综合电法勘探在山西东南部煤田采空积水区中的应用

温建亮，张胤彬

（山西省煤炭地质物探测绘院，山西晋中 030600）

综合电法勘探在山西东南部煤田采空积水区中的应用

温建亮，张胤彬

（山西省煤炭地质物探测绘院，山西晋中 030600）

以山西东南部某大型煤矿为例，采用瞬变电磁和直流电法对该矿采空积水区进行探查，通过对已知采空区视电阻率特征的分析，确定了该区二种方法的解释原则，及高低阻异常的阈值。并以采区100线对数据资料进行对比分析，以验证二种勘探方法的解释结果的一致性。依据测区瞬变电磁三维数据体切出的3煤视电阻率平面图，圈定了3煤采空积水区的范围。经钻孔验证，D异常区为3煤采空积水区。

煤田采空积水区；瞬变电磁法；直流电法；综合勘探

0 引言

随着国民经济的发展，煤炭行业在过去的几十年得到了飞速发展。随之而来的是由煤矿开采引发的煤矿安全问题和煤矿地质灾害问题。目前煤田地质灾害主要是由煤田采空（积水）区和塌陷区引起的。煤田采空积水区的探查是一个复杂的问题，当前主要通过地球物理勘探来探查采空积水区的位置和影响范围。

晋东南某煤矿是该区较大的煤矿，多年的开采及周边小窑的偷采盗采使其矿区范围内存在多个采空区。为探明某采区内采空（积水）区的分布，受矿方委托对该采区进行地球物理勘查。

1 采空区地质概况

工区位于晋东南太行山南麓以西，沁水盆地南缘。地貌形态属剥蚀、侵蚀山地，以低中山—丘陵为主，沟谷发育，地形较为破碎。井田主要煤系为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，平均厚136.02 m。井田煤系共含煤15层，其中3、15号为全区可采煤层，9号为大部可采煤层，其余为不可采煤层，其中主要目的层3号煤层埋深46.68～544.656 m，煤层由东南向西北倾斜。勘探区位于井田东区南部，较复杂的地形给测线布设带来相当大的困难，而且给地形校正增加了难度。

本测区地层由第四系、二叠系、石炭系及奥陶系组成。测区内各地层存在明显的电性差异，地层横向沉积相对稳定，电性差异应较小。但同一地层随富水程度不同，若存在采空区，则其电性将会存在较大差异，电阻率发生较大变化。这一电性特征是电法勘测地质异常体的前提。

针对采空积水区的电性特征，本次采用瞬变电磁法和直流电法进行勘探。

2 瞬变电磁法

基于测区的地质与地球物理特征，针对本次勘探的地质任务，瞬变电磁法测网密度采用20 m×20 m。

根据地质任务，本次瞬变电磁法所使用的瞬变电磁施工装置为中心回线装置，作业仪器为美国Zonge公司生产的GDP-32II型电法工作站。经施工前试验，确定主要施工参数如下：

发射线框边长，600m×600m；

发射基频，8Hz；

发射电流，18A；

采样延时，280μs。

为了获得更好的处理效果，首先，结合野外填写的班报对原始数据进行整理，对明显非地质体引起的异常个点进行校正和剔除、对数据进行滤波处理。

然后，将整理后的电磁数据（V（t）-t），按照瞬变电磁中心回线装置晚期视电阻率定义公式（1）进行处理，并结合搜集的地质资料、测点高程对视深度进行校正，形成以点、线号、标高、视电阻率组成的基本成图文件和三维数据体。

式中：μ0——真空中的磁导率；

s——接收线圈的面积；

S——发射线圈的等效面积；

n——接收线圈的匝数；

N——发射线圈的匝数；

t——二次场衰减时间；

V/I——接收到的归一化的感应电压。

最后，利用成图软件绘制视电阻率断面图和主要目的层的视电阻率顺层切片图。

考虑到电法勘探成图所用的“电阻率”为视电阻率，是地下介质的综合反映，并非真实的电阻率。因此所计算出来的视电阻率实际受测区地质状况、仪器设备以及勘探方法的综合影响，是一定条件下的相对值。为对勘探区的瞬变电磁成果进行解释，需要在本区内已知采空积水区进行前期同等条件的试验，通过已知采空区视电阻率断面图的反应与实际地质体赋存状况的对比，来确定本区异常的阈值，以此作为瞬变电磁法异常解释的参考。

资料解释中遵循由已知到未知、从点到面、从简单到复杂的原则，坚持定性分析—定量计算反复进行的过程，将电性成果转化为地质成果。

图1为勘探区内某已知采空积水区的视电阻率断面图，根据矿方提供的资料，在2680～3 180点处为三号煤层的采空积水区，视电阻率断面图中，点2680～3280区，700 m深的地方存在明显低阻区，与实际3号煤层采空积水区基本相符。根据视电阻率断面图低阻区域与实际采空积水区的对比，确定本区采空积水区的视电阻率阈值为35～45 Ω·m。

图1 已知采空区瞬变电磁视电阻率断面图Figure 1 Known gob area TEM apparent resistivity section

图2为瞬变电磁100测线视电阻率断面图，受关断时间和延时的影响图中在表层存在约120 m的勘探盲区。以视电阻率35～45 Ω·m为界，图中标高580～760 m处、点1080-点1460所圈定的区域有明显低阻异常，结合矿方资料，该低阻异常位于3号煤层底板等高线上方，推断可能为3号煤层采空积水区产生的低阻异常。

图2 瞬变电磁100线视电阻率断面图Figure 2 TEM line No.100 apparent resistivity section

3 直流电法的应用

瞬变电磁法基本上圈定了低阻异常区的范围，为消除电磁矿区内工频电磁干扰，并对采空积水区的深度进行校验，应矿方要求对部分显示低阻的测线进行直流电法补充勘探。所用装置为对称四级装置。直流电法测线布置线与瞬变电磁测线重合。

根据瞬变电磁异常成果及直流电测深施工试验，本区采用的直流电测深施工参数如下：

施工装置，对称四极；

供电电压，96～960 V；

供电周期，15 s；

最大供电极距，2000 m；

最大接收极距，200 m。

图3为直流电法100线视电阻率断面图。受地形影响，地表高程较高的区域，视电阻率显示为低阻假异常。在标高580～760 m处、点1060～1460所圈定的区域有明显低阻异常，与瞬变电磁法所显示的横向区域基本一致。

图3 直流电法100线视电阻率断面图Figure 3 DC electric method line No.100 apparent resistivity section

将整个测区校正后单条测线数据进行整合得到全测区瞬变电磁三维数据体，根据地质任务要求，可以切出任意方向或埋深的瞬变电磁视电阻率平面图。图4为3号煤层瞬变电磁拟视电阻率等值线平面图。图中分别划分出了标号为A、B、C、D、E、F、G 7块主要低阻异常区，推测可能为采空积水区。

3.4 钻孔验证

应矿方要求对3号煤层异常区域D区进行钻孔验证，，在深度为322～328.26 m出现掉钻现象，同时钻井液全部漏失，并能听到井内流水声，视为3号煤采空区。并提取了底板岩样和相应层位的水样，进行了水质全分析。依据采空区积水水质类型特征，以及本矿已知的3煤采空积水水质分析报告，进行了相关参数对比分析，本次水样的pH值为7.95，符合本矿3号煤采空区积水的水质特征，因此推断本次打钻提取的水样应为3煤采空区积水。

图4 采区3号煤层瞬变电磁视电阻率平面图Figure 4 Winning district coal No.3 TEM apparent resistivity plan

4 结论

（1）煤田采空区往往伴随着坑道或围岩富水区的水体回灌，使得煤田采空在地球物理上表现为低阻异常特征。电法勘探是基于地下介质的电性特征开展的地球物理勘探方法，通过在本测区煤田展开的电法勘探表明，瞬变电磁法和直流电法能较为有效地识别采空积水区引起的低阻异常，从而推断地下采空区的分布情况。

（2）瞬变电磁法对低阻反应敏感，受地形影响小，方法简便便于施工，但在浅部存在勘探盲区，导致无法对浅部第四系介质的分布进行有效勘探。通常在断面图上为白化盲区。

（3）直流电法可以对瞬变电磁法进行有效的补充，该方法受工频干扰较小，其不存在勘探盲区。

（4）单种地球物理勘探方法有自身技术的局限性，瞬变电磁与直流电法的相互补充有利于发挥各自方法的优势，从而提高解释精度。

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Application of Integrated Electric Prospecting on Gob Ponding Area in Southeastern Shanxi Province

Wen Jianliang,Zhang Yinbin
(Shanxi Provincial Coal Geological Exploration,Geophysical Prospecting,Surveying and Mapping Institute,Jinzhong,Shanxi 030600)

In a case study of a large coalmine in southeastern Shanxi,the TEM and DC electric method have been used to detect gob ponding area.Through known gob area apparent resistivity features analysis,has determined interpretation principle of the two methods,as well as high and low resistivity anomalous thresholds.Taking the data of line No.100 in winning district carried out comparative analysis,to verify interpretation results consistency from the two methods.According to prospecting area TEM 3D data volume sliced coal No.3 apparent resistivity plan,delineated coal No.3 gob ponding extent.After drilling verification has determined the anomalous region D is coal No.3 gob ponding area.

coalfield gob ponding area;TEM;DC electric method;integrated prospecting

P631.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.02.16

1674-1803(2017)02-0073-03

温建亮（1978—），男，山西大同人，工程师，主要从事地球物理勘探与煤田地质灾害探查。

2016-12-13

责任编辑：孙常长