邵 芬 寧

(山西潞安工程勘察設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046204)

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瞬變電磁法在某煤礦采空區(qū)勘測(cè)中的應(yīng)用

邵 芬 寧

(山西潞安工程勘察設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046204)

介紹了某煤礦采空區(qū)勘測(cè)場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件與地球物理特征，闡述了瞬變電磁法進(jìn)行煤礦采空區(qū)探測(cè)及資料處理解釋的方法，并結(jié)合鉆孔地質(zhì)資料，查明了采空區(qū)的分布規(guī)模和延伸情況。

煤礦，采空區(qū)，瞬變電磁法，地質(zhì)條件

1 基本情況

山西某煤礦公司位于某縣城西北玉井鎮(zhèn)史家屯村東附近，該工業(yè)場(chǎng)地已有建筑以東場(chǎng)地130 m深度內(nèi)可能存在采空區(qū)，需應(yīng)用物探方法查明采空區(qū)的分布規(guī)模及延伸情況，根據(jù)野外調(diào)查、地質(zhì)資料和要求的勘測(cè)深度，選用了瞬變電磁勘測(cè)方法并結(jié)合鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。

瞬變電磁法的物性基礎(chǔ)是地質(zhì)體的電阻率差異，通過(guò)研究瞬變電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以探測(cè)大地電性的垂向變化，探測(cè)具有不同導(dǎo)電性的地層分布，發(fā)現(xiàn)地下賦存的與圍巖有導(dǎo)電性差異的地質(zhì)體。

2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件與地球物理特征

勘測(cè)區(qū)內(nèi)場(chǎng)地經(jīng)過(guò)機(jī)械處理后地表基本平坦，地形開(kāi)闊。場(chǎng)區(qū)地面高程介于1 541.20 m～1 543 m之間，相對(duì)高差約1.8 m。

根據(jù)收集到的地質(zhì)及鉆探資料，勘測(cè)區(qū)地層從上至下主要為第四系馬蘭黃土，第三系上新統(tǒng)黃土類(lèi)亞粘土及含礫砂巖，二疊系上、下石盒子組、山西組的泥巖、砂巖、煤層等，石炭系本溪組、太原組的泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、石灰?guī)r、鋁土層及煤層等、奧陶系石灰?guī)r等。

由于第四系覆蓋層電阻率一般比較低，特別是粘土層，其電阻率小于10 Ω·m，一般第四系覆蓋層電阻率不超過(guò)30 Ω·m；煤系地層電阻率可達(dá)50 Ω·m～60 Ω·m，采空區(qū)由于采空、塌陷、充填物松散、與煤系地層應(yīng)有明顯的電性差異；根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，采空區(qū)的4號(hào)煤層以炭質(zhì)泥巖為頂板、9號(hào)、11號(hào)煤層以砂巖為頂板，且地下水位較深，因此使采空塌陷處表現(xiàn)為高阻，這就構(gòu)成了應(yīng)用電法勘探對(duì)采空區(qū)進(jìn)行勘察的有利的地球物理前提。另外煤系地層成層分布，且具有一定厚度，地面開(kāi)闊，場(chǎng)地范圍較大，沒(méi)有植被和農(nóng)作物生長(zhǎng)，有利于瞬變電磁法收、發(fā)線(xiàn)框的進(jìn)行。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

本次物探使用的儀器是中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院研制的IGGETEM-30B型瞬變電磁儀，根據(jù)任務(wù)要求及地形的特殊性，測(cè)線(xiàn)布置原則是突出重點(diǎn)，加強(qiáng)在可疑地段的工作，重點(diǎn)地段的線(xiàn)距、點(diǎn)距適當(dāng)加密，非重點(diǎn)地段的線(xiàn)距、點(diǎn)距適當(dāng)放寬。測(cè)線(xiàn)、測(cè)點(diǎn)的布置，以“由西向東、由南向北”的原則統(tǒng)一布置，基本施工網(wǎng)度為10 m×20 m，設(shè)計(jì)線(xiàn)距20 m，點(diǎn)距為10 m。

本次探測(cè)的主要目的是查明勘測(cè)區(qū)內(nèi)是否存在采空區(qū)以及采空區(qū)分布狀況。根據(jù)以往類(lèi)似工作經(jīng)驗(yàn)、已知地質(zhì)資料及探測(cè)深度需要，進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集之前，進(jìn)行了一定的試驗(yàn)性工作，試驗(yàn)工作的主要目的是了解勘探區(qū)的地電條件、施工條件、干擾背景等，以便選擇最佳工作方法和裝置參數(shù)。瞬變電磁法試驗(yàn)內(nèi)容主要包括線(xiàn)框大小、發(fā)射電流、發(fā)射頻率、時(shí)間參數(shù)和疊加次數(shù)等。通過(guò)試驗(yàn)，確定了最佳的工作參數(shù)如下：裝置類(lèi)型：重疊回線(xiàn)；下降沿時(shí)間：30 μs；發(fā)射回線(xiàn)：30 m×30 m×2匝；接收回線(xiàn)：30 m×30 m×3匝；發(fā)射電流：6 A；延時(shí)時(shí)間：100 μs；疊加次數(shù)：128次；時(shí)基：20 ms。

4 瞬變電磁法資料的處理與解釋

瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先將反演后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Sufer成圖軟件要求的格式，并由Sufer作圖軟件形成TEM電阻率ρt等值線(xiàn)斷面圖。根據(jù)ρt等值線(xiàn)斷面圖的分布特征和形態(tài)，結(jié)合鉆探資料解釋推斷采空塌陷區(qū)及其他不良地質(zhì)作用的分布范圍和延伸情況。

對(duì)采空區(qū)的解釋推斷主要以瞬變電磁法測(cè)得的不同地層電阻率分布特征為依據(jù)。本區(qū)資料的分析解釋?zhuān)詤^(qū)內(nèi)鉆井資料為基礎(chǔ)，以瞬變電磁法多測(cè)道電壓剖面圖和視電阻率擬斷面圖所展現(xiàn)的電壓和視電阻率變化特征為主，同時(shí)考慮各種干擾因素，進(jìn)行綜合分析解釋?zhuān)@種分析與推斷遵循了從點(diǎn)到面的原則，在解釋過(guò)程中充分利用了已有的地質(zhì)、物性資料，借鑒了相鄰地區(qū)同類(lèi)勘探工程的經(jīng)驗(yàn)。

根據(jù)以往工作采空區(qū)所表現(xiàn)的電性特征，對(duì)該區(qū)測(cè)線(xiàn)的多測(cè)道電壓剖面圖和視電阻率擬斷面圖進(jìn)行了分析，結(jié)果如下：

8測(cè)線(xiàn)：從多測(cè)道電壓剖面圖中可見(jiàn)(見(jiàn)圖1)，該線(xiàn)的早中期測(cè)道歸一化電位值橫向上總體比較平緩，變化不大，僅在樁號(hào)190 m～240 m上中晚期測(cè)道略有升高，縱向上早中期測(cè)道歸一化電位值衰減速率逐漸變大，與地層電性特征相符，晚期測(cè)道受背景場(chǎng)影響衰減較慢，其不影響有效探測(cè)深度內(nèi)的電性特征。在視電阻率擬斷面圖上(見(jiàn)圖2)，在煤層埋深位置，視電阻率等值線(xiàn)總體橫向比較連續(xù)，僅在樁號(hào)190 m～240 m深度120 m以下視電阻率等值線(xiàn)明顯收緊，并出現(xiàn)低值，低至50 Ω·m，這與多測(cè)道電壓剖面圖上反映的電性特征相符。結(jié)合實(shí)際踏勘資料綜合分析認(rèn)為，在樁號(hào)190 m～240 m處的異常區(qū)可能為地表附近鐵磁物或采空區(qū)的反映。

9測(cè)線(xiàn)：從多測(cè)道電壓剖面圖中可見(jiàn)(見(jiàn)圖3)，該線(xiàn)的早中期測(cè)道歸一化電位值橫向上總體比較平緩，變化不大，僅在樁號(hào)120 m～240 m上早中期測(cè)道略有升高，縱向上早中期測(cè)道歸一化電位值衰減速率逐漸變大，與地層電性特征相符，晚期測(cè)道受背景場(chǎng)影響衰減較慢，其不影響有效探測(cè)深度內(nèi)的電性特征。在視電阻率擬斷面圖上(見(jiàn)圖4)，在煤層埋深位置，淺層視電阻率等值線(xiàn)總體橫向比較連續(xù)，僅在樁號(hào)120 m～240 m深度130 m以下視電阻率等值線(xiàn)不連續(xù)，局部等值線(xiàn)明顯收緊，這與多測(cè)道電壓剖面圖上反映的電性特征相符。結(jié)合實(shí)際踏勘資料綜合分析認(rèn)為，在樁號(hào)190 m～200 m處的異常區(qū)可能為地表附近鐵磁物或采空區(qū)的反映。

10測(cè)線(xiàn)：從多測(cè)道電壓剖面圖中可見(jiàn)(見(jiàn)圖5)，該線(xiàn)的早中期測(cè)道歸一化電位值橫向上總體比較平緩，變化不大，縱向上早中期測(cè)道歸一化電位值衰減速率逐漸變大，與地層電性特征相符，晚期測(cè)道受背景場(chǎng)影響衰減較慢，其不影響有效探測(cè)深度內(nèi)的電性特征。在視電阻率擬斷面圖上(見(jiàn)圖6)，在煤層埋深位置，淺層視電阻率等值線(xiàn)總體橫向比較連續(xù)，這與多測(cè)道電壓剖面圖上反映的電性特征相符。結(jié)合實(shí)際踏勘資料綜合分析認(rèn)為，推測(cè)該線(xiàn)下方地層比較連續(xù)，可能不含采空區(qū)。

11測(cè)線(xiàn)：從多測(cè)道電壓剖面圖中可見(jiàn)(見(jiàn)圖7)，該線(xiàn)的早中期測(cè)道歸一化電位值橫向上總體比較平緩，變化不大，僅在樁號(hào)180 m～220 m上早中期測(cè)道略有升高，縱向上早中期測(cè)道歸一化電位值衰減速率逐漸變大，與地層電性特征相符，晚期測(cè)道受背景場(chǎng)影響衰減較慢，其不影響有效探測(cè)深度內(nèi)的電性特征。在視電阻率擬斷面圖上(見(jiàn)圖8)，在煤層埋深位置，淺層視電阻率等值線(xiàn)總體橫向比較連續(xù)，僅在樁號(hào)180 m～220 m深度130 m以下視電阻率等值線(xiàn)不連續(xù)，局部等值線(xiàn)明顯收緊，這與多測(cè)道電壓剖面圖上反映的電性特征相符。結(jié)合實(shí)際踏勘資料綜合分析認(rèn)為，在樁號(hào)180 m～220 m處的異常區(qū)可能為地表附近鐵磁物或采空區(qū)的反映。

其余測(cè)線(xiàn)所反映規(guī)律與10號(hào)測(cè)線(xiàn)基本一致，結(jié)合實(shí)際踏勘資料綜合分析認(rèn)為，推測(cè)該段線(xiàn)下方地層比較連續(xù)，可能不含采空區(qū)。

綜上所述，通過(guò)本次物探工作，結(jié)合實(shí)際踏勘資料綜合分析認(rèn)為，在8測(cè)線(xiàn)樁號(hào)190 m～240 m處的異常區(qū)，在9測(cè)線(xiàn)樁號(hào)190 m～200 m處的異常區(qū)，可能為地表附近鐵磁物或采空區(qū)的反映。

5 鉆孔驗(yàn)證

依據(jù)上述異常分析，在異常地段布置3個(gè)130 m左右的鉆探孔進(jìn)行驗(yàn)證，采用全斷面取芯，3個(gè)鉆孔均揭露完整9號(hào)煤層，僅3號(hào)鉆孔揭露11號(hào)煤層，鉆探過(guò)程無(wú)掉鉆現(xiàn)象。測(cè)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單(Ⅰ類(lèi))，地層較穩(wěn)定，松散層覆蓋厚度23 m～27 m，其下至9號(hào)煤層頂板為砂巖、泥頁(yè)巖，9號(hào)～11號(hào)之間為砂巖，巖體較完整，巖芯采取率70%～90%，砂巖RQD=75%～95%，泥頁(yè)巖RQD=50%～65%。經(jīng)鉆孔驗(yàn)證判定130 m內(nèi)無(wú)采空反映，推斷此處無(wú)采空區(qū)或者采空巷道發(fā)育范圍較小。

6 結(jié)論與建議

1)通過(guò)對(duì)瞬變電磁法資料的分析和鉆孔證實(shí)，測(cè)區(qū)內(nèi)130 m深度內(nèi)無(wú)采空區(qū)分布，但對(duì)小型巷道不做異常對(duì)待。

2)應(yīng)根據(jù)測(cè)區(qū)的地質(zhì)資料、地電條件、施工條件、干擾背景及探測(cè)深度需要，合理確定線(xiàn)框邊長(zhǎng)和最小、最大延時(shí)時(shí)間等最佳工作參數(shù)。

3)對(duì)采空區(qū)的解釋推斷主要以瞬變電磁法測(cè)得的不同地層電阻率分布特征為依據(jù)，并參考區(qū)內(nèi)鉆井資料，以多測(cè)道電壓剖面圖和視電阻率擬斷面圖所展現(xiàn)的電壓和視電阻率變化特征為主，同時(shí)考慮各種干擾因素，進(jìn)行綜合分析解釋。

4)瞬變電磁法測(cè)得的異常區(qū)域，應(yīng)輔以鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，物探與鉆探二者結(jié)合發(fā)揮自身方法的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行異常區(qū)的推斷與驗(yàn)證。

[1] 劉天佑.地球物理勘探概論[M].北京：地質(zhì)出版社，2007.

The application of transient electromagnetic method in a coal mine gob survey

Shao Fenning

(ShanxiLu’anEngineeringSurveyandDesignLimitedLiabilityCompany,Changzhi046204,China)

This paper introduced the engineering geological conditions and geophysical characteristics of a coal mining area gob survey,described the method using transient electromagnetic method to make coal mine gob detection and data process and interpretation,and combining with drilling geological data,identified the gob distribution scale and extension situation.

coal mine,gob,transient electromagnetic method,geological condition

1009-6825(2016)29-0057-03

2016-08-01

邵芬寧(1982- )，女，工程師

P631.325

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