張 潔

(陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 地質(zhì)測(cè)量部， 山西 陽(yáng)泉 045000)

1 礦井及勘探區(qū)基本情況

長(zhǎng)溝煤礦為資源整合煤礦，先期由于小窯開采，北翼采區(qū)形成大面積采空區(qū)，具體采空區(qū)邊界、積水情況不明，且周邊煤礦較多，采(古)空區(qū)積水對(duì)本井田煤層開采有一定的威脅,需進(jìn)一步查明井田范圍內(nèi)采空、積水情況。該次勘探區(qū)范圍為長(zhǎng)溝煤礦北翼采區(qū)，面積1.51 km2.

2 勘探區(qū)地球物理特征

該次勘探目的層為15號(hào)煤層，主要查明15號(hào)煤層采空區(qū)積水情況。15號(hào)煤層位于太原組下部，上距K2灰?guī)r15.07 m左右；距8號(hào)煤層78.56～87.84 m，平均83.20 m. 15號(hào)煤層厚度3.55～7.85 m，平均5.17 m，0～3層夾矸，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，蓋山厚度380～440 m，煤層最低底板標(biāo)高+860 m，處于區(qū)域奧灰水位(+670～+690 m)之上，不存在帶壓開采。

勘探區(qū)地表為一典型的山區(qū)地貌，溝谷縱橫，高差變化較大，相對(duì)高差在300 m以上。復(fù)雜的地形條件不僅給測(cè)線布設(shè)帶來困難，而且給地形校正增加了難度。本區(qū)黃土覆蓋區(qū)面積不大，厚度小于20 m，70%以上為基巖出露區(qū)，出露巖石堅(jiān)硬。

煤系地層基底奧陶系灰?guī)r電阻率最高，構(gòu)成本區(qū)又一良好的電性標(biāo)志層。不充水的采空區(qū)電阻率明顯高于巖層的電阻率；充水的采空區(qū)電阻率明顯低于巖層的電阻率。以上電性差異為該次物探完成地質(zhì)任務(wù)的地球物理基礎(chǔ)。

3 野外原始資料的采集

3.1 野外施工方法及施工儀器選擇

礦井瞬變電磁法施工地點(diǎn)離異常區(qū)最近,可更好地獲得地層的信息[1]. 因此，根據(jù)該次勘探的主要目的任務(wù)，選擇瞬變電磁法進(jìn)行施測(cè)。

瞬變電磁法的工作原理需要兩個(gè)基本的電磁原理來推導(dǎo)TEM測(cè)量使用的物理學(xué):法拉第的歸納定律和蘭茨定律[2]. 瞬變電磁法屬時(shí)間域電磁感應(yīng)方法，其原理是電磁感應(yīng)定律。使用發(fā)射回線發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇時(shí)期內(nèi)，觀測(cè)二次磁場(chǎng)的方法[3-5]，見圖1.

圖1 瞬變電磁原理示意圖

瞬變電磁法的工作方法很多，該次電法勘探選用大定源內(nèi)回線裝置進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)工作

結(jié)合勘探區(qū)內(nèi)具體情況，選擇終孔深度較大、資料較全且人文干擾較小的長(zhǎng)C-10鉆孔作為本次孔旁試驗(yàn)。采空區(qū)試驗(yàn)線選擇采區(qū)內(nèi)跨已知采空和正常地層的S6線70—87號(hào)點(diǎn)和S10線18—35號(hào)點(diǎn)，確定具體的解釋參數(shù)。

通過試驗(yàn)，確定采用480 m×480 m邊長(zhǎng)線框、8.3 Hz發(fā)射頻率既能達(dá)到目的層深度，也能反映出地層電性特征，且試驗(yàn)線反映良好，可以滿足地質(zhì)任務(wù)要求。

3.3 測(cè)網(wǎng)布置及工作量

該次電法勘探測(cè)線方向?yàn)镹W向，基本垂直地層走向，設(shè)計(jì)網(wǎng)度為20 m×40 m(即點(diǎn)距20 m，線距40 m)，布設(shè)瞬變電磁測(cè)線25條。

4 資料處理及解釋

4.1 解釋方法

1) 定性分析。瞬變電磁儀野外觀測(cè)的主要參數(shù)為采樣時(shí)間、發(fā)射電流、歸一化感應(yīng)二次場(chǎng)等[5].本區(qū)所有瞬變電磁測(cè)線均繪制了歸一化二次電位剖面圖、歸一化二次電位差值剖面圖和視電阻率斷面圖，用于推測(cè)采空積水異常區(qū)。

現(xiàn)以S10線為例分析：S10線歸一化二次電位剖面圖見圖2，歸一化二次電位差值剖面圖見圖3. 由圖2,3可以看出，22—30號(hào)點(diǎn)二次電位及二次電位差值呈明顯蹦跳，是采空區(qū)的典型反應(yīng)，與已知采空區(qū)資料基本吻合，且從圖3可以看出，22—26號(hào)點(diǎn)二次電位值分別較26—30號(hào)點(diǎn)相對(duì)較高(黑色圈定區(qū)域)，與淺部規(guī)律不一致，且從圖4視電阻率斷面圖上可以看出，在15#煤層層位，22—26號(hào)點(diǎn)對(duì)應(yīng)460～520 m處視電阻率值相對(duì)較低，推測(cè)為采空積水異常區(qū)。

圖2 S10線歸一化二次電位剖面圖

圖3 S10線歸一化二次電位差值剖面圖

圖4 S10線視電阻率斷面圖

2) 定量解釋。

長(zhǎng)C-10鉆孔旁瞬變電磁點(diǎn)(8.3 Hz發(fā)射頻率,480 m×480 m發(fā)射線框)經(jīng)反演計(jì)算后的橫向視電阻率與深度對(duì)應(yīng)關(guān)系圖見圖5. 從圖5可以分辨出，二疊系與石炭系、石炭系與灰?guī)r的界面不同電性層的電性變化情況，與鉆孔資料吻合，以此進(jìn)一步通過抽取采空區(qū)目的層所在深度的視電阻率，對(duì)采空區(qū)積水情況進(jìn)行分析解釋。

圖5 視電阻率反演單枝曲線圖

4.2 成果分析

正常情況地層在不受采空影響的情況下，煤系地層的電性變化有一定的規(guī)律性，反映在視電阻率斷面圖上為視電阻率值變化穩(wěn)定，等值線呈似層狀分布，變化平緩，在歸一化二次電位剖面圖上表現(xiàn)為各測(cè)道橫向平滑，各點(diǎn)衰減基本一致。當(dāng)存在煤層采空時(shí)，地層視電阻率升高，在二次電位剖面圖上表現(xiàn)為“低值異?！保谝曤娮杪势矫鎴D上為高阻反應(yīng)；當(dāng)采空區(qū)積水時(shí)，則視電阻率值降低，在視電阻率斷面圖上等值線發(fā)生扭曲、變形或呈密集條帶狀等，在歸一化二次電位剖面圖上表現(xiàn)為“高值異?！?，在視電阻率平面圖上為低阻反應(yīng)。據(jù)此，通過對(duì)各測(cè)線歸一化二次電位剖面圖、歸一化二次電位差值剖面圖和各測(cè)線視電阻率斷面圖來綜合分析解釋采空區(qū)積水情況。

S4線歸一化二次電位剖面圖見圖6,電位差值剖面圖見圖7. 從圖7可以看出，24—30號(hào)點(diǎn)衰減不穩(wěn)定，起伏較大，且沒有規(guī)律，結(jié)合圖8視電阻率斷面圖可以看出，24—30號(hào)點(diǎn)(圈定區(qū)域)視電阻率較其他位置相對(duì)較高，為采空不積水的電性反應(yīng)，與已知資料基本吻合。

圖6 S4線歸一化二次電位剖面圖

圖7 S4線歸一化二次電位差值剖面圖

根據(jù)對(duì)各測(cè)線歸一化二次電位剖面圖、歸一化二次電位差值剖面圖和視電阻率斷面圖的分析解釋，結(jié)合該礦15號(hào)煤層底板等高線資料，對(duì)15號(hào)煤層采空積水異常區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步解釋。

根據(jù)目的層所在測(cè)道抽取的視電阻率平面圖見

圖9，圈定區(qū)域視電阻率相對(duì)較低，為明顯低阻反應(yīng)，推測(cè)為采空積水異常區(qū)。結(jié)合上述各線解釋方法，綜合圈定了采空積水異常區(qū)(圖10)，圈定區(qū)域?yàn)椴煽债惓^(qū)， Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ區(qū)域?yàn)橥茰y(cè)的采空區(qū)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ區(qū)域?yàn)榻忉尩牟煽辗e水異常區(qū)。采空積水異常區(qū)共分成7部分，Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)采空積水異常區(qū)位于勘探區(qū)的西部，位于背斜的兩側(cè)，呈一條帶分布，靠近采空區(qū)CK4的西部邊界，積水范圍較大；Ⅲ號(hào)采空積水異常區(qū)位于采空區(qū)CK2的北部，并且靠近該次勘探區(qū)北部邊界；Ⅳ號(hào)采空積水異常區(qū)位于采空區(qū)CK2的西南部，位于煤層向斜的兩側(cè)，積水范圍相對(duì)較??；Ⅴ號(hào)采空積水異常區(qū)位于Ⅳ號(hào)采空積水異常區(qū)的南側(cè)，積水范圍較??；Ⅵ號(hào)和Ⅶ號(hào)采空積水異常區(qū)位于采空區(qū)CK2的東南部，兩者不連通；Ⅶ號(hào)采空積水異常區(qū)位于煤層隆起的南部，積水范圍相對(duì)較小。

圖8 S4線視電阻率斷面圖

圖9 15#視電阻率順層平面圖

圖10 15#煤層采空區(qū)及采空積水異常平面圖

5 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過對(duì)電法資料處理與解釋，結(jié)合已知資料，基本查明勘探區(qū)內(nèi)已有采空區(qū)的積水情況。采用瞬變電磁法進(jìn)行地面物探工作，基本查明了北翼采區(qū)采空積水區(qū)情況，為礦井安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。