于超 劉永芳

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西朔州036000）

0 引言

某礦南翼礦井水發(fā)育比較明顯，井下水源較多；盜采引起的老巷積水、采空區(qū)分布不規(guī)則。煤層開采對煤層上下的整體結(jié)構(gòu)造成破壞，形成多種導(dǎo)水通道，且由于空間裂隙存在，改變了原有充水環(huán)境，水文地質(zhì)條件變得復(fù)雜。地下采空區(qū)分布、采后地層變動和裂隙發(fā)育等不可確定因素給礦井防治水帶來巨大挑戰(zhàn)。

采空區(qū)周邊及其上部地層在應(yīng)力作用下使得其地球物理特征也發(fā)生變化，如果有地下水存在，地下水將會沿著開采形成的導(dǎo)水裂隙帶涌入工作面和采空區(qū)，形成新的積水形態(tài)，導(dǎo)水通道的多樣化導(dǎo)致各含水層形成連通。采空區(qū)形成后的煤巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，巖體變得疏松，裂隙發(fā)育，整體性遭到嚴(yán)重破壞，加上空氣、不同充填松散物的作用，改變后的地層視電阻率遠(yuǎn)高于周邊地質(zhì)體，該電性體現(xiàn)為高阻異常；如若采空區(qū)形成后所涉及的地質(zhì)體被水充填，形成充水地質(zhì)體，使得原本松散的破碎帶、裂隙帶達(dá)到充水飽合狀態(tài)，則改造后的地質(zhì)體視電阻率要低于周邊地質(zhì)體，該電性體現(xiàn)為低阻異常。這種異常的電性變化為使用大地電磁法來探明采空區(qū)水文地質(zhì)情況創(chuàng)造了物理基礎(chǔ)和應(yīng)用條件[1-3]。

1 大地電磁法簡介

1.1 測量原理

大地電磁法是在地面上探測地下天然電磁場來研究地下巖體的電性特征及其分布特征的一種物理勘探方法。大地電磁法是通過改變電磁波頻率來實現(xiàn)電磁感應(yīng)的原理，在地表收集地下電磁數(shù)據(jù)來分析地下不同的地質(zhì)信息。通過測定從高到低不同頻率的地球電磁反映序列，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析來判定地層由淺至深的電性結(jié)構(gòu)。大地電磁法原理見圖1。

圖1 大地電磁法原理示意

1.2 正演模型及反演

正演模型的探測對象為地質(zhì)體的電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)，通過二維正演進(jìn)行視電阻率分析，獲得不同地質(zhì)體因素下的不同模型。在地球物理中，正演一般對應(yīng)于求解一數(shù)理模型的邊值或初值問題。

大地電磁的技術(shù)核心是反演，就是根據(jù)實測的數(shù)據(jù)（包括視電阻率、相位、表面阻抗等數(shù)據(jù)）來反推產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)的系統(tǒng)內(nèi)在信息的一種數(shù)學(xué)物理過程。在測得地球響應(yīng)，如視電阻率、相位、表面阻抗等，通過一定的數(shù)學(xué)處理（反演）求得一個合理的地電模型，定量給出不同電性介質(zhì)在地下的分布規(guī)律。

1.3 適用條件

大地電磁法作為一種利用天然電磁場來研究地下電性結(jié)構(gòu)的物探方法，優(yōu)點是不受高阻層屏蔽、對高導(dǎo)層分辨能力強(qiáng)，勘探深度大，施工成本低，工作方便；缺點是體積效應(yīng)，反演的非唯一性較強(qiáng)（跟地震方法相比），縱向分辨能力隨著深度的的增加面迅速減弱，目前該技術(shù)可通過計算計實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理和顯示，大大提高了工作效率，被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探、地下水勘探、構(gòu)造探查等領(lǐng)域。

2 礦井地質(zhì)特征及測線布置

該煤礦南翼斷裂構(gòu)造較發(fā)育，可采煤層4#煤賦存深度500 m左右。南翼有F3、F2號兩個大斷層，及部分次生小構(gòu)造，斷層落差F3 82 m～400 m，F(xiàn)2 28 m～45 m。井田的水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，礦井充水水源、導(dǎo)水通道種類豐富，第四系潛水含水層與下聯(lián)河有一定的水力聯(lián)系。

根據(jù)地表現(xiàn)場的實際情況和礦井生產(chǎn)布局選擇在礦井南翼井田邊界線布置測線，然后依據(jù)地表收集地下電磁數(shù)據(jù)來分析地下不同的地質(zhì)信息來確定地下水的位置，測線長度為400 m，電極距離采用20 m，共布置21個測點。

3 探測結(jié)果分析

在獲得實測數(shù)據(jù)后，通過計算機(jī)可視化集成系統(tǒng)的開發(fā)，獲得反演結(jié)果圖，根據(jù)不同地質(zhì)體反演圖像分析地質(zhì)電阻異常區(qū)，通過已知地質(zhì)異常區(qū)地質(zhì)條件及生產(chǎn)情況，對異常區(qū)域和實際地質(zhì)情況進(jìn)行比對，進(jìn)而對未知地質(zhì)異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析較準(zhǔn)，確定異常原因，進(jìn)而確定地下采空區(qū)范圍。測線0 m～400 m探測結(jié)果見圖2，圖中有五處高阻異常區(qū)，分別為：高阻異常區(qū)1、高阻異常區(qū)2、高阻異常區(qū)3、高阻異常區(qū)4、低阻異常區(qū)5，下面就每個異常區(qū)分別進(jìn)行分析。

圖2 測線0 m～400 m大地電導(dǎo)率剖面

（1）在圖2中，1#測線低阻異常區(qū)5的水平范圍為300 m～400 m，深度在200 m～250 m之間。由于該區(qū)域的電阻率值明顯低于周邊介質(zhì)，且形成閉合的環(huán)形低阻區(qū)域，因此根據(jù)電磁法理論及經(jīng)驗判斷低阻異常區(qū)5疑似為地下水富存區(qū)域。

（2）在圖2中，高阻異常區(qū)1的水平范圍為80 m～150 m，深度在50 m～110 m之間。該異常區(qū)范圍在井上下對照平面圖的位置見圖3，此處有一標(biāo)高為370 m的巷道，該附近地面標(biāo)高在470 m，計算得出巷道地底埋深為100 m，與探測結(jié)果吻合，因此推測高阻異常區(qū)1為巷道存在造成影響區(qū)域。

圖3 1#測線異常區(qū)1與巷道位置關(guān)系

（3）在圖2中，高阻異常區(qū)2的水平范圍為0 m～140 m，深度在190 m～260 m之間。該異常區(qū)范圍在煤層底板等高線平面圖上的位置見圖4，此處地面標(biāo)高在470 m，煤層標(biāo)高為200 m～250 m，計算得出煤層埋深介于220 m～270 m之間，與探測結(jié)果吻合，因此推測高阻異常區(qū)2為采空區(qū)存在影響區(qū)域。

圖4 異常區(qū)2與煤層位置關(guān)系

（4）在圖2中，高阻異常區(qū)3的水平范圍為320 m～400 m，深度在90 m～120 m之間。本測線靠近ⅩⅣ勘探線，將測線投影至ⅩⅣ勘探線上，測線范圍與煤層的垂直與水平范圍疊加后呈現(xiàn)圖5中的斜線陰影部分。在探測線范圍內(nèi)的地面標(biāo)高480 m，煤層底板標(biāo)高為290m～390m，計算得出煤層埋深介于90m～190m，與探測結(jié)果吻合，因此推測高阻異常區(qū)3為采空區(qū)存在影響區(qū)域。

圖5 1#測線異常區(qū)3與ⅩⅣ勘探線位置關(guān)系

（5）在圖2中，高阻異常區(qū)4的水平范圍為240 m～400 m，深度介于120 m～180 m之間。本測線靠近ⅩⅣ勘探線，該測線在勘探線剖面的位置及所探測的煤層深度范圍見圖6，在探測線范圍內(nèi)的地面標(biāo)高480 m，煤層底板標(biāo)高為240 m～370 m，計算得出煤層埋深110 m～240 m，與探測結(jié)果吻合，因此推測高阻異常區(qū)4為采空區(qū)存在影響區(qū)域。

圖6 1#測線異常區(qū)4與ⅩⅣ勘探線位置關(guān)系

3 結(jié)論

測線水平范圍0 m～160 m、深度320 m～370 m區(qū)間有采空區(qū)；區(qū)域水平范圍160 m～220 m、深度300 m～360 m區(qū)間有采空區(qū)；水平范圍260 m～740 m、深度300 m～470 m區(qū)間有采空區(qū)；水平范圍460 m～600 m、深度100 m～130 m區(qū)間為巷道影響區(qū)。

通過理論分析和實踐證明，大地電磁法測試精度高，可通過計算機(jī)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理和顯示,界面圖像直觀，能夠有效的探測地下水分布位置，便于礦山企業(yè)采取有針對性的防治水手段，做到有的放矢，減少不必要的資金浪費(fèi)，實現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、效益全面發(fā)展。