瞬变电磁法在煤矿采空区勘察中的应用效果分析

殷保全

（新疆维吾尔自治区有色地质勘查局地球物理探矿队 乌鲁木齐 830011）

0 引言

瞬变电磁法（TEM）是一种时间域电磁感应方法，主要优点是装置轻便、受旁侧影响小、信噪比高、分辨力强、探测深度大，探测速度快、受地形影响小等特点已经被广泛用于金属矿勘探、采空区探测以及油气田、地热、煤田地下水勘查、工程勘察、环境灾害地质调查及考古等诸多领域。

1 矿区地质特征

井田大部分区域出露侏罗系中统西山窑组（J2x）沉积岩地层及少量煤层，其余为第四系全新统残坡积层（Q4edl）和洪冲积层（Q4pal）覆盖区。煤层赋存于侏罗系中统西山窑组地层中，岩性主要为一套从河流相过渡到三角洲相的沉积岩，由灰色、灰黄色、灰褐色、深灰色、灰绿色厚层状-块状的砾岩、砂砾岩、砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩和煤层组成。

井田内现有煤矿主斜井、风井、老窑均已关闭，矿区无常年性地表水体及河流。另外，侏罗系为湖沼相及河湖相沉积，地下水的径流以顺层运移为主。矿区东部各煤层普遍火烧，岩石碎裂，发育极密集裂隙，十分利于降水的入渗并成为地下水的赋存场所及顺畅的运移通道，成为井田煤系地层地下水运移通道和赋存的场所。

水文地质调查认为，井田内地层为弱含水层，大部分矿井开采水平均在地下水位以上，故矿井无水。此外，开采老窑的采空区陷落，部分直达地表，降水及局部地表汇水可直接灌入，形成采空区积水。总体来看，这些井口均为木支护，其余裸巷，涌水量均不大，给瞬变电磁测深工作提供了较好的工作环境。

2 煤矿采空区地球物理特征

矿区内煤层与其它岩层相比，具有高电阻率特征，与其它岩层在电阻率方面存在着明显的差异（见表1）。煤层赋存于成层分布的煤系地层中，煤层被开采后形成采空区，破坏了原有的应力平衡状态。当开采面积较小时，采空区以充水或不充水的空洞形式保存下来；但多数采空区在重力和地层应力作用下，顶板塌落，形成冒落带、裂隙带和塌陷带（见图1）。

表1 矿区煤层及岩石物性统计表

图1 采空区地质模型

这些地质因素的变化，使得采空区及基上部地层的地球物理特征发生了显著变化。煤层采空区冒落带在电性上表现为高阻异常；煤层采空区裂隙带与完整地层相比，岩性未发生明显变化，但裂隙带内岩石的裂隙发育，导电性变差，岩石电阻率明显变大。

据调查统计，工作区矿井无水，采空区及密集采掘巷道的二次涡流场衰减较快，归一化二次电位相对较低，在拟视电阻率断面图上表现为层状“高阻异常”。火烧区裂隙发育，未充水烧变岩比正常岩石的视电阻率一般高出一倍左右，显示为高阻异常特征。在充水条件下，比其围岩的视电阻率低一倍左右。正常沉积地层则为中低电阻率异常特征。由此可见，采空区的视电阻率明显区别于未采空区的视电阻率，瞬变电磁法探测采空区存在地球物理前提。

3 TEM装置参数及工作方法

TEM测量使用GDP32多功能电法工作站，采用中心回线装置，记录点重合于测点，保证体积效应减至最小。观测探头在发射线框中心区域的均匀场。

在煤矿区的塌陷区，布置1350线垂直穿过采空塌陷区，通过试验确定的最佳野外数据采集参数如下：①供电电流：7.5安培；②接收天线磁矩：10000m2；③关断延迟时间：120μs；④叠加次数：512次；⑤发射线框：100m×100m；⑥频率：32Hz；⑦观测参数：Z分量，观测道数为25。

图2 1350线瞬变电磁测深断面及地质综合图

在1.6千米×1.4千米的范围内采用面积性测量方法，按200米×40～20米网度布设测线8条，TEM野外采集的数据首先进行剔除干扰点和感应电动势归一化的预处理。然后进行二维反演生成真电阻率数据，数据经过一系列的处理、校正、计算、分析与解释才能成为地质成果。在获得断面成果的基础上，抽取不同深度的断面数据，形成多个等深度平面图，形象直观的反映了区内采空区的分布特征及延深情况。

4 瞬变电磁测深效果分析

在南北向1350剖面上（见图2），南端4060点～4420点地表可见一定规模的采空区在地表形成的较大范围塌陷区，垂直下沉数十厘米至几十厘米不等，水平位移也较大，具有明显的标志。实测视电阻率断面和反演电阻率断面均显示厚达140米以上的高阻异常层特征，在4300点向下错断。而反演电阻率断面图中的高阻层反映的采空塌陷区形态及深度与地质图显示的采空区标高吻合很好。而较为稀疏的采煤巷道及浅部小规模塌陷区则显示为小规模椭圆状、直立状的高阻异常畸变，在平缓的中低阻砂岩背景中具有比较明显的特征显示。

另外，南部火烧区范围及深度加大，砂岩地层及煤层经过高温烧变，水分蒸发，黏土固结或形成煤层空洞，因此导致电阻率的增加。通过这些断面，辅助磁异常划分的高磁异常带，即可有效推测出火烧区的延深特征。

1350线4380点及其两侧出现直立的高阻脉，是由于ZKJ103钻孔引起，深部属于干扰异常，特征明显，可以有效识别。

图3 采空区推断解释

5 工程验证结果

区内其他各测线对采空区的反映与1350测线基本相同，根据各测线高阻异常层确定了采空区范围和延深（图3）。1350线自南端1450米标高为采空区底界，与上四水平采煤平巷吻合；向北逐渐加深，至剖面北端，采空区底界水平标高为1350米，与上七水平平巷回风井槽一致。探测结果与ZKJ103钻孔揭露及煤矿提供的采掘情况进行对比表明，对采空区的定性及位置确定可靠、勘探效果良好。

6 结束语

综上所述，实测电阻率在反映采空区位置上比较准确，反演电阻率在定量计算采空区延深厚度方面更为准确。通过实例和其他剖面采空区探测证明，采用瞬变电磁法探测采空区及火烧区效果良好，而且把矿山的老窑、坑道大小及采空区发展方向也表现出来了，对煤矿防治水乃至煤矿安全生产与工程建设具有特别重要的意义。另外，该法在寻找和确定高阻地层（火烧区边界划分、采空区、各水平采煤平巷等）空间状态上也给出了较好的地质效果。