兩人應(yīng)用電法儀等設(shè)備進行原始數(shù)據(jù)的采集， 重點探測不同深度的視電阻率數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)全部提交實驗室進行數(shù)據(jù)處理。 實驗室通過數(shù)據(jù)軟件將電法儀采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能夠識別的視電阻率電性參數(shù)。 在信號轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)完成后，對數(shù)據(jù)點進行篩選，識別受到外界無關(guān)因素影響的異常數(shù)據(jù)，進行剔除處理，并繪制成視電阻率單枝曲線，見圖2。 對探測數(shù)據(jù)通過TEM Pro 軟件進行二次電位插值處理及分層分析，再次對低阻屏蔽利用差值法進行刪減，數(shù)據(jù)篩選等，最大程度減少異常數(shù)據(jù)的采用，繪制探測區(qū)視電阻率斷面，見圖3。

圖3 探測礦區(qū)瞬變電磁視電阻率斷面

采空區(qū)的積水情況可以通過視電阻的值反應(yīng)，積水區(qū)、采空區(qū)與巖層的電性是不同的：根據(jù)晉華宮探測區(qū)巖層覆蓋情況，積水區(qū)表現(xiàn)出低電阻異常特性，而采空區(qū)則表現(xiàn)出高電阻異常特性，巖層電阻則在二者之間。 項目組還采用三維地震勘探法進行采空區(qū)輔助探測，根據(jù)探測礦區(qū)瞬變電磁就視電阻曲線斷面圖及地震波的吸收、散射性質(zhì)，判斷繪制出3#煤層采空區(qū)視電阻率斷面，見圖4。

圖4 晉華宮3#煤層采空區(qū)視電阻率斷面

項目組對三維地震勘探野外采集的數(shù)據(jù)參數(shù)做了科學(xué)處理， 形成了CDP 網(wǎng)格5 m×5 m×1 ms 的三維地震數(shù)據(jù)體，依據(jù)數(shù)據(jù)體繪制所有圖件，見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)體綜合顯示

2）3#煤層采空區(qū)探測結(jié)果

通過瞬變電磁法對3#煤層做了不同電磁采樣道，即不同地質(zhì)深度的數(shù)據(jù)、視電阻率斷面圖，抽取各深度的視電阻率值， 結(jié)合同層視電阻率斷面圖，合成順層平面圖及三維視電阻率斷面圖，最終結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)水文資料，圈定3#煤層采空區(qū)、積水區(qū)位置和深度。 圖6（上）為瞬變電磁法繪制的二次電位多采樣道剖面圖。 通過該圖可以看出，在17—23 號之間的采樣道點位的二次電位值振幅較為異常，且二次電位值相對較高，而該采樣道視電阻率斷面反應(yīng)出的是低電阻異常，這一電性特征符合采空區(qū)積水區(qū)特點， 可以判斷該區(qū)域為采空積水區(qū)， 見圖6（下）。

圖6 晉華宮3#煤層多采樣道二次電位及視電阻剖面

對不同采樣道形成的電性剖面圖進行合成，將瞬變電磁勘探法探測出的采空區(qū)及積水區(qū)異常區(qū)域，與晉華宮3#煤層底板等高線圖相結(jié)合， 最終繪制成煤層采空區(qū)及采空積水異常區(qū)平面，見圖7。根據(jù)圖6可以看出，采空區(qū)位于陷落柱與主斷層之間，內(nèi)存三處積水區(qū)，面積約占采空區(qū)總面積的4/5。

圖7 晉華宮3#煤層采空區(qū)平面

4 結(jié)語

項目組應(yīng)用瞬變電磁探測法，輔以三維地震勘探法，對3#煤層不同深度的二次電位及視電阻率進行了探測計算，并選擇科學(xué)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化與處理，形成了各斷面圖，結(jié)合探測區(qū)地質(zhì)水文資料，最終繪制出了較為完整的探測區(qū)采空區(qū)平面圖， 完成了3#煤層采空區(qū)定位探測目標，為采空區(qū)治理提供了科學(xué)依據(jù)。