瞬变电磁法在煤矿小窑采空区积水探测中的应用——以唐安煤矿掌握村小窑为例

张嘉琪

（山西省地质勘查局二一二地质队有限公司，山西 长治 046000）

在煤矿生产和建设中，水害是影响矿井安全生产建设的主要安全隐患之一，尤其是小窑采空区积水一直困扰着国有大型煤矿的安全生产，迫切需要物探手段查明小窑采空区的边界范围、积水情况等，对小窑采空区积水进行提前疏放，防止采掘过程中采空积水集中外泄，以保证煤矿安全生产。

瞬变电磁法（TEM）是探测煤矿采空区积水的一种重要地球物理手段，以其地形影响小、对低阻体反映灵敏、测量简单、工作效率高，成为探测煤矿采空区积水的有效手段。TEM 广泛应用于煤田水文地质工程勘探，已取得令人满意的效果。本文以唐安煤矿井田范围内的掌握村小窑为例，展示TEM 在探测煤矿小窑采空区积水中的良好应用效果。

1 工程概况

唐安煤矿位于沁水煤田晋城矿区中部，是山西兰花科技创业股份有限公司所属的一座大型现代化矿井。据调查，井田中部存在以往3号煤层小窑破坏区及2 处小窑废弃井筒，主要为20 世纪90 年代掌握村小窑私挖乱采所致，开采情况、巷道掘进范围及充水情况不明。井内电视观测结果显示，风井井深198.2m，水位埋深73.3m；主井井深225.0m，水位埋深68.1m。下伏采空水静水压力值最大可达2.14MPa。根据煤矿未来3 年采掘规划，该区域近期将进行巷道掘进及煤层开采工作，采空区积水的存在对煤矿采掘活动影响巨大，严重威胁矿井安全生产。

测区地形高差起伏不大，基本为第四系（Q）所覆盖，第四系之下主要有二叠系（P）、石炭系（C）、奥陶系（O）等。在正常情况下，各层位电性在横向上是相对均一的。当地层中存在采空区积水等局部异常体时，视电阻率等值线发生扭曲变形、圈闭，呈明显的低阻异常，与围岩电阻率差异明显，这种电性差异是TEM法进行勘探的前提。

2 野外采集

2.1 方法简介

TEM 法又称时间域电磁测深法，属于电磁感应类探测方法，它遵循电磁感应原理，其机理就是导电介质在阶跃变化的电磁场激发下而产生的涡流场效应。近20 年来，TEM 法在野外数据采集和方法理论两方面均取得长足的进步，受地形影响小，仪器灵敏度提高，装备轻便，这些优点使其广泛应用于煤田水文地质勘察、采空区探测、地下水调查等领域，成为地球物理勘探方法中一种强有力的非地震手段。

2.2 野外工作布置

本次沿两处小窑井筒布设1 条高精度TEM 测线，测线长度560m，测点间距5m。使用仪器为加拿大凤凰地球物理公司（Phoenix）生产研制的V8 多功能电法仪。野外采用大定源内回线装置，发射线框边长420m×420m、发射频率5Hz，发射电流18A，采集时间120s。结合工区的电性特征，有效探测深度约380m。

在正式数据采集前，先对主机盒子进行标定，并进行接收线圈一致性试验，保证仪器工作状态良好。野外布设发射线框时，用RTK严格控制点距与方位误差，保证发射线框按设计点位严格放线，同时保证接收线圈在发射发射线框中心的三分之一处测量，接收线圈必须借助水准泡保证水平放置。野外施工严格按照《地面磁性源瞬变电磁法技术规程》（DZ/T 0187-2016）执行，由于水体、房屋建筑等影响，测点无法严格按照预先设计等间距布设，工作时尽量垂直测线偏移测点。

3 数据处理和反演

TEM法野外采集数据记录的是垂直磁感应场的归一化感应电动势，采用V8多功能电法探测系统配套处理软件1X1D进行处理。

对野外采集到的单点数据进行编辑剔除，处理的原则是进行实地调查分析，对因电性干扰（如高压线、公路等）产生的畸变点、突变点进行删除处理；通过相应的公式计算出原始视电阻率、视深度等信息；采用IX1D软件进行反演，初始模型为平滑模型，初始电阻率值为100Ω·m；最后利用MATLAB程序绘制相应的一维反演视电阻率断面图。

4 地质解释

4.1 地层划分

探测结果显示：本次TEM 勘探的浅部盲区约50m。随深度增加，视电阻率呈现先减小再逐步增加的趋势，层状结构明显，深部奥陶系灰岩高阻特征反映显著。地层划分如下：

（1）第四系（Q）：第四系底界埋深65～70m，由于TEM 浅部盲区的存在，本次视电阻率断面图仅揭露第四系底部，视电阻率均匀连续分布，其值在130～160Ω·m 之间。该地层满覆盖于工区，成因以冲积、洪积为主，岩性主要为中上更新统黄土及全新统冲洪积层。

（2）二叠系上统（P2）：视电阻率表现为中低阻特征，约为90～130Ω·m，地层底界埋深起伏不大，埋深约180m。该地层上部岩性以砂岩与泥岩互层为主，中、下部岩性以砂岩和砂质泥岩为主。该层位在测区沉积厚度相对较大，由于其岩性主要以低电阻率值的泥岩、砂岩为主，因此该段地层在TEM 信号上视电阻率值表现为相对较低。

（3）二叠系下统与石炭系地层（P1-C）：视电阻率在80～140Ω·m之间，该段岩层为区内主要含煤层段，岩层上部以深灰色、灰黑色泥岩、砂质泥岩、灰岩为主，所以上部岩层视电阻率值表现为继续偏低，但到煤层位置时，电阻率值相对较高的煤层开始体现在视电阻率曲线上，表现出从降低趋势变为上升趋势的拐点。

（4）奥陶系灰岩（O）：该套岩层为测区底部岩层，受灰岩自身电阻率特征为高阻的特性，因此总体表现为一较明显的高阻地层区，与上部石炭系低阻地层形成鲜明对比，在视电阻率曲线上表现为迅速升高的趋势，为一较好的电性标志层。

4.2 采空区积水解释

从图1 可以看出，在3 号煤层附近有2 处视电阻率等值线发生扭曲变形，呈明显的低阻异常，结合小窑井筒分布及井筒内积水特征，对掌握村小窑采空区积水进行推断。

如图1 所示，YC1 低阻异常区在标高690m 处发生明显的向下扭曲现象，视电阻率在115～130Ω·m 之间，明显区别于两侧围岩。结合风井井筒位置及井内电视观测来看，YC1低阻异常区与风井位置相对应，风井为立井，井筒直径2.7m，井深198.2m，井筒底部未揭露3号煤层，推断风井底部不存在3 号煤层采空区，且YC1低阻异常区为风井井筒积水的反映。

从电阻率幅值、纵向异常范围来看，YC2低阻异常区相比YC1 更为明显，YC2 异常区视电阻率等值线在标高695m 处明显向下扭曲，视电阻率在110～125Ω·m之间。异常区上覆地层视电阻率横向上基本为层状分布，覆盖层层位较稳定，无明显的三带分布规律，电性结构层状特征明显，符合小窑采空区特征。结合主井井筒位置及井内电视观测来看，YC2低阻异常区与主井位置相对应，主井为立井，且井筒底部揭露3 号煤层，推断YC2低阻异常区为掌握村小窑采空区积水的反映。

YC1、YC2低阻异常区之间存在1处相对高阻区，结合风井井筒未揭露3号煤层来看，推断主井、风井之间未贯通，YC1、YC2低阻异常区之间基本不存在水力联系。

4.3 井内抽排水资料辅助解释

2处小窑井筒启封后，在主井井筒内通过下放潜水电泵进行了抽排水作业，并采用电极测绳对两处井筒内水位进行连续性密集观测，最终绘制了井筒水位观测曲线（见图2），结果表明主井、风井水力联系较弱，基本不存在水力联系，验证了YC1、YC2之间相对高阻区解释的正确性，表明了瞬变电磁法在此次小窑采空区积水探测方面的有效性。

图2 井筒水位观测曲线图

5 结论

通过对小窑采空区积水解释、井内电视观测结果和井筒抽排水等资料辅助解释，最终确定两处小窑井筒井下未贯通，YC1、YC2 低阻异常区分别为风井井筒积水及掌握村小窑采空区积水的反映，建议煤矿在采掘以前对该处井筒积水及小窑采空区积水进行提前疏放，以保证煤矿安全生产。

本实例说明:瞬变电磁法具有地形影响小、对低阻体反映灵敏等特点，结合其他物探和水文资料能有效划分小窑采空区积水范围，为以后在类似区域展开瞬变电磁探测工作提供了参考。