劉培浩

(山西忻州神達棲鳳煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036799)

我國煤炭儲量豐富，隨著煤礦逐漸向深部開采，留下的采空區(qū)越來越多，給礦井安全開采帶來了極大的隱患，也給礦井儲量的核實增加了難度。為了準確地獲取采空區(qū)的范圍及分布，國內學者對此進行了大量的研究，目前常用方法為井下實測、瞬變電磁法、鉆探、地球物理測井等方法，其中瞬變電磁法受到諸多學者的青睞。姜志海等[1]研究了淺埋特厚煤層小窯采空區(qū)瞬變電磁探測技術，三維數(shù)值模擬了理論地電模型與高阻采空區(qū)模型，分析了高阻目標體的瞬變電磁分布規(guī)律和響應特征，對適合該地區(qū)的時深換算系數(shù)進行了確定，選取合理的參數(shù)，瞬變電磁法可以探測出直徑大于5 m的未塌陷小窯采空區(qū)；楊勇等[2]研究了綜合物探方法在房采采空區(qū)勘查中的應用，采用用瞬變電磁和可控源音頻大地電磁相結合的方法，對普泉煤礦勘探區(qū)內淺埋房柱式采空區(qū)進行探測，表明該方法在淺埋房柱式采空區(qū)探測方面具有較高的準確性和可靠性；楊鏡明等[3]采用高密度電阻率法和瞬變電磁法，探查了煤田采空區(qū)和注漿情況，分析了開展煤礦采空區(qū)地球物理探測的物性差異；文獻[4]分析了綜合物探技術在煤礦采空區(qū)勘查中的應用；文獻[5]使用等值反磁通瞬變電磁法，研究該技術在城鎮(zhèn)地質災害調查中的應用，得到已知塌陷坑在探測結果中為低阻異常；文獻[6]研究了全空間瞬變電磁法在煤礦防治水中的應用，采用重疊回線裝置對掘進工作面前方和回采工作面頂?shù)装咫[伏含(導)水構造進行探測。

基于此，筆者以某煤礦為研究對象，采用瞬變電磁法，分析了研究區(qū)電性異常特征以及二1煤層可靠和較可靠采空異常區(qū)分布，然后對某煤礦進行了核實測量，同時進行鉆探驗證，得到了采空區(qū)可靠性分布。

1 地質概況及地球物理特征

1.1 勘探區(qū)位置

某煤礦位于登封市東南，白坪鄉(xiāng)白坪村境內，行政歸屬登封市白坪鄉(xiāng)管轄，北距登封市約22 km，南距汝州市約30 km。勘探區(qū)位置如圖1所示。

圖1 勘探區(qū)位置

勘探區(qū)位置范圍拐點坐標見表1(二1煤層(國家2000坐標系))。

表1 勘探區(qū)位置范圍拐點坐標

1.2 勘探區(qū)地層

某煤礦區(qū)內大部分被第四系地層所覆蓋，在礦區(qū)東部基巖有零星出露。據(jù)地表出露及生產(chǎn)礦井和鉆孔揭露，本區(qū)地層由老到新依次為：寒武系上統(tǒng)崮山組(∈3g)，石炭系上統(tǒng)本溪組(C2b)、上統(tǒng)太原組(C2t)，二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、下石盒子組(P1x)，二疊系上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組合，第四系(Q)。

(1)寒武系(∈)。區(qū)內鉆孔僅揭露寒武系上統(tǒng)崮山組(∈3g)，其巖性為淺灰色，厚、巨厚層狀白云質灰?guī)r，局部具有溶蝕現(xiàn)象，厚度為86～189 m，鉆孔揭露最大厚度為56.33 m。

(2)石炭系(C)。①上石炭統(tǒng)本溪組(C2b)。本組厚度為6.42～25.42 m，平均厚12.10 m。巖性以淺灰色鋁土質泥巖為主，局部為鋁土礦，具鮞狀和豆狀結構，含黃鐵礦結核及團塊，局部呈層狀出現(xiàn)。鋁土質泥巖主要成分為一水硬鋁石，其次為高嶺石、伊利石、黃鐵礦、赤鐵礦及軟水鋁石。在電測井HG曲線上呈下低上高的異常反映。該層鋁土質泥巖是對比一3煤層的主要標志層之一。此組為潟湖—海灣相沉積，層位穩(wěn)定。本溪組與下伏崮山組為平行不整合接觸。②上石炭統(tǒng)太原組(C2t)。本組厚厚37.72～66.40 m，平均厚46.05 m，由深灰色石灰?guī)r、泥巖、細—中粒砂巖及煤層組成，與下伏本溪組呈整合接觸。

(3)二疊系(P)。分為上、下兩統(tǒng)，下統(tǒng)包括山西組和下石盒子組，上統(tǒng)包括上石盒子組和石千峰組。

(4)第四系(Q)。本區(qū)第四系分布廣泛，頂部為耕植土、黃土或坡積物，中下部為黏土及砂質黏土，夾少量砂、礫石。厚0～16.00 m。與下伏各時代地層為角度不整合接觸。

1.3 煤層

1.4 勘探區(qū)構造

本區(qū)位于嵩山背斜與箕山背斜之間的潁陽—蘆店向斜的南翼東段，屬嵩箕構造區(qū)，嵩箕斷隆小區(qū)?？傮w構造形態(tài)為一地層走向280°、傾向10°、傾角為15°～23°的單斜構造。

1.5 勘探區(qū)地球物理特征

根據(jù)電法勘探資料，勘探區(qū)內各地層之間(垂向上)均有較明顯的電性差異，正常情況下，淺部第四系地層電阻率較低，第四系地層較薄，其沒有成為一個獨立電性層表現(xiàn)出來，其與二疊系淺部的砂巖層形成一復合電性層，電阻率中等，下部二疊系地層為砂泥巖互層，電阻率略低，深部寒武系灰?guī)r地層電阻率較高。根據(jù)物探資料對本區(qū)內各地層的視電阻率(ρs)作一歸納，勘探區(qū)地層電性見表2。

表2 勘探區(qū)地層電性

2 原始數(shù)據(jù)采集

2.1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法(TEM)是一種時間域人工源的電磁法，具有較高的抗干擾能力和分辨率，其原理是：首先給地面的發(fā)射線框供一直流電流，然后突然切斷電源，線框內的電流將發(fā)生一個突變，這種瞬態(tài)變化的電流將在空間產(chǎn)生一個瞬態(tài)的磁場，瞬態(tài)的磁場引起地下形成渦流，渦流隨時間的推移不斷向地下擴散，擴散的速度與地下地層的電阻率有關，不同時間擴散到不同深度。通過記錄地下渦流變化(磁場變化率dB/dT)的情況來達到了解地下電阻率的目的[7-9]。這一過程可用圖2表示，圖2中是一個環(huán)形發(fā)射框的情況，實際上發(fā)射框可以是任意形狀，但為了布設和計算的方便，通常采用矩形發(fā)射框。

圖2 瞬變電磁法原理示意

有限導電地質體瞬變電磁響應可以用一個具有電阻和電感的回線上的響應相等效，回線中的感應電壓V2(t)正比于二次磁場的時間導數(shù)：

(1)

式中，τ為衰減的時間常數(shù)。

式(1)忽略了導電圍巖和導電覆蓋層影響，導電圍巖對瞬變電磁法勘探的影響有3個方面：①半空間導電圍巖中“環(huán)流”的響應；②圍巖中“環(huán)流”向良導地質體集流的響應；③“環(huán)流”激發(fā)在良導地質體中產(chǎn)生感應渦流的響應。這3種附加響應的相對關系受導電圍巖電阻率支配，當圍巖電阻率較小時，集流響應起著支配作用[10-11]。

2.2 工作布置

勘探區(qū)東西長1 160 m，南北寬約1 380 m。設計工作布置為瞬變電磁勘探為40 m×20 m的勘探網(wǎng)度，線距40 m，點距20 m，瞬變電磁測線30條。

2018年10月19日，主要勘探人員進入現(xiàn)場踏勘，對勘探區(qū)內的地質、地形、道路等分布情況進行了詳細踏勘，制定了工作方案。當日勘探工作正式開始。11月1日完成了設計施工任務，歷時14 d。共完成測線30條，試驗點50個，線上物理點1 666個，質量檢查點105個，總計完成瞬變電磁物理點1 821個，剖面總長32 740 m和瞬變電磁工作量統(tǒng)計(表3)。

表3 瞬變電磁工作量統(tǒng)計

2.3 技術措施

(1)對儀器工作狀況及測點周圍地形、地物、高壓線、村中的車輛及其他可能影響到資料解釋的因素進行詳細記錄。

(2)做好對瞬變電磁電壓衰減曲線的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)有干擾存在時，要采取增加疊加時間，增加觀測次數(shù)等措施。

(3)采用供電導線絕緣電阻>2 MΩ，內阻<5 Ω/km。

(4)敷設發(fā)射線框時，長度誤差不大于5%、方向誤差不大于1°，余線呈“S”形平行鋪于地面。

(5)采用專用過水電纜，經(jīng)過水盆過水浸泡檢測導線絕緣電阻>2 MΩ，才能使用。

(6)提前對高速公路沿線的過水涵洞、過路涵洞進行踏勘，充分利用這些通過高速公路的通道，保證放框的精度。

3 資料處理與解釋

3.1 數(shù)據(jù)處理步驟

瞬變電磁法觀測資料是各測點各個時窗(測道)的瞬變感應電壓，需換算成視電阻率、視深度等參數(shù)，以便對資料進行解釋。處理步驟主要分為4步[12-15]。

(1)將測量資料傳輸?shù)轿C，對實測數(shù)據(jù)進行計算、校核后繪制成V(t)/I多測道斷面圖，對勘探區(qū)內可能存在的構造、破碎帶、采空區(qū)進行初步解釋。

(2)對實測數(shù)據(jù)進行數(shù)值積分獲得Bz(磁場的垂直分量)，利用Bz進行全程視電阻率(ρs)的計算，利用全程視電阻率并結合礦層埋深及構造成果對各測點進行正、反演把“視電阻率—時間”關系變換為“電阻率—深度”模型，并繪制電阻率剖面圖。

(3)對區(qū)內礦層的埋深作礦層埋深視電阻率切片，對采空區(qū)進行進一步解釋。

(4)結合全區(qū)地質資料及繪制的各種圖件。

3.2 資料解釋推斷

物探資料的處理和解釋工作往往是同時進行的，存在一種從實踐到認識的提高過程。資料解釋是建立在數(shù)據(jù)處理后的各種剖面圖和平面圖的基礎上的。

3.2.1 視電阻率等值線剖面圖分析

通常，勘探區(qū)內測線的視電阻率等值線剖面圖上，地層的視電阻率等值線與地層延伸方向基本一致，當構造發(fā)育或者有其他低阻異常體存在時，視電阻率等值線在橫向與縱向上均會出現(xiàn)扭曲或梯度變化。地層存在地質異常體時，其視電阻率值也會表現(xiàn)出明顯的局部差異。完整寒武系地層為高阻反映，采空區(qū)積充水時相對圍巖為低阻反映，瞬變電磁正是利用這一電性差異來尋找同一地層中的異常地質體。

勘探區(qū)1000線視電阻率剖面如圖3所示。該測線位于勘探區(qū)的西部，測線呈南北向布設，點號100—1320。圖中橫坐標為測點點號，縱坐標為標高。黑色實線為二1煤層，剖面顏色的漸變，代表了視電阻率由低—中—較高—高的漸變過程。圖3中上部中高阻段+250 m標高以淺，為第四系地層及二疊系上部砂巖層的反映，標高+200～-100 m，視電阻率較低是二疊系下部砂泥巖層的反映；深部(-100 m標高以深)高阻段為下部相對較為石炭系、寒武系地層反映。當石炭、二疊系地層構造、裂隙發(fā)育和存在采空區(qū)充水時，視電阻率參數(shù)曲線的相應段均有局部低電阻體反映，在視電阻率剖面圖上，視電阻率等值線向下凹陷，或呈低阻封閉圈。

圖3 1000線視電阻率剖面

在點號340—520點號間，二1煤層附近視電阻率值呈現(xiàn)低阻圈閉現(xiàn)象，推測為二1煤層采空區(qū)積水異常反映。

3.2.2 視電阻率等值線平面圖分析

根據(jù)數(shù)據(jù)處理程序處理后獲得的測線剖面圖數(shù)據(jù)，調查地質資料、二1煤底板等高線，制作了勘探區(qū)順二1煤層視電阻率切片圖，據(jù)此對該區(qū)的二1煤層附近電性特征進行研究，以此分析勘探區(qū)內采空區(qū)異常區(qū)分布情況?？碧絽^(qū)順二1煤層視電阻率切片圖如圖4所示。

圖4 勘探區(qū)順二1煤層視電阻率切片

圖4中顏色的過渡表示電阻率由高到低的變化過程?？碧絽^(qū)順二1煤層視電阻率總體變化相對較大，全區(qū)零星分布有高阻區(qū)，低阻異常區(qū)主要分布于勘探區(qū)的東西兩部。

由圖3和圖4可知，在勘探區(qū)共劃分了各類電性異常17個，其中，一類電性異常3個，為可靠異常；二類電性異常10個，為較可靠異常；性質不明或干擾異常4個。

3.3 二1煤層電性與調查采空區(qū)對比

通過勘探區(qū)順二1煤層視電阻率切片圖與調查采空區(qū)分布對比，可以確定采空異常區(qū)的電性特征，采空區(qū)呈現(xiàn)低阻異常。根據(jù)勘探區(qū)順二1煤層電性分布特征，把其分為3個異常區(qū)段。

(1)異常區(qū)段1。位于勘探區(qū)的中部，其平面特征表現(xiàn)低阻，異常區(qū)分布范圍較大，剖面異常特征也明顯，與調查采空區(qū)位置及范圍吻合度較高。異常區(qū)段1位置如圖5(a)所示(虛線所圈部位)。

(2)異常區(qū)段2。位于勘探區(qū)的中部，其平面特征表現(xiàn)為低阻，異常區(qū)分布范圍較小，為相對低阻異常，剖面上異常有所反應，也呈現(xiàn)相對低阻異常，有采空區(qū)的特征反應，與調查采空區(qū)位置及范圍有一定的吻合度。異常區(qū)段2位置如圖5(b)所示(虛線所圈部位)。

(3)異常區(qū)段3。位于勘探區(qū)的西部和中部，其平面特征大部分表現(xiàn)低阻和局部高阻異常，與高壓線、種植大棚、村莊等相關。圖中沿1200線700點號向北延伸到勘探區(qū)以外，與勘探區(qū)的高壓線高度重合為高壓線的干擾所致；在其西側的小的低阻異常區(qū)，距某礦軌道下山底部水倉附近，可能為水倉所致；勘探區(qū)南部1600線和1640線的180—300點號的小低阻異常位于東白坪村南部，為村莊電器或金屬器物的干擾所致；勘探區(qū)北部1800線和1880線的860—1020點號的小高阻異常位于種植大棚區(qū)域，為種植大棚棚架為金屬管材，下部埋有金屬管線所致，異常區(qū)段三位置如圖5(c)所示(虛線所圈部位)。

圖5 異常區(qū)段位置

3.4 二1煤層采空異常區(qū)劃分

據(jù)勘探區(qū)順二1煤層視電阻率切片圖以及各測線視電阻率剖面圖的異常形態(tài)，結合調查采空區(qū)的形態(tài)，對勘探區(qū)的二1煤層采空區(qū)異常區(qū)進行推斷解釋。

根據(jù)各測線剖面圖、順二1煤層電性切片圖以及調查采空區(qū)的分布，劃分了勘探區(qū)采空異常區(qū)共15個，通過與調查采空區(qū)的對比，分成2類采空異常區(qū)，一類為可靠采空異常區(qū)，有電性異常存在，調查有采空區(qū)存在；一類為較可靠采空異常區(qū)，有電性異常存在，調查沒有采空區(qū)。本文解釋選取有代表性的采空區(qū)異常區(qū)進行解釋。1號—13號采空異常區(qū)為可靠采空區(qū)，為13個可靠采空區(qū)，選取1號和2號作為代表；14號—15號采空異常區(qū)為較可靠采空區(qū)，為2個較可靠采空區(qū)。

(1)1號采空異常區(qū)。1號采空異常區(qū)位于勘探區(qū)的西部邊界附近，由勘探區(qū)的1000線、1040線控制，與西部騰升煤礦采空區(qū)重合，在點號340—點號560，二1煤層附近視電阻率值呈現(xiàn)低阻圈閉現(xiàn)象，為二1煤層采空區(qū)積水異常反映，為可靠采空異常區(qū)。1040線視電阻率剖面如圖6(a)所示。圖6(a)中虛線所圈部位為可靠采空異常區(qū)。

圖6 視電阻率剖面

(2)2號采空異常區(qū)。2號采空異常區(qū)位于勘探區(qū)的西部邊界附近，由勘探區(qū)的1120線至1200線控制，在點號340—點號660，二1煤層附近視電阻率值呈現(xiàn)低阻圈閉現(xiàn)象，為二1煤層采空區(qū)積水異常反映，為可靠采空異常區(qū)。1120線視電阻率剖面如圖6(b)所示。圖6(b)中虛線所圈部位為可靠采空異常區(qū)。

(3)14號采空異常區(qū)14號采空異常區(qū)，位于勘探區(qū)的西部，由勘探區(qū)的1080線控制，在點號840—點號920，二1煤層附近視電阻率值呈現(xiàn)低阻扭曲現(xiàn)象，為二1煤層采空區(qū)積水異常反映，為較可靠采空異常區(qū)。1080線視電阻率剖面如圖6(c)所示。圖6(c)中虛線所圈部位為較可靠采空異常區(qū)。

(4)15號采空異常區(qū)，位于勘探區(qū)的西部，由勘探區(qū)的1040線控制，在點號940—點號1060，二1煤層附近視電阻率值呈現(xiàn)低阻扭曲現(xiàn)象，為二1煤層采空區(qū)積水異常反映，為較可靠采空異常區(qū)。1040線視電阻率剖面如圖6(d)所示。圖6(d)中虛線所圈部位為較可靠采空異常區(qū)。

綜上所示，研究區(qū)二1煤層采空異常區(qū)分布如圖7所示。

圖7 二1煤層采空異常區(qū)分布

4 現(xiàn)場實測

對某煤礦11071工作面、11091工作面、11071西工作面、軌道下山、12煤柱進風巷、7平巷、11平巷進行了核實測量，共計測量巷道3 412 m，煤厚點16個，同時在11042工作面施工鉆孔ck01進行鉆探驗證。對于井下無法到達的區(qū)域，本次核實采用瞬變電磁法勘探結合井下開采情況圈定其采空區(qū)范圍。由于物探的多解性，故本次核實通過井下實測及鉆探驗證的采空區(qū)為可靠采空區(qū)；瞬變電磁法勘探結合井下開采情況圈定的采空區(qū)為較可靠采空區(qū)。采空區(qū)可靠性分布如圖8所示。

圖8 采空區(qū)可靠性分布

5 結論

結合已知地質、地質調查采空區(qū)資料，對本次物探資料進行了綜合處理、分析、解釋，并進行現(xiàn)場實測，獲得的主要地質成果如下。

(1)通過綜合解釋，在勘探區(qū)共劃分了各類電性異常17個，其中，一類電性異常3個，為可靠異常；二類電性異常10個，為較可靠異常；性質不明或干擾異常4個。

(2)通過瞬變電磁對勘探區(qū)進行探測，在勘探區(qū)內劃分了2類采空異常區(qū)，一類為可靠采空異常區(qū)，共劃分了13個；一類為較可靠采空異常區(qū)，共劃分了2個，根據(jù)勘探區(qū)順二1煤層電性分布特征，把其分為3個異常區(qū)段。

(3)對某煤礦進行了核實測量，共計測量巷道為3 412 m，煤厚點16個，11042工作面施工鉆孔ck01進行鉆探驗證。依據(jù)井下實測及鉆探驗證的采空區(qū)為可靠采空區(qū)；瞬變電磁法勘探結合井下開采情況圈定的采空區(qū)為較可靠采空區(qū)，得到了采空區(qū)可靠性分布。