综合物探方法在探查2-2煤层附近过水通道中的应用

1  引言

霍洛湾煤矿位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇，与陕北榆林市神木县接壤。矿井井田东南边界与乌兰煤矿和安冶煤矿相邻，生产能力为270万t/年。矿井主采2^-2煤层，乌兰矿界内的原小煤窑2^-2煤也已经开采，并存在越界的可能，露天矿坑及采空区大量积水极易通过小窑巷道或其它可能通道溃入霍洛湾矿井，22210工作面切巷附近较大的涌水量已经有所反映。有迹象表明，周边矿井越界开采、采空区积水及潜在的过水通道对霍洛湾矿安全生产构成巨大威胁。

2  地质任务及综合物探方法的选择

2.1地质任务

采用适当的物探技术探查横穿霍洛湾煤矿东南边界2^-2煤附近的过水通道，为堵截、治理工程提供参考资料。具体要求为：采用综合物探方法在东南矿界施工，探查富水性异常的分布范围，结合相关地质资料推测2^-2煤小窑过水通道的赋存位置，并结合综合物探的成果进行钻探验证。

2.2综合物探方法的选择

为了搞清楚矿井东南边界2^-2煤附近有无过水通道，拟采用高密度电法和瞬变电磁法两种物探方法结合进行探查。选取两种物探方法综合探查是因为高密度电法是探查巷道、岩溶洞穴等局部异常体的专项技术，但是高密度技术在探查时，对地形有一定的要求。本次探测区部分地形不宜采用高密度电法，因此选择对水体敏感的瞬变电磁法作为对高密度电法的印证和补充。

3 综合物探方法介绍

3.1 瞬变电磁法原理

瞬变电磁法又称时间域电磁法（Time domain electromagnetic method），简称TEM，属于电磁感应类探测方法，它遵循电磁感应原理，工作过程可以分为发射、电磁感应和接收三部分。工作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，即利用一个不接地的回线或磁偶极子向地下发射脉冲电磁波作为激发场源（习惯上称为“一次场”），根据法拉第电磁感应定律，脉冲电磁波结束以后，大地或探测目标体在激发场（即“一次场”）的作用下，其内部会产生感生的涡流又称二次电流，这种涡流随时间变化，具有空间特性和时间特性，其大小与诸多因素有关，如目标体的空间特征和电性特征、激发场的特征等，因而在其周围又产生新的磁场，称二次磁场。由于良导电地质体内感应电流的热损耗，二次磁场大致按指数规律随时间衰减。二次磁场主要来源于地下良导电地质体的感应电流，因此，它包含了良导电地质体的相关信息。人们虽然不能直接测量这种涡流的大小，但是可以利用专门仪器观测这种涡流产生的二次磁场的强弱、空间分布特性和时间特性，并对所观测的数据进行分析和处理，据此，解释地层或地质目标体的相关物理参数，图3-1为工作原理示意图。

图3-1  TEM工作原理示意图

针对一次脉冲信号所激发的二次场信号表示为：，

式中：-磁导率； -发送线圈磁矩；-接收线圈等效面积；-地层电阻率；-时间。

从上式看出，二次磁场信号与、成反比。即“二次磁场”的本质特征是由探测目标的物理性质及赋存状态决定，其时间特性中，早期信号反映浅部地层信息，晚期信号反映深部地层信息，时间的早晚与探测深度的深浅具有对应关系。

3.2 高密度电法原理

高密度电阻率法和常规电阻率法一样，仍是以岩石的电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电场的分布规律来解决相关地质问题的一类勘探方法。它实际上是一种阵列勘探方法，野外测量时只需将全部电极置于测点上，利用程控电极转换开关和微机电测仪实现数据的自动和快速采集。观测时，可根据现场条件和探测目的来选择特定的装置方式（如温纳、偶极-偶极、三极装置等）和电极间距，依次测量剖面上不同位置、不同深度的视电阻率值，从而获得一条完整的二维视电阻率剖面。通过电测仪和微机间的通讯，可将实测数据回放到计算机中，应用软件处理系统对数据进行分析、计算及处理，结合相关地质资料解释成图。

→电极排列及编号

图3-2 高密度电法探测原理图

3.3 数据处理流程

瞬变电磁法和高密度电法两种物探方法数据处理的流程基本一致，对于野外采集到的数据，在进行数据处理前，首先对其逐点进行整理或预处理，即检查数据质量，剔除不合格数据，并对其进行编录，整理成专用数据处理软件所需要的顺序和格式，再对数据进行信号去噪、曲线光滑、数字滤波以滤除或压制干扰信号，恢复信号应有的变化规律，突出地质信息，再利用专用软件转换得到视电阻率（）和视深度（）等参数，在此基础上，结合有关测量、地质、水文和钻探等资料进行标志层确定、深度校正、物性参数统计、异常划分、异常等级分类等，最后综合分析解释，推断出可能的过水通道位置。

3.4 资料解释方法

物探资料的解释都遵循从已知到未知，从点到线，从线到面，从简单到复杂的原则。在具体解释过程中需结合已知的地质、测量、水文和钻探等资料，做到以下三点：

1）以人工解释为基础、计算机人机联作解释为工具，由粗到细逐步进行，人机操作交互解释系统能充分地利用人机界面对数据体进行精细解释，具有保持追踪和彩显功能，从而大大提高对各种地质现象的分辨率。

2）瞬变电磁法的视电阻率-深度断面图是基础，视电阻率异常平面图作为断面图的结果，两者应相互验证、相互一致。

3）在物探资料解释的基础上，对煤矿勘探和生产中所获取的钻探、巷探及采掘揭露的各种地质资料信息，采用多种方法（如数理统计、地质统计、数学模拟等）进行综合、集成分析和处理，结合物探解释成果，运用地质理论进行综合地质分析，去粗取精，去伪存真，从中提取有用的地质信息，通过建立特定的地质模型，总结和研究勘探区范围内的地质规律，反过来对物探勘探成果进行分析对比，进一步细化资料解释，得出符合地质规律的勘探成果。

4 实例分析

4.1 测区概况

测区地层由新到老依次为第四系，上第三系，白垩系，侏罗系，和三叠系。地层倾向南西，走向南东，倾角1~3°，局部可达5~8°，具宽缓的波状起伏，区内断裂褶皱不发育。主要含煤地层为中侏罗统延安组，由灰白~浅灰色各粒级砂岩，灰色~深灰色粉砂岩、砂质泥岩、泥岩夹煤层规律性交替出现组成，厚度169.31~294.40m，平均216.29m。目前矿井主要开采2^-2、2^-2上和3^-1煤层。

测区地下水以孔隙潜水和裂隙承压水两种形式赋存，区内岩性变化较大，含（隔）水层厚度变化大，难以划分稳定的含（隔）水层，只能划分相对的含隔水层组，以第四系底部砂砾层为孔隙潜水含水层，基岩各地层组段中、粗砂岩为裂隙潜水含水层和裂隙承压含水层，以第三系和基岩各地层组段泥岩、砂泥岩等划分为相对隔水层。孔隙潜水含水层由大气降水补给，补给量的大小由降水量的多少和地形情况控制，基岩裂隙承压含水层，因各含水层垂直水力联系甚弱，主要以侧向补给为主，大气降水间接补给。

4.2 地球物理特征

瞬变电磁法和高密度电法均是以岩石导电性差异为应用前提的地球物理勘探方法。不同的岩性具有不同的电性特征，一般来说煤层的电阻率值相对较高，砂岩次之，粘土岩、泥岩最低，即泥岩、粘土岩、粉砂岩、煤层、灰岩电阻率值依次升高。含煤地层具有层状分布的特点，电性分布在横向上相对均一，纵向上有固定的变化规律。当均匀地层中存在含水区时，其含水区电性值较围岩电性值偏低，含水区域范围越大，含水性越强，其低电性值在探测到的视电阻率中反映越明显，等值线会发生有规律的变形、圈闭等现象。

测井数据显示，区内浅部第四系的风积沙呈高阻电性特征；第三系主要由泥岩和砂质泥岩组成，总体上呈低阻电性特征；中部侏罗系延安组地层岩性主要为细砂岩、粉砂岩及深灰色砂质泥岩，灰白色中、粗粒砂岩和黑色泥岩及煤层组成，总体呈中等电阻电性特征；向下电性又呈减小的趋势特征。综上，当地层沉积层序稳定，不含局部地质构造、采空区、含水区时，地层电性呈稳定的“高~低~高~低”趋势特征。相反，当地层中存在这些特殊地质体和含水区时，地层电性将会发生明显的变化。这种明显的地层和局部地质体的电性差异，为以导电性差异为应用前提的瞬变电磁法和高密度电法的应用提供了良好的地球物理基础。

4.3 施工方法技术

本次探测区域在霍洛湾煤矿东南部和乌兰矿重合的矿界附近进行，探查霍罗湾煤矿东南边界附近2^-2煤层有无明显的过水通道存在。

瞬变电磁法共布置三排测线，第一排测线沿矿界布置，第二排、第三排测线分别向矿界内、矿界外延伸20m来布置。根据已知区试验结果，结合理论数据确定施工参数：TEM中心回线装置、120m×120m发射线框、25Hz激发频率、不小于14A的激发电流。测网密度20m×20m，即点距20m，线距20m。为了方便资料的处理与解释，测区从矿界拐弯的地方分为A区和B区。

本次高密度测线原则上沿霍洛湾矿界布置，受现场地形条件的影响，对部分测线进行了调整。

4.4 成果分析

一般情况下，当正常地层中含水时，其电阻率值较不含水时偏低，含水性越强，其电阻率值越低。瞬变电磁法和高密度电法用于解释的参数即是与电阻率密切相关的视电阻率，该物性基本上可以反映地层的电性变化情况。在断面图中，纵坐标为高程，横坐标为相对测线起点的水平距离及测点编号，煤层埋深位置示意采用黑色粗虚线标示，并根据实际煤层号加以标注。为了评价异常区的可靠性，在图中标示了高压线的大体分布情况及影响范围。

图4-1为矿井东边界南段（A区）G2线高密度测线视电阻率断面图。从断面图垂向来看，地层沉积层序清晰、稳定，各断面图整体呈现高-低的电性特征，即上部视电阻率值较高，向下视电阻率值降低。这种视电阻率值变化规律，分别对应新近系浅部的风积沙和直罗组砂岩与延安组煤层，与探测区内地层电性分布规律吻合。横向上共发现2处低阻异常区，A-1异常区在垂向上大致分布于2^-2煤层附近，从异常反映的形态来看，和巷道的形态类似，推断该异常为2^-2煤巷道积水所致，影响范围可能延伸至矿界，推断为过水通道1。A-2异常区对应22210工作面切眼位置，异常幅值较弱，范围较大，推断为2^-2煤顶板裂隙含水所致。

图4-1 霍洛湾煤矿东边界南段（A区）G2线视电阻率断面图

图4-2、4-3为霍洛湾煤矿东边界（B区）1线和2线瞬变电磁测线视电阻率断面图。从断面图垂向来看，地层沉积层序清晰、稳定，视电阻率整体呈现高-低的电性特征，即上部视电阻率值较高，向下视电阻率值降低。这种视电阻率值变化规律，分别对应浅地表的厚风积沙层，直罗组砂岩与延安组煤层，断面图总体电性与探测区内地层电性分布规律吻合。横向上共发现2处低阻异常区，编号为B-1、B-2异常区。B-1异常区在瞬变电磁1~3线和高密度测线对应区域均反映明显，异常垂向上大致分布于2^-2煤层附近。根据现场调查，井下22210工作面切眼涌水量较大，推断该异常区由煤层裂隙相对富水引起，而且异常区附近存在乌兰矿采空区，因此并不能排除由采空区积水或者巷道积水引起，该异常影响范围可能由乌兰矿井田内一直延伸至矿界，结合乌兰矿矿井采掘情况，推断B-1异常区的两端分别为过水通道1和过水通道2；B-2异常区在垂向上大致分布于2^-2煤层顶板附近地层，根据现场调查，异常区附近为乌兰煤矿井工矿，推断该异常为乌兰煤矿井工矿积水向2^-2煤顶板含水层补给形成相对富水区。

图4-2 霍洛湾煤矿东边界（B区）瞬变电磁1线视电阻率拟断面图

图4-3 霍洛湾煤矿东边界（B区）瞬变电磁2线视电阻率拟断面图

图4-4为霍洛湾煤矿东边界综合物探方法推断的2^-2煤过水通道平面图。图中矿井东边界推断出两处过水通道，分别为过水通道1和2。过水通道1位于22209工作面切眼位置，范围较大；过水通道2位于22210工作面切眼的东北角，沿矿井边界分布。根据现场揭露的资料，22209和22210工作面切眼位置涌水量加大，疑似工作面切眼位置顶板裂隙发育且富水所致，同时受乌兰煤矿开采产生的采空区积水影响所致。

图4-4 霍洛湾煤矿东边界综合物探方法推断2-2煤过水通道成果图

4.5 钻孔探查与验证

结合矿井的采掘情况，仅对物探推断的1号过水通道区布置了7个钻孔进行验证。项目区内采空区是房柱式开采形成的，回采率低，地下空洞很多，因此验证钻孔在施工过程中发生掉钻并伴之浆液完全漏失，采空区特征明显。采空区顶板尚未完全塌陷，部分呈悬空状态。探查钻孔掉钻深度、距离与煤层埋深、采厚基本一致。

    7个验证孔中，只有A区1-1号钻孔，煤芯完整，煤厚6.3m，1-2号钻孔和1-3号钻孔煤芯破碎，煤层变薄，厚度分别为3.7m、4.1m，而且冲洗液全波漏失。B区的2-1～2-4号钻孔揭露为含水采空区，钻探过程中，上覆基岩破碎，钻进困难，冲洗液全部漏失。钻探结果和物探推测的过水通道区相一致。

此外，对7个验证孔分别进行了钻井窥视，窥视结果显示上覆基岩及顶板均存在不同程度的纵向裂隙及碎裂带。分布规律为：在2^-2煤顶板处发育多为碎裂带（垮塌），而在其上覆基岩中多发育为纵向裂隙；证实采空区中均已充水，孔内均存在稳定水位，水文标高位于1088m附近；证实老采空区（过水通道）的存在，周边小煤窑存在越界开采。

图4-5为2-3号钻孔不同深度层段在横向裂缝和纵向裂缝相互影响下，形成采空顶板垮塌现象的窥视结果。

（1）钻孔深度61m处时岩层上、下部断裂形成的小裂隙    （2）钻孔深度93m处时煤层上覆基岩形成的断裂带

       （3）钻孔深度110.7m处时的稳定水位               （4）钻孔深度116m处采空顶板垮塌现象   

图4-5 2-3钻孔不同深度层段的窥视结果

5结论

1）本次综合物探方法共探查出两处过水通道，过水通道1位于22209工作面切眼位置附近，范围较大；过水通道2位于22210工作面切眼的东北角，沿矿井边界分布。通过钻探验证及钻孔窥视，过水通道1为周边小煤窑越界开采的采空区，而且采空区充水。过水通道2由于采掘原因，未进行验证。

2）由于项目区地质环境简单，煤矿开采后形成的过水通道（采空区）具有以下特征：过水通道近水平、埋深小（埋深81.5～114.4m，平均埋深98.7m）、构造简单，不规则房柱式开采形成，采空区已充水，轻度塌陷、冒落，采深采厚比18~31。地下残留空洞较多且分布不规则，部分顶板呈悬空状态，残留煤柱尺寸及分布极不规则。

3）过水通道的存在将会给矿井开采带来严重的危害性，如出现老空区突水事故，造成淹井、人员伤亡等事故。为了保证矿井安全生产，建议对地下过水通道进行注浆处理，充填地下空洞或者对已查明的过水通道进行绕避，做深一步勘察以重新设计开采参数。

参考文献

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作者简介:江球（1982-）,男,汉族,江苏徐州人,工程师,从事煤田水文物探方面的工作.