武盼盼

（山西汾西正升煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 汾陽 032200）

2013年9月28日，正升煤礦東翼回風(fēng)巷發(fā)生透水事故，造成重大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，礦井現(xiàn)處于被淹井停產(chǎn)狀態(tài)。近日正升煤礦準(zhǔn)備恢復(fù)生產(chǎn)，首要任務(wù)是查明首采區(qū)采空區(qū)積水情況。

針對采空區(qū)及采空積水區(qū)的探測，國內(nèi)外不少同行采用不同的技術(shù)手段進(jìn)行了大量的工作和研究，取得了一定的效果。但由于采空區(qū)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(qū)及采空積水區(qū)的精確探測還存在一定差距。筆者認(rèn)為在正升煤業(yè)91采區(qū)研究綜合電法勘探探測采空積水區(qū)的技術(shù)應(yīng)用是很有必要的。

1 瞬變電磁法及激發(fā)極化法的工作原理

1.1 瞬變電磁法工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

（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(nèi)回線裝置，其工作原理是在地表鋪設(shè)不接地發(fā)射線框，然后輸入脈沖電流，當(dāng)回線中電流突然斷開時(shí)，在下部空間就要激勵(lì)起感應(yīng)渦流，以維持?jǐn)嚅_電流前已存在的磁場，并且此渦流場隨時(shí)間以等效渦流環(huán)的形式向下傳播、向外擴(kuò)展，利用地面中心接收探頭在發(fā)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(biāo)層的地電結(jié)構(gòu)，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(yōu)缺點(diǎn)

瞬變電磁法具有以下優(yōu)點(diǎn):

① 適宜于各種地理環(huán)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(biāo)達(dá)到最佳耦合，取得異常響應(yīng)強(qiáng)，可以相應(yīng)地提高橫向、縱向分辨能力。

缺點(diǎn)：受高壓線、建筑物等人文干擾嚴(yán)重，存在低阻屏蔽、盲區(qū)和多解性。

1.2 激發(fā)極化法工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

（1）激發(fā)極化工作原理

在向地下供入穩(wěn)定電流時(shí)，測量電極間的電位差隨時(shí)間而變大并經(jīng)過一段（一般約幾分鐘）時(shí)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(shí)間相對緩慢地下降，并經(jīng)過一段（一般約幾分鐘）時(shí)間后衰減接近于零（放電過程）。這種在充電和放電過程中產(chǎn)生隨時(shí)間緩慢變化的附加電場現(xiàn)象，稱為激電效應(yīng)（激發(fā)極化效應(yīng)）。

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

（2）激發(fā)極化法優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

① 用長脈沖供電時(shí)間可獲得較小的激電異常，即使在極化效應(yīng)較小情況下測量，也可能發(fā)現(xiàn)較小的地質(zhì)異常目標(biāo)；

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(shí)間內(nèi)觀測和研究激電異常場的變化，有可能在更廣闊的時(shí)間域內(nèi)，揭示激電異常源的性質(zhì)；

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

缺點(diǎn)：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(yīng)用實(shí)例

正升煤業(yè)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(nèi)大部為黃土所覆蓋，溝谷內(nèi)存在零星基巖出露。井田內(nèi)地形復(fù)雜，溝壑縱橫；地勢總體為西高東低，最高點(diǎn)位于井田西部梁上，標(biāo)高+1101m，最低點(diǎn)位于礦井東南部邊界處，標(biāo)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(xiàn)象普遍。據(jù)2010年調(diào)查統(tǒng)計(jì)，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(qū)。經(jīng)調(diào)查整個(gè)礦井內(nèi)大小井筒共計(jì)51個(gè)，對礦井安全生產(chǎn)威脅很大。

為查明91采區(qū)采空區(qū)及采空積水區(qū)分布情況，應(yīng)用瞬變電磁法和激發(fā)極化法進(jìn)行了綜合電法勘探。技術(shù)思路為：利用施工效率高、成本較低的瞬變電磁法進(jìn)行全區(qū)控制，針對瞬變電磁法探測成果，應(yīng)用激發(fā)極化法進(jìn)行補(bǔ)充勘探驗(yàn)證，利用激發(fā)極化法的極化率判斷低阻異常區(qū)是否為采空區(qū)積水。兩種物探方法相互驗(yàn)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(nèi)回線裝置，圖1為S27線9號點(diǎn)～S83.5線9號點(diǎn)瞬變電磁法視電阻率斷面圖，從圖中可以看出淺部高阻區(qū)域?yàn)榈谒南档撞可暗[石的電性反應(yīng)，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(zhì)泥巖、砂巖及煤層的電性反應(yīng)，下部高阻區(qū)域?yàn)閵W陶系灰?guī)r的電性反應(yīng)，與實(shí)際地層的電性反應(yīng)基本一致。

根據(jù)已掌握資料，2、3、4號煤層基本全部采空，S27線9號點(diǎn)～S37線9號點(diǎn)和S64線9號點(diǎn)～S69線9號點(diǎn)為2、3、4號煤層采空積水區(qū)。9+10+11號煤層S62線9號點(diǎn)～S71線9號點(diǎn)為已知采空區(qū)，且采空區(qū)內(nèi)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(yīng)，且與已知積水區(qū)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(qū)（見圖中網(wǎng)格填充區(qū)域），據(jù)此分析S61線～S83線也為2+3+4號煤層積水異常區(qū)（見圖中網(wǎng)格填充區(qū)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(yīng)，且與已知積水區(qū)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(qū)（見圖中點(diǎn)狀填充區(qū)域），據(jù)此分析S61線～S83線也為9+10+11號煤層積水異常區(qū)（見圖中點(diǎn)狀填充區(qū)域）。綜上所述，瞬變電磁法對地層和采空區(qū)及采空區(qū)積水反應(yīng)明顯。

圖1 S27線9號點(diǎn)～S83.5線9號點(diǎn)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(qū)瞬變電磁資料處理解釋結(jié)果表明，低阻區(qū)主要分布在測區(qū)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(qū)。根據(jù)已知資料本區(qū)積水主要分布在測區(qū)的東南部，與瞬變電磁探測的結(jié)果基本一致。

圖2 瞬變電磁解釋視電阻率斷面圖

圖3 激發(fā)極化法視電阻率和極化率斷面圖

2.2 激發(fā)極化法勘探資料解釋

為驗(yàn)證瞬變電磁的解釋成果，我們在測區(qū)東南部進(jìn)行了激發(fā)極化法補(bǔ)充探測，以進(jìn)一步驗(yàn)證采空區(qū)積水的可靠性。

（1）激發(fā)極化法測線解釋

圖3為激發(fā)極化法視電阻率和極化率斷面圖，從激發(fā)極化法視電阻率斷面圖中可以看出上部淺灰色區(qū)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(zhì)泥巖、砂巖及煤層的電性反應(yīng)，下部深灰色高阻區(qū)域?yàn)閵W陶系灰?guī)r的電性反應(yīng)，與瞬變電磁、實(shí)際地層的電性反應(yīng)基本一致。

視電阻率在2、3、4和9+10+11號煤層，從840號點(diǎn)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(qū)積水的電性反應(yīng)，并與瞬變電磁解釋的積水異常區(qū)及實(shí)際掌握的資料基本吻合。

圖4 激發(fā)極化法視電阻率平面圖

（2）激發(fā)極化法平面解釋

為了更準(zhǔn)確解釋采空區(qū)積水的范圍，利用激發(fā)極化法抽取了平面圖，圖4為激發(fā)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(yīng)，只有J30延長線小號點(diǎn)為高阻反應(yīng)，與瞬變電磁解釋的低阻區(qū)域基本重合，且與已知的資料也是基本一致。

3 結(jié)論

在綜合電法解釋積水區(qū)內(nèi)布置了三個(gè)鉆孔，對綜合電法勘探解釋成果進(jìn)行了驗(yàn)證，并測量了主立井、副立井和風(fēng)井的水位。經(jīng)實(shí)測本區(qū)的積水標(biāo)高為790m，結(jié)合煤層底板等高線分析，煤層低于790m區(qū)域主要分布在測區(qū)的東南部；主井、副井和風(fēng)井實(shí)際積水情況證明采空區(qū)積水區(qū)主要分布在測區(qū)的東南部，與綜合電法勘探的成果基本一致。綜上所述，應(yīng)用瞬變電磁法和激發(fā)極化法綜合電法勘探探測正升煤礦91采區(qū)采空區(qū)及積水區(qū)效果明顯，可以在井田其他采區(qū)推廣應(yīng)用。