电法勘探技术在神东煤炭集团大柳塔煤矿的应用

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[摘 要]阐述了电法勘探技术在煤矿应用的工作原理，介绍了瞬变电磁法解释地层或地质目标体的几何和物性特征的方法，并结合神东煤炭集团大柳塔煤矿基本水文地质情况，查明五盘区北部小窑（贾家畔）采空区的边界及积水情况以防治止煤矿水害的发生及满足煤矿安全生产的需要。

[关键词]电法勘探技术 瞬变电磁法 采空区的积水

中图分类号：TD822 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0388-01

1 引言

水害是影响矿井安全生产的五大灾害之一。在矿井开采过程中，查明采空区的边界及积水情况是煤矿安全生产丞待解决的问题。勘探区位于陕西省神木县城的西北约50公里处，行政区划属大柳塔乡管辖勘探区地处陕北黄土高原之北侧和毛乌素沙漠东南缘。大部属风沙堆积地貌，沙丘，沙垄和沙坪交错分布，植被稀少。东南两部沟壑纵横，切割强烈，沟深40～60m，沟谷两侧基岩。整体地势中部较高，西北部及东南部低。查明勘探区采空区的边界及积水情况满足安全生产。

2 电法勘探技术基本原理

瞬变电磁法（Transient-electromagnetic method）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，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，即利用一个不接地的回线或磁偶极子（也可以用接地线源电偶极子）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，这种涡流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，而且因为热损耗的缘故会逐渐减弱直至消失。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电磁场（称为“二次场”）的强弱、空间分布特性和时间特性。

从上式看出，二次场信号与ρ3/4、t5/4成反比。即“二次场”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地质信息，晚期信号反映深部地层地质信息，时间的早晚与探测深度的深浅具有对应关系。

一般来说，探测目标的几何规模越大、埋藏越浅、导电性越好则二次场的信号越强、持续时间越长，反之，探测目标的几何规模越小、埋藏越深、导电性越差则二次场的信号越弱持续时间越短。通过观测和研究“二次场”的空间分布特性和时间特性，可以推测解译地层或地质目标体的几何和物性特征。当探测地下良导电地质体时，往地面敷设的发送回线中通以一定的脉冲电流，在回线中间及周围一定区域内便产生稳定磁场（称一次场或激励场），如果一次电流突然中断，则一次磁场随之消失，使处于该激励场中的良导电地质体内部由于磁通量Φ的变化而产生感应电动势ε= -dΦ/dt（据法拉第电磁感应定律），感应电动势在良导电地质体中产生二次涡流，二次涡流又由于焦耳热消耗而不断衰减，其二次磁场也随之衰减。

2.1 数据资料

本次勘探测区瞬变电磁测线方向为NE421°，基本垂直地层走向，拟布设瞬变电磁一般测线网度为40×20m（即点距20m，线距40m），测线128条（加密测线44条），坐标点4152个，检测点150个，试验点26个，总物理点4328个。

2.2 数据处理

瞬变电磁仪野外观测的是垂直磁感应场的归一化感应电动势V（t）/I，其单位为μV/A；每个观测点记录的参数为时间道、采样开始时间、采样窗口宽度、发射电流、归一化感应二次场、转换的磁感应强度值等。根据有关测量、地质和钻探等资料，再做必要的地形校正和高程校正等处理，将感应电动势转换为视电阻率后分析赋水情况。

2.3 数据资料的解释

瞬变电磁法勘探资料的解释仍遵循与其它电法相同的规律与程序，即结合已知的地质、钻探和水文等资料，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进行分析推断。此外，在具体解释过程中还需结合以下原则：①人工解释与计算机解释相结合；②垂直断面与水平切面解释相结合；③电性解释与综合地质分析相结合；④异常划分原则。

从区域资料来看，正常情况下测区内地层垂向自上向下电阻率呈现从低到高，然后视电阻率下降后再上升的特征，地层在完整无破碎时其横向上电性差异应较小，但随着同一地层破碎和积水程度的不同，其电性曲线上于围岩相比有明显的异常点和畸变点；不充水的采空区，电阻率明显高于岩层的电阻率；充水的采空区，电阻率明显低于同一层位岩层的电阻率综合评价。这一电性差异是我们利用电法寻找同一地层中采空及采空积水异常的基础和依据。

本次地面电法勘探使用瞬变电磁法进行施测。依据电法勘探原理及地下人工电场的分布特征，当地层沉积分布均匀，未受任何破坏和改变，其视电阻率均匀变化；如遇采空区、采空区积水等诸多因素影响，相对沉积分布均匀的地层而言，视电阻率相对正常地层发生改变，呈不均匀变化。针对本次地面电法勘探目的任务，根据视电阻率数据，分析其变化规律，结合区域地质资料和钻孔资料，进行综合对比分析，获得解释成果。

3 取得的地质成果

本区所有瞬变电磁测线均绘制了归一化二次电位剖面图、归一化二次电位差值剖面图和视电阻率断面图，用于推测采空异常区。现以S12线为例分析：图1、图2为S12线归一化二次电位剖面图及归一化二次电位差值剖面图，图中可以看出，9～69号点无论是归一化二次电位还是归一化二次电位差值，数值均较为稳定，为正常地层是上表现；8～69号点二次电位数值在圈定区域开始出现变化，与正常地层存在明显差异，在处理后的归一化二次电位差值剖面图上表现更为明显，是采空区的典型反应，并且呈高电位低电阻反应，推测为采空积水异常区。

综合解释分析后，基本查明了勘探区内采空区及采空积水异常范围。本区采空及采空积水异常区为邻区小窑所采，其采取的相对安全措施较低，同时又受地表河流及降水影响，造成采空区积水情况比较严重。需要说明的是电法资料解释是对地层电性特征的解释，包含了坍塌与积水浸润的影响，对于采空区及采空积水异常区，推测的范围可能与实际的范围有所差异，在临近异常区附近进行一系列的施工时，应提前采取相应措施。

二、结论和建议

本次地面电法勘探对采空积水异常区的分析解释均为静态和定性解释，随着矿井开采的进行，矿压会发生变化，水文地质条件随之发生改变，建议使用这些资料时应予以注意；本次电法资料反映的是水的静态特性，在巷道掘进或煤层开采时，必须考虑顶板冒落、底板破碎等扩大原有裂隙通道或增加新导水通道的可能性。此外，还应考虑到地表降水不断补给采空区造成采空区积水量继续增大可能性。为保证井下采煤生产的安全，建议加强采掘前矿井水文物探工作，特别是在生产场地接近异常部位时应边探边掘，随时观察记录水文地质条件变化情况，以便实施针对性更强和更有效的防治水技术措施。

参考文献

[1] 孙吉益.煤矿井下瞬变电磁探测影响因素探讨[J].河北煤炭，2007（6）：4～5.

[2] 傅良魁.电法勘探教程[M].北京.地质出版社，1990.

[3] 孙吉益.瞬变电磁技术在邢台矿井下应用效果[J].河北煤炭，2008（2）：12～13.