＊趙輝 王輝 周旭光

（陜西省煤田物探測繪有限公司 陜西 710000）

2000年至今，煤炭行業(yè)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，隨著煤層長期開采導(dǎo)致煤礦采空區(qū)大量出現(xiàn)，由此引起了地質(zhì)環(huán)境的局部變化，嚴(yán)重影響礦山安全生產(chǎn)和周邊人民群眾生命財產(chǎn)安全[1]。目前針對深度在200m以內(nèi)采空區(qū)的探查，常用的勘探手段有鉆探法和物探法。鉆探法是一種以點帶面的勘探方法，其周期長、費用高、而且布置的鉆孔數(shù)量和勘探規(guī)模有限，很難滿足查清采空區(qū)的整體空間分布特征的要求，通常是作為驗證物探結(jié)果的重要手段。而物探法因其施工周期短、信息量大、無損且成本低的特點，成為目前主要的勘探手段，同時結(jié)合鉆探驗證，對煤層采空區(qū)和積水區(qū)能夠進(jìn)行有效的判定和控制。

探查采空區(qū)通常采用的物探方法有地震勘探法、高密度電法和瞬變電磁法[1-2]。地震勘探法是根據(jù)地下彈性介質(zhì)的波阻抗差異所引起的地震波場響應(yīng)特征來識別存在于地下介質(zhì)中的波阻抗界面，而采空區(qū)內(nèi)完整煤層和圍巖介質(zhì)與采空區(qū)內(nèi)部介質(zhì)存在波阻抗差異，因此這種波阻抗差異為地震法識別采空區(qū)的地震響應(yīng)特征提供了理論基礎(chǔ)[3]。但探測埋深在100m左右且埋藏深度變化較大的煤層采空區(qū)時，其分辨率相對較差，同時對采空區(qū)的積水情況無法分辨。高密度電法集剖面測量和深度測量為一體，可快速測量地下地質(zhì)體的橫向和縱向分布規(guī)律，常用于解決目的層埋深在30～100m左右異常地質(zhì)體的探測[4]。如需探測深度更大的地質(zhì)異常體，需要增加排列長度來實現(xiàn)，伴隨排列長度的增加，體積效應(yīng)也相應(yīng)增大，同時地形起伏和接地條件對高密度電法數(shù)據(jù)影響較大，從而降低了橫向分辨率。而瞬變電磁法作為一種經(jīng)濟(jì)高效的地球物理勘探手段，該方法對不同介質(zhì)電性差異分辨率高、探測深度大、功效高、施工成本低等，同時兼顧剖面測量和深度測量，近年來在工程勘查、地下水調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘查等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的成果[5-9]。本次結(jié)合礦區(qū)工程實際，采用瞬變電磁法探查煤層采空區(qū)和積水情況，為后期工作面布置和采空積水區(qū)的治理提供了有效的地質(zhì)依據(jù)。

1.瞬變電磁法的基本原理

地面瞬變電磁勘探主要探測多煤層的頂板砂巖富水性，其對水體敏感且分辨率較高。該方法的物理基礎(chǔ)為電磁感應(yīng)原理，以接地導(dǎo)線或不接地回線通以脈沖電流作為場源，以激勵探測目的物感生二次電流，在脈沖間隙利用不接地線圈或接地電極觀測二次場隨時間變化響應(yīng)的一種電磁方法[10]。其基本工作方法是設(shè)置以一定波形電流的發(fā)射線圈，在其周圍空間產(chǎn)生一次磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。斷電后，通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。良性導(dǎo)電地質(zhì)體產(chǎn)生的感應(yīng)二次場與地質(zhì)體的電阻率密切相關(guān)，電阻率越低、低電阻地質(zhì)體規(guī)模越大，感應(yīng)二次場越高、二次場衰減越慢（圖1）。

圖1 瞬變電磁原理及二次場強時序關(guān)系示意圖

2.煤層采空區(qū)的地球物理特征

在陜北地區(qū)，煤系地層一般呈水平或平緩單斜分布，同一層位巖性的電性變化比較均一，因而煤層在沒有采空的情況下，橫向上是相對均一的，視電阻率等值線呈水平或平緩狀展布；當(dāng)煤層采空后，若不充水或少量充水，則視電阻率呈相對高阻特征，視電阻率等值線表現(xiàn)為明顯的高阻圈閉和扭曲；當(dāng)煤層采空區(qū)飽含地下水或充水較多時，視電阻率則呈現(xiàn)相對低阻特征，視電阻率等值線表現(xiàn)為明顯的低阻圈閉和凹陷等；對于煤層規(guī)模化采空暨煤層規(guī)律性、大面積采空后，煤層頂板在自重及上覆巖層作用下產(chǎn)生變形、破碎、坍塌等，則視電阻表現(xiàn)為局部的、規(guī)律性的低電阻凹陷特征。但無論那種異常特征，視電阻率等值線均會出現(xiàn)較為明顯的起伏或者較為凌亂的變化。

3.測區(qū)概況

石窯店煤礦位于陜西省神木市東北部，屬陜北侏羅紀(jì)煤田神府礦區(qū)新民開采區(qū)。生產(chǎn)規(guī)模為300萬噸/年，批準(zhǔn)開采2-2煤、3-2煤、5-2上煤和5-2煤。測區(qū)位于石窯店煤礦井田的中西部（圖2），勘探區(qū)面積約0.57km2。地形支離破碎，溝壑縱橫，為典型的黃土高原地貌?；鶐r及紅土沿溝谷兩側(cè)大面積出露，局部溝幫及梁峁之上覆蓋第四系黃土或風(fēng)成沙。地表標(biāo)高一般在1080～1240m左右，最大高差為160m。地層由老到新依次有三疊系上統(tǒng)永平組、侏羅系中統(tǒng)延安組、新近系上新統(tǒng)保德組，第四系中更新統(tǒng)離石組、全新統(tǒng)沖積層和風(fēng)積層。地層總體為北西走向，傾向南西單斜構(gòu)造，平均傾角1°～3°。未發(fā)現(xiàn)大的斷裂及褶皺存在。本次的目的煤層（3-2煤層）位于延安組的第二段頂部，埋深在35～120m，可采煤層厚1.24～2.91m，平均約2.15m。其與上覆2-2煤層平均間距約30m，但2-2已經(jīng)全部自燃，部分地段已剝蝕待盡。同時根據(jù)本區(qū)的地形地質(zhì)及水文地質(zhì)情況可以看出，3-2煤層上覆含水層主要為頂板砂巖裂隙含水層和2-2煤燒變巖孔洞裂隙潛水含水層。3-2煤平均厚度2.15m，其采空后形成的裂隙帶可達(dá)62m，直接通2-2煤燒變巖含水層，在溝谷地段可達(dá)地表。因此煤層采空后，上部巖層水和部分地表水通過裂隙向采空區(qū)進(jìn)行補給，因此在電性上，3-2煤采空后，較圍巖表現(xiàn)為明顯的低阻反映。

圖2 勘探地形及工作面布置示意圖

此次測網(wǎng)密度為20m×20m（線距20m、點距20m），設(shè)備采用GDP-32多功能電法工作站。采用大定源內(nèi)回線裝置，發(fā)射線框120m×120m、接收采用TEM-3探頭（等效接收面積10000m2），發(fā)射頻率32Hz。

4.數(shù)據(jù)處理及解釋

數(shù)據(jù)的處理采用GDP-32配套的shred和TEMAVG程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、圓滑、靜態(tài)校正，再利用Rstem程序加載地形文件進(jìn)行數(shù)據(jù)的正、反演計算，同時對地形進(jìn)行了幾何校正，最終使用地形校正后的反演視電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行成圖分析解釋。

圖3為L0線綜合解釋剖面圖，該測線位于勘探區(qū)西部（見圖1）。由L0線視電阻率等值線斷面圖（圖3上）可以看出，視電阻率數(shù)值隨深度增加呈先升高后降低趨勢，煤層附近電阻率相對較高。橫向上視電阻率等值線基本呈層狀變化、曲線相對較平穩(wěn)，幅值約50Ω·m左右；結(jié)合地質(zhì)及等值線的變化特征，分析剖面段3-2煤層未采動，為正常煤層段。

圖3 L0線綜合解釋剖面示意圖

圖4為L1線綜合解釋剖面圖，該測線位于工作面切眼附近（圖1）。由L1線視電阻率等值線斷面圖（圖4）可以看出，視電阻率數(shù)值隨深度增加呈先升高后降低趨勢，煤層附近電阻率相對較高。在剖面100～134點，視電阻率等值線基本呈層狀變化、曲線相對較平穩(wěn)，幅值約50Ω·m左右；在剖面136～164點，視電阻率等值線呈明顯的低阻扭曲狀，幅值約30Ω·m左右。結(jié)合地質(zhì)及等值線的變化特征，分析該采空區(qū)邊界位于高阻向低阻密集變化帶的中點位置，暨135點附近，135～164點為3-2煤層采空異常段，且分析其存在一定量的積水。

圖4 L1線綜合解釋剖面示意圖

圖5為L2綜合解釋剖面圖，該測線位于工作面中部（圖1）。由L2線視電阻率等值線斷面圖（圖5）可以看出，視電阻率在縱向和橫向上的變化與L1線基本一致。正常煤層段暨100～134點，曲線變化平穩(wěn)，數(shù)值在50Ω·m左右；煤層采空異常段暨136～164點，視電阻率等值線亦呈明顯的低阻扭曲狀，幅值約42Ω·m左右。結(jié)合地質(zhì)及等值線的變化特征，分析該采空區(qū)邊界位于135點附近，135～164點為3-2煤層采空異常段，該區(qū)段積水相對較少。

圖5 L2線綜合解釋剖面示意圖

為了更直觀的顯示煤層附近的電性變化特征，并進(jìn)一步對采空范圍進(jìn)行分析，筆者選取斷面圖上3-2煤底板等高線上、下各10m深范圍內(nèi)的電阻率值取平均，繪制了視電阻率等值線平面圖（圖6）?？梢钥闯觯跍y區(qū)西部及南部，電阻率等值線變化平緩，數(shù)值變化相對較小。而在測區(qū)的中北部及東北部，視電阻率數(shù)值明顯低于煤層正常區(qū)域約6Ω·m，且視電阻率低值區(qū)域分布比較規(guī)律，寬度約250m、長度約650m的矩形區(qū)域，符合煤層規(guī)?；煽盏碾娦蕴卣鳌＞C合分析認(rèn)為該低阻異常區(qū)域為煤層采空區(qū)。同時該矩形區(qū)的西南部（切眼附近）和東北邊界處，視電阻率等值線較其他地段呈明顯的低阻圈閉特征，分析認(rèn)為該地段為采空積水異常區(qū)。

為了驗證此次的勘探成果，筆者將礦方在施工后提供的采掘資料及解釋成果進(jìn)行了比對，此次解釋的采空區(qū)邊界與實際采掘資料基本一致。同時在掘進(jìn)和回采期間，切眼附近3-2煤頂板有淋水現(xiàn)象且持續(xù)時間較長，同時在東北部圈定區(qū)域，地表為溝谷地段，回采時亦有不同程度的淋水。說明解釋的采空積水區(qū)與實際情況相吻合。

5.結(jié)論

通過瞬變電磁對淺部煤層規(guī)模化采空區(qū)進(jìn)行探查，分析解釋了采空區(qū)和采空積水區(qū)的位置和范圍，與礦井實際情況基本一致，說明瞬變電磁是探查煤層規(guī)模化采空區(qū)的一種有效手段。為瞬變電磁探查淺部煤層采空區(qū)提供了有益的借鑒。