王 栋

(霍州煤电集团晋北能化晋北煤业有限公司, 山西 忻州 053100)

1 前言

原牛泥煤矿为地方县管煤矿，采煤管理存在很多不规范的地方，兼并重组后改名为山浪煤矿，之前采空区形成的采空区十分复杂，且没有完整的历史资料供升级改造工作借鉴，需在矿区进行综合物理探测，查明矿井地下采空区范围，为采空区初步设计后续治理提供真实、完整的基础数据[1-2]。

晋北煤业公司为了进行升级改造，综合使用瞬变电磁法和大地电场岩性探测等地球物理法对矿区进行综合勘探[3-4]。本文着重分析瞬变电磁法在山浪煤矿采空区探测中的应用。总计探明矿井采空区物理测线38条，测量点3 018个，瞬变电磁探测点3 018个。探明矿区采空区分布和积水情况，并为后续治理工作提供翔实数据依据，可以为类似矿区探测提供经验借鉴。

2 山浪煤矿地质概况

山浪煤矿矿区位于东碾河南岸,位于宁武煤田南部汾河流域。就矿区而言，无地表水体，发育有大小沟谷，平时干枯无水，仅雨季时有间歇性流水，并汇入东碾河再向西流入汾河。晋北井田内有5个水文孔(ZK002、ZK605、补2、补8、补11)，经抽水试验奥灰岩溶含水层富水性强，水位标高为1 259～1 267m，井田内西部各可采煤层大部在奥灰水水位之下，属带压开采。石炭系碎屑岩夹碳酸盐类岩溶裂隙含水层深部岩溶不发育，富水性弱，浅部受风化影响，裂隙及岩溶较发育，富水性较好。

补11号水文孔抽水试验资料，太原组水位标高为1 375.45m，单位涌水量为0.001 5L/s·m，富水性弱。二叠系下统山西组、下石盒子组泥岩厚度大，层位稳定，为煤系地层与上覆含水岩组的主要隔水层。本溪组正常情况下阻隔了奥陶系岩溶水与上部含水层之间的水力联系，隔水良好，开采煤层与奥灰顶板为多层复合式软硬相间的岩性组合，在未受构造破坏的情况下阻水效果好。

本矿可采煤层为石炭系上统太原组上5#、下5#和6#煤层。上5#煤层煤层结构简单，由10个单层煤和8个由2～3个煤层分层组成，夹1～2层夹矸构成，夹矸最厚1.1m，最薄0.1m，夹矸平均厚0.33m。下5#煤层结构较复杂，夹1～6层夹矸，夹矸平均厚0.64m。6#煤层结构复杂，夹1～3层夹矸，夹矸厚度0.2～0.4m，平均厚0.18m。

3 测区地球物理特性

探测区内岩性主要为砂质泥岩、砂岩、灰岩和煤层等物质结构组成，不同岩性的成分差异成为利用瞬变电磁法地质勘探的物质基础。一般而言，干燥的岩石电阻无穷大，但不同地层含水量不同，测得的电阻率也具有较大差异。经野外实地探测，浅层新生界地层电阻率在150～300Ω·m范围内，电阻率略高，下一层为煤系泥岩和粉砂岩，最低电阻为50Ω·m左右，最高可达200Ω·m，其中灰岩电阻率更高。在下一层奥陶系地层电阻率平均电阻率在500Ω·m，且呈逐渐增高趋势，最高可达1 000Ω·m。实地探测表明，由于横向地层沉淀变化不大，因此，横向电阻率差异不大，且由于不同地层富水量不同，电阻值波动变化明显，且在水含量富集的地方，电阻值可降为正常值的1/10～1/20。而采空区物质特性变化差异大，视电阻率值变化明显，为瞬间电磁法进行地质勘探提供解释依据。

4 瞬变电磁法应用于地质勘探的基本原理

瞬变电磁法通过发射线圈外加人工脉冲电流产生瞬变电磁场，而地面布设的发射线圈沿磁场垂直方向传播，磁场在地下空间传播中遇到不同介质物质，会产生涡流场或者遵照量子力学原理使活泼的碱金属产生能级跃迁或者改变氢原子核定向排列方向。在外加磁场消失后，涡流场或活泼碱金属产生能量，而氢原子核恢复原有排列时同样释放能量。通过接收线圈测量感应电动势V2，在以一维反演、视电阻率等不同解释手段解释下，对地下岩层结构做出科学判断。瞬变电磁法其工作原理如图1所示。

图1 瞬变电磁原理示意图

为了减少空间的电磁场或其他电磁场对接受线圈的干扰，通常采用发射大电流的方法增加磁场磁力，降低信号干扰。结合探测任务，本次地面瞬变电磁法选用重叠回线装置，工作装置如图2所示。

图2 重叠回线装置示意图

5 野外实测

5.1 设备仪器的选择

针对山浪煤矿的目的任务、探测区范围内的层岩性和地形地貌，此次物探选用瞬变电磁法和其他物探方法综合施测。瞬变电磁法选用的仪器是EMRS- 2B型微机电磁勘探仪，该仪器具有轻巧、便携，且受场地使用限制小的应用优势。可在有限的1～10m2的平地展开实施探测，和其他物理探测方法相比更能适应恶劣的地质勘探环境。

5.2 瞬变电磁法野外施工方法

在山浪煤矿的野外探测中采用中心回线装置施测，小线框大电流发送脉冲，使用中心地面探头接收信号。测前确定野外施工方法。通过现场试验结果，确定用于本勘探区探测的供电电流770A，发送线框边长3m。采用重叠回线装置，发射线框为3m×3m(182mm铜线)，接收线圈重叠在发射线框内，利用塑料管将发射线框和接收线圈固定在一起，施测时把发射线框置于测量固定标志点，按设计、规范要求顺次作业。施工时利用4人每人一个角将线框放成3m见方的正方形，展开数据采集工作。

5.3 试验和技术措施

按《地面瞬变电磁法技术规程》DZ/T 0187—1997规范要求进行野外施工。为了保证瞬变电磁法勘探的野外数据采集质量，选取适当的积分时间和增益，遵循瞬变电磁勘探接收应避免布置在强干扰源、强磁场及金属干扰物分布的地域的原则，选取了有效的施工措施。了解勘探区的地电条件、施工条件、干扰背景以及勘探区的地球物理特征等，通过试验工作的有效性，以便选择最佳工作方法和装置参数。试验点选择在已知钻孔附近具有代表性的地段进行。选用重叠回线工作装置，发射框选用3m×3m线框，供电电流选用1 200A,供电次数选用8次。

5.4 测网布置、工作量完成及质量

1)测网布置

依据现有煤矿开采资料、现场地形地貌及物探设计，在拟定工作范围内共布设26条勘探线，沿西东走向布设，线距40m。瞬变点距20m,其中在Ⅰ区、Ⅱ区有部分测线的瞬变点距为控制老窑巷道可进行加密，间距为3m，预布设瞬变物理点2 754个，其中加密点1 496个。

2)设计及完成工作量

设计瞬变电磁法测点2 754个，含加密点1 496个；实际完成3 018个，含加密点1 434个。野外作业期间，工作区和探测范围做适当变更，在Ⅱ区东北方向扩大150m×720m范围内增加瞬变电磁点333个。减少Ⅲ区西北角170m×520m范围内瞬变电磁点108个，之后又增加瞬变点264个。总计实际完成物理测线38条，测量点3 018个，瞬变电磁探测点3 018个。工程量完成情况统计表1。

表1 工作量完成情况统计表

瞬变电磁物理点中甲级点2 960个，甲级率98.1%；乙级点58个，乙级率1.9%，合格率100%。试验点2个全部合格，设计检测点数82个，实际完成检测点数103个，占总测点数的3.51%，检测点平均均方相对误差6.89%。检测点分布和施工过程，均符合勘探规范和设计质量要求。

6 资料处理和解释

采用EMRS瞬变电磁法处理程序Ver2.5对探测资料进行一维层状反演解释，数据处理及资料解释流程如图3所示。

图3 数据处理及资料解释流程图

瞬变电磁法资料处理详细规范，专用的处理工具先进，处理后绘制出38个多道断面图和视点阻率断面图，5个目的层段的视点阻率切面图。各图件客观地展现了不同测点的岩性(视电阻率)变化情况，达到了预期的效果。现以第1测线(A线)和16测线(J线)为例，具体情况如图4、图5所示。

由1测线多道剖面图(图4)可明显看出，圈定的8、9号点和16、17号点高阻异常反映明显，相对相邻点没有高阻异常反应或反映不明显，是典型煤层采空不积水反映特征，判定该4个点为煤层采空位置。

由16测线多道剖面图(图5)可明显看出，圈定的5号点和27、28号点低阻异常反映明显，相对相邻点没有低阻异常反应或反映不明显，是典型煤层采空积水反映特征，判定该3个点为煤层采空积水位置。

图4 1测线多道剖面图

图5 16测线多道剖面图

图6 上5#煤层物探综合分析图

7 采空区探测结果

晋北煤业上5#煤层采空区探测，通过瞬变电磁法推测探测区范围内采空与积水的相对关系，确定水平面上的可能存在的采空与积水区域。参照上5#煤层底板等高线，分析最大可能相同之处，确定切合实际的解译成果。

测区东南部，瞬变显示有密集、零星的高阻、低阻现象；地表有积水和裂隙水干扰，南部地下存在诸多巷道干扰。推断此区域东部为采空区，南部为巷采区。探测区内局部有小面积积水，水量不大。测区西部，瞬变显示北端有高阻，中部有低阻，有地表积水和裂隙水干扰。推断此区域北、南局部采空，无积水。区内中部低阻为地表积水和裂隙水所致。结合井下采掘工艺和剔除干扰因素，形成最终山浪煤矿上5#煤层采空区探测解译综合成果。具体如图6所示。

本次探测区内上5#煤层采空区总面积为0.770km2，上5#煤层探测区面积为1.33km2，上5#煤层采空区面积占井田面积的57.9%。地层倾角(较大)，则积水区为低洼不完全充水，则水柱高度按经验取0.5m。煤回采率在经验基础上按0.3系数取，则估算总积水量10 890m2。

应用瞬变电磁法探测查明测区内采空区分布情况，为下一步采空区治理提供了较好的基础地质资料。

8 结论

以山浪煤矿采空区探测为工程背景，应用瞬变电磁法探测查明测区上5#煤层内采空区分布情况，上5#煤层采空区总面积为0.770km2，上5#煤层探测区面积为1.33km2，估算总积水量10 890m2，为下一步采空区治理提供了较好的基础地质资料。