林建功，張 磊，肖 勇

（1.山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院，山西 大同037003，2.山西省煤炭地質(zhì)115勘查院，山西 大同 037003）

0 引 言

采空區(qū)積水給礦井安全生產(chǎn)造成隱患，因此，查明老采空區(qū)的位置、分布以及積水情況，降低煤礦水害發(fā)生的可能性。地球物理勘探技術(shù)利用煤層與采空區(qū)、巖層之間的巖石物性差異探測(cè)識(shí)別地下構(gòu)造體結(jié)構(gòu)、采空區(qū)分布及含水情況，是煤礦防治水工作中常用的勘探方法。但工區(qū)的干擾以及物探資料解釋的多解性，單一的探測(cè)方法往往難以取得理想的效果，造成探測(cè)精度不足，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定地質(zhì)狀況。因此多種物探手段相互結(jié)合，相互驗(yàn)證的綜合物探方法可以取得更好的效果。瞬變電磁法因其對(duì)低阻敏感性高，在煤礦井下水文地質(zhì)勘測(cè)方面應(yīng)用較好，常用于礦井水害防治；激電中梯法在金屬礦探測(cè)、地質(zhì)勘查中應(yīng)用較多，主要特點(diǎn)是效果明顯，特別是對(duì)于含硫化礦物的反應(yīng)，能很好的吻合地質(zhì)情況，提高勘探效率和勘探精確度。此次試驗(yàn)決定選擇此兩種物探方法，在已知采空區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析其最優(yōu)探測(cè)參數(shù)，先使用瞬變電磁法在采空區(qū)探測(cè)積水情況，再使用激電中梯法驗(yàn)證采空區(qū)積水狀況，最后綜合分析探究?jī)煞N方法在煤礦中對(duì)于采空區(qū)積水的勘探效果。

1 測(cè)區(qū)地質(zhì)概況

山西蘭花沁裕煤礦坐落于沁水煤田西南部邊沿地帶，獲批采掘2～15號(hào)煤層，井田總體面積為11.1214 km2，地形呈西北高東南低之勢(shì)，為一不規(guī)則多邊形，南北最寬約2.5 km，東西最長(zhǎng)達(dá)7.0 km，井田范圍內(nèi)無(wú)大的地表河流、水庫(kù)等，礦井充水大多由大氣降水和地下水組成。

井田內(nèi)含煤地層總厚130.44 m，共10層煤，煤層總厚度7.34 m，含煤系數(shù)5.63%。2號(hào)與15號(hào)兩煤層可采，可采煤層總厚度大約3.64 m，含煤系數(shù)2.79%。2號(hào)煤層處在山西組中部，煤層厚度0～2.40 m，平均為1.40 m，井田西部煤層穩(wěn)定，中部變薄，局部無(wú)煤，向東、向西煤層變厚，總體上向西有變厚的趨勢(shì)，井田中總體西部煤層較穩(wěn)定，賦存區(qū)大量可采，一般無(wú)夾矸，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，頂板主要巖體分布為泥巖、粉砂巖，底板大多為泥巖、砂質(zhì)泥巖。

該井田2號(hào)煤層已開(kāi)采多年，存在較大面積的采空區(qū)，其中有1個(gè)采空區(qū)存在積水。

2 探測(cè)方法

此次運(yùn)用瞬變電磁法與激電中梯法相結(jié)合的綜合物探方法進(jìn)行物探勘測(cè)。

物探勘查區(qū)域覆蓋井田中部，勘查區(qū)內(nèi)海拔最高處1 247 m，最低處1 005 m，高差242 m。設(shè)計(jì)勘查面積2.33 km2?？碧絽^(qū)地層整體近東西向之勢(shì)，為收集最佳地電信號(hào)，達(dá)到最佳效果，瞬變電磁測(cè)線(xiàn)偏南北向布置，共設(shè)計(jì)瞬變電磁測(cè)線(xiàn)46條，線(xiàn)距40 m，點(diǎn)距20 m。激電中梯法勘探線(xiàn)布設(shè)在瞬變電磁法分析推斷的采空積水異常區(qū)域及采空區(qū)上，用來(lái)驗(yàn)證瞬變電磁法的推斷，共布置3條測(cè)線(xiàn)。

3 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 瞬變電磁法參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

此次實(shí)驗(yàn)所選探測(cè)儀器為IGGETEM-30A瞬變電磁儀，數(shù)據(jù)采用重疊回線(xiàn)進(jìn)行采集，回線(xiàn)參數(shù)為20 m×20 m×5匝。在試驗(yàn)點(diǎn)上對(duì)增益、疊加次數(shù)、測(cè)量延時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1.1 增益對(duì)比的選擇

瞬變電磁探測(cè)增益能夠解釋為：與無(wú)向性的理想點(diǎn)比對(duì)，等倍放大輸入功率，在一定距離外的測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生理想的可測(cè)信號(hào)。因此選擇發(fā)射電流5.5 A，對(duì)增益為1、10進(jìn)行試驗(yàn)，采取從最大、最小兩端開(kāi)始逐漸逼近的方法，衰減曲線(xiàn)如圖1所示。分析圖1可知，增益為1時(shí)，衰減曲線(xiàn)晚期道有跳躍；增益為10時(shí)衰減曲線(xiàn)表現(xiàn)圓滑，因此選擇增益為10為數(shù)據(jù)采集參數(shù)。

圖1 增益1、1 0衰減曲線(xiàn)對(duì)比Fig.1 The comparison of gain No.1 and No.10 attenuation curves

3.1.2 疊加次數(shù)的選擇

在瞬變電磁法探測(cè)中，無(wú)線(xiàn)電或者高壓線(xiàn)的存在會(huì)對(duì)探測(cè)信號(hào)造成不同程度的干擾，為提高采集數(shù)據(jù)的信噪比，可通過(guò)增加疊加次數(shù)的方式抑制游離的干擾信號(hào)。為確定壓制隨機(jī)電磁干擾的最少疊加次數(shù)，采用上述實(shí)驗(yàn)所得參數(shù)，同時(shí)根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)選取128、256、512次進(jìn)行疊加次數(shù)試驗(yàn)，如圖2所示?？煽吹蒋B加次數(shù)為128和256次曲線(xiàn)有曲折，而512次疊加對(duì)干擾信號(hào)抑制效果顯著。

圖2 疊加次數(shù)為1 28、256、51 2次衰減曲線(xiàn)對(duì)比Fig.2 The comparison of attenuation curves for superposition times of 128,256 and 512

3.1.3 延遲時(shí)間的選擇

延時(shí)和探測(cè)地層深度相關(guān)，低延時(shí)雖然能增加對(duì)較淺地層的探測(cè)能力，但影響深部地層信息的探測(cè)能力；相反，高延遲會(huì)提高對(duì)深部地層的探測(cè)準(zhǔn)確性，但是會(huì)對(duì)淺部地層的探測(cè)造成一定誤差。因此探測(cè)精度與合適的接收延時(shí)密切相關(guān)。通過(guò)在發(fā)射電流5.5 A、疊加次數(shù)512次、增益10的條件下進(jìn)行接收延遲0、50μs、120μs的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，0及50μs兩種延遲時(shí)間的早期數(shù)據(jù)存在溢出或畸變現(xiàn)象，120μs延遲時(shí)間數(shù)據(jù)平滑且規(guī)律，因此選用延遲時(shí)間120μs。

圖3 采樣延遲0、50μs、1 20μs衰減曲線(xiàn)對(duì)比Fig.3 The comparison of attenuation curves for sampling delay of 0μs,50μs and 120μs

3.2 激電中梯法參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

激電中梯法選用多功能直流電法（激電）儀，型號(hào)為DZD-6A。為選擇合適參數(shù)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了AB線(xiàn)對(duì)比試驗(yàn)及供電時(shí)間與供電電流選擇對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

3.2.1 供電極距的選取

供電極距長(zhǎng)度受信號(hào)大小的限制不宜過(guò)大，一般在1 200～1 800 m，在觀測(cè)信號(hào)能保證精度要求下，設(shè)置接收電極MN距離為40 m，在勘探區(qū)進(jìn)行1 200 m、1 500 m供電極距對(duì)比試驗(yàn)，如圖4所示。2條曲線(xiàn)從800～1 080 m處均呈現(xiàn)了低視電阻率和高視極化率的特征，分析認(rèn)為此處符合采空積水的特征，精度較高且平穩(wěn)性好、異常反應(yīng)穩(wěn)定且規(guī)律，因此選用AB=1 200 m的極距。

圖4 供電極距分別為1 200、1 500 m電阻率曲線(xiàn)Fig.4 The resistivity curves of the power supply polar distances of 1 200 m and 1500 m

3.2.2 供電時(shí)間的選取

采用1 200 m極距，激電工作的供電時(shí)間試驗(yàn)選擇4、8、12 s做對(duì)比，如圖5所示。發(fā)現(xiàn)供電時(shí)間為8 s時(shí)，所測(cè)激電異常值能達(dá)到飽和值的90%左右，可以滿(mǎn)足激電中梯法探測(cè)異常區(qū)的需求，因此供電時(shí)間選擇8 s。

圖5 不同供電時(shí)間剖面圖Fig.5 The profiles of different power supply time

3.2.3 供電電流的選取

采用所選定的極距、供電時(shí)間在異常點(diǎn)上選擇幾組由小到大的電流進(jìn)行觀測(cè)，如圖6所示。經(jīng)比對(duì)，2 A和3 A的供電電流，曲線(xiàn)區(qū)別不大，因此供電電流選取2 A。

圖6 不同供電電流剖面圖Fig.6 The profiles of different power supply currents

3.3 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)成果

對(duì)瞬變電磁法增益、疊加次數(shù)、接收延遲時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，確定最終參數(shù)為：時(shí)基40 ms、增益10、采樣道46道、接收延時(shí)120μs、疊加次數(shù)512次、發(fā)射電流5.5A。

根據(jù)激電中梯法參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，施工參數(shù)最終確定為：供電極距AB=1 200 m，點(diǎn)距MN=20 m，供電時(shí)間8 s，供電電流2 A。

4 物探成果分析

4.1 瞬變電磁法分析

瞬變電磁多測(cè)道曲線(xiàn)用來(lái)描述二次感應(yīng)電壓不同延時(shí)沿測(cè)點(diǎn)的變化，電阻率變化較小時(shí)圖像變化均勻且平緩，有小概率存在電性異常體（含水地質(zhì)體）。平面上，各測(cè)線(xiàn)感應(yīng)電壓多測(cè)道曲線(xiàn)是瞬變電磁資料的主要依據(jù)之一，二次感應(yīng)電壓中間高兩側(cè)低可解釋含水異常體特征，富水性越強(qiáng)，變化幅度越大。740線(xiàn)多測(cè)道曲線(xiàn)如圖7所示。圖7中，560～640 m、780～860 m和1 150 m處感應(yīng)電壓比周?chē)鷾y(cè)點(diǎn)高，推斷可能是含水異常區(qū)。

圖7 740線(xiàn)多測(cè)道曲線(xiàn)Fig.7 The multi-trace curve of No.740 line

視電阻率擬斷面圖可解釋勘測(cè)區(qū)內(nèi)存在的地質(zhì)異常情況，是瞬變電磁數(shù)據(jù)的重要圖件資料，可判斷含水異常體。740線(xiàn)視電阻率斷面圖如圖8所示。縱坐標(biāo)為深度，橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)?？v向分析表明，視電阻率值按顏色深淺表現(xiàn)不同電性特征，反映不同地層的電性變化。從橫向上看，2號(hào)煤層附近的視電阻率等值線(xiàn)總體平直，表明所測(cè)區(qū)域地層構(gòu)造及基底形態(tài)。在620 m、760～860 m處電阻率呈低阻或劇烈變化態(tài)勢(shì)，分析是由含水異常引起的；1 150 m處為F2斷層。

圖8 740線(xiàn)視電阻率擬斷面圖Fig.8 The apparent resistivity section diagram of No.740 line

順層電阻率圖也常常被用來(lái)分析瞬變電磁法。在順層電阻率平面圖中，它不僅可以顯示含水異常的整體輪廓，而且配合多測(cè)道曲線(xiàn)和視電阻率擬斷面圖可以進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確的含水異常解釋?zhuān)话阍陔娮杪矢凰苑治鰣D中含水異常顯示為較低數(shù)值。

2號(hào)煤層順層電阻率情況如圖9所示。根據(jù)地質(zhì)資料并結(jié)合視電阻率擬斷面圖的整體數(shù)據(jù)與走勢(shì)綜合分析，對(duì)于低于10Ω·m的低阻區(qū)域，推斷出疑似采空積水異常區(qū)8處，分別編號(hào)YC1～YC8。

圖9 2號(hào)煤層順層電阻率平面圖Fig.9 The plane of No.2 coal seam bedding resistivity

4.2 激電中梯法與瞬變電磁法對(duì)比分析

對(duì)瞬變電磁法分析推斷出的疑似采空積水區(qū)和已測(cè)得的采空區(qū)，運(yùn)用激電中梯法探測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。選取橫跨勘查區(qū)內(nèi)可疑采空積水區(qū)YC2的1060測(cè)線(xiàn)進(jìn)行典型對(duì)比分析。已有資料得知，2號(hào)煤層底板標(biāo)高950—970 m，采空范圍380～1 280 m樁號(hào)。1060線(xiàn)物探成果如圖10所示。

1060線(xiàn)視電阻率擬斷面圖（圖10a）可以看出，整個(gè)剖面電阻率值為15～105Ω·m，在測(cè)點(diǎn)480～1 240煤層上覆巖層電阻率畸變明顯，符合采空區(qū)特征，與已知采空區(qū)資料顯示一致；在測(cè)點(diǎn)820～900電阻率明顯較低，為可疑采空積水區(qū)YC2。

在上述測(cè)線(xiàn)布置激電中梯法進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)視極化率、視電阻率剖面圖（圖10b）可知，在840～900范圍在采空區(qū)內(nèi)，電阻率相對(duì)較低、極化率較高，與瞬變電磁探測(cè)結(jié)果異常特征一致，判斷840～900范圍為采空區(qū)積水段。

圖1 0 1 060線(xiàn)物探成果圖Fig.10 Geophysical exploration results of No.1060 line

經(jīng)上述方法，通過(guò)在所測(cè)異常區(qū)處打鉆驗(yàn)證，均有水涌出，可知2種物探方法結(jié)合的探測(cè)結(jié)果可信度較高，8處推斷異常區(qū)域均可定性為采空積水區(qū)。綜合對(duì)比可知勘查區(qū)內(nèi)2號(hào)煤層底板標(biāo)高890—990 m，2號(hào)煤層在勘查區(qū)中部有較大范圍采空。

5 結(jié) 論

運(yùn)用瞬變電磁法及激電中梯法兩種物探方法對(duì)已知采空區(qū)進(jìn)行地面物探參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)、綜合物探效果分析，總結(jié)了試驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、分析，并與地質(zhì)資料的對(duì)比，得出結(jié)論如下。

（1）對(duì)瞬變電磁法及激電中梯法探測(cè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定瞬變電磁法儀器參數(shù)為時(shí)基40 ms，采樣道46道，關(guān)斷時(shí)間120μs，疊加次數(shù)512次，發(fā)射電流5.5A；激電中梯法供電極距1 200 m，供電時(shí)間8 s，供電電流至少2 A。將優(yōu)化后參數(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)，表明在沁水煤田2號(hào)煤層探測(cè)效果較好，為以后該地區(qū)探測(cè)提供理論依據(jù)。

（2）地面物探采用瞬變電磁法探測(cè)，確定可疑采空積水區(qū)8處，在此基礎(chǔ)上采用激電中梯法進(jìn)行驗(yàn)證，將8處可疑區(qū)域定性為采空區(qū)積水，經(jīng)打鉆驗(yàn)證有水涌出，表明兩種物探方法結(jié)合應(yīng)用效果較好，結(jié)果可信度較高。