武盼盼

（山西汾西正升煤业有限责任公司，山西 汾阳 032200）

2013年9月28日，正升煤矿东翼回风巷发生透水事故，造成重大财产损失和人员伤亡，矿井现处于被淹井停产状态。近日正升煤矿准备恢复生产，首要任务是查明首采区采空区积水情况。

针对采空区及采空积水区的探测，国内外不少同行采用不同的技术手段进行了大量的工作和研究，取得了一定的效果。但由于采空区自身的特殊性和地球物理方法的局限性、多解性，目前对采空区及采空积水区的精确探测还存在一定差距。笔者认为在正升煤业91采区研究综合电法勘探探测采空积水区的技术应用是很有必要的。

1 瞬变电磁法及激发极化法的工作原理

1.1 瞬变电磁法工作原理及优缺点

（1）瞬变电磁的工作原理

本次综合电法勘探使用的瞬变电磁装置是大定源内回线装置，其工作原理是在地表铺设不接地发射线框，然后输入脉冲电流，当回线中电流突然断开时，在下部空间就要激励起感应涡流，以维持断开电流前已存在的磁场，并且此涡流场随时间以等效涡流环的形式向下传播、向外扩展，利用地面中心接收探头在发射线框中心三分之一处观测此二次涡流磁场的变化情况，用以研究目标层的地电结构，本方法是在没有一次场背景的情况下观测纯二次场异常变化，因而异常变化更直接，探测效果明显。

（2）瞬变电磁法优缺点

瞬变电磁法具有以下优点:

① 适宜于各种地理环境下的野外工作；

② 工作效率高；

③ 施工成本相对较低；

④ 可采用不同的装置与探测目标达到最佳耦合，取得异常响应强，可以相应地提高横向、纵向分辨能力。

缺点：受高压线、建筑物等人文干扰严重，存在低阻屏蔽、盲区和多解性。

1.2 激发极化法工作原理及优缺点

（1）激发极化工作原理

在向地下供入稳定电流时，测量电极间的电位差随时间而变大并经过一段（一般约几分钟）时间后趋于某一饱和值（充电过程）；在断开供电电流后，测量电极间的电位差在最初一瞬间很快下降而后随时间相对缓慢地下降，并经过一段（一般约几分钟）时间后衰减接近于零（放电过程）。这种在充电和放电过程中产生随时间缓慢变化的附加电场现象，称为激电效应（激发极化效应）。

激发极化法是以地壳中不同岩、矿石的激电效应差异为物质基础，通过观测与研究人工建立的直流（时间域）激电场的分布规律进行找矿和解决地质问题的一组电法勘探分支方法。

（2）激发极化法优缺点

优点：

① 用长脉冲供电时间可获得较小的激电异常，即使在极化效应较小情况下测量，也可能发现较小的地质异常目标；

② 在断电后，观测和研究激电二次场的变化，异常更加明显；

③ 可以在较长的时间内观测和研究激电异常场的变化，有可能在更广阔的时间域内，揭示激电异常源的性质；

④ 分辨率高，纵向分层好，不仅可以提供电阻率参数，而且还可以提供极化率、半衰时等参数，可以通过不同极化率区分低阻岩体和采空区积水；

缺点：对接地条件要求较高，受地形影响较大，施工效率较低，成本较高。

2 应用实例

正升煤业有限公司井田位于晋中市新裂陷西部，吕梁山东麓的黄土丘陵地带，为黄土高原地貌；井田内大部为黄土所覆盖，沟谷内存在零星基岩出露。井田内地形复杂，沟壑纵横；地势总体为西高东低，最高点位于井田西部梁上，标高+1101m，最低点位于矿井东南部边界处，标高+855m，最大相对高差246m左右。

本矿井2、3、4号煤层埋藏浅，小煤窑开采现象普遍。据2010年调查统计，矿井西部有40多处以往私开小窑。这些小窑在矿井西部2、3、4号煤层造成大面积的破坏区。经调查整个矿井内大小井筒共计51个，对矿井安全生产威胁很大。

为查明91采区采空区及采空积水区分布情况，应用瞬变电磁法和激发极化法进行了综合电法勘探。技术思路为：利用施工效率高、成本较低的瞬变电磁法进行全区控制，针对瞬变电磁法探测成果，应用激发极化法进行补充勘探验证，利用激发极化法的极化率判断低阻异常区是否为采空区积水。两种物探方法相互验证综合解释可提高勘探的精度。

2.1 瞬变电磁勘探资料解释

（1）瞬变电磁测线解释

瞬变电磁采用了大定源内回线装置，图1为S27线9号点～S83.5线9号点瞬变电磁法视电阻率断面图，从图中可以看出浅部高阻区域为第四系底部砂砾石的电性反应，中上部电阻率值相对较低，视电阻率等值线呈封闭半封闭状，为煤系地层泥岩、砂质泥岩、砂岩及煤层的电性反应，下部高阻区域为奥陶系灰岩的电性反应，与实际地层的电性反应基本一致。

根据已掌握资料，2、3、4号煤层基本全部采空，S27线9号点～S37线9号点和S64线9号点～S69线9号点为2、3、4号煤层采空积水区。9+10+11号煤层S62线9号点～S71线9号点为已知采空区，且采空区内存在大量积水。

图1中2、3、4号煤层S30.5线～S36线和S65线～S71.5线视电阻率等值线下凹呈明显低阻反应，且与已知积水区域基本一致，因此分析S30.5线～S36线和S65线～S71.5线为2+3+4号煤层积水异常区（见图中网格填充区域），据此分析S61线～S83线也为2+3+4号煤层积水异常区（见图中网格填充区域）。图1中9+10+11号煤层S65.5线～S71.5线视电阻率等值线下凹呈明显低阻反应，且与已知积水区域基本一致，因此分析S65.5线～S71.5线为9+10+11号煤层积水异常区（见图中点状填充区域），据此分析S61线～S83线也为9+10+11号煤层积水异常区（见图中点状填充区域）。综上所述，瞬变电磁法对地层和采空区及采空区积水反应明显。

图1 S27线9号点～S83.5线9号点瞬变电磁法视电阻率断面图

（2）瞬变电磁平面图解释

从图2中可以看出，全区瞬变电磁资料处理解释结果表明，低阻区主要分布在测区的东部和东南部，成面积分布，另外还有零星分布的低阻异常区。根据已知资料本区积水主要分布在测区的东南部，与瞬变电磁探测的结果基本一致。

图2 瞬变电磁解释视电阻率断面图

图3 激发极化法视电阻率和极化率断面图

2.2 激发极化法勘探资料解释

为验证瞬变电磁的解释成果，我们在测区东南部进行了激发极化法补充探测，以进一步验证采空区积水的可靠性。

（1）激发极化法测线解释

图3为激发极化法视电阻率和极化率断面图，从激发极化法视电阻率断面图中可以看出上部浅灰色区域电阻率值相对较低，视电阻率等值线呈封闭半封闭状，为煤系地层泥岩、砂质泥岩、砂岩及煤层的电性反应，下部深灰色高阻区域为奥陶系灰岩的电性反应，与瞬变电磁、实际地层的电性反应基本一致。

视电阻率在2、3、4和9+10+11号煤层，从840号点以后明显变小，而极化率明显升高。电阻率较小、极化率相对较高，正是采空区积水的电性反应，并与瞬变电磁解释的积水异常区及实际掌握的资料基本吻合。

图4 激发极化法视电阻率平面图

（2）激发极化法平面解释

为了更准确解释采空区积水的范围，利用激发极化法抽取了平面图，图4为激发极化法视电阻率平面图，从图中可以看出视电阻率整体呈低阻反应，只有J30延长线小号点为高阻反应，与瞬变电磁解释的低阻区域基本重合，且与已知的资料也是基本一致。

3 结论

在综合电法解释积水区内布置了三个钻孔，对综合电法勘探解释成果进行了验证，并测量了主立井、副立井和风井的水位。经实测本区的积水标高为790m，结合煤层底板等高线分析，煤层低于790m区域主要分布在测区的东南部；主井、副井和风井实际积水情况证明采空区积水区主要分布在测区的东南部，与综合电法勘探的成果基本一致。综上所述，应用瞬变电磁法和激发极化法综合电法勘探探测正升煤矿91采区采空区及积水区效果明显，可以在井田其他采区推广应用。