综合电法在采空区勘探上的应用.docx
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综合电法在采空区勘探上的应用
综合电法在采空区勘探上的应用
蒋喜昆1
（1．中国煤炭地质总局水文物测队）
摘要：
针对目前采空及采空积水对煤矿开采造成的危害，通过工程实例，介绍采用综合物探方法在采空及采空积水探测上的应用效果。
关键词：
采空、采空积水、三维地震勘探、瞬变电磁勘探、激发极化勘探
0前言
我国许多矿区地带分布有古代小窑和现代旧矿坑道，特别是近些年来由于小煤窑关闭矿井的迅速增加，不少正在开采的矿井周边及邻近地区，往往分布有很多废弃和关闭的煤窑或其他矿井，这些废弃矿井、坑道中常常积存着大量地下水，有的即是因为采矿突水而放弃。
因此，一旦矿井开采活动接近或不慎沟通了这些废弃矿井，其中积存的老空水便会充入巷道或工作面，形成老空水充水。
尤其是一些现代非法开采的小煤窑，由于缺乏设计和准确的测量资料，其井下巷道的分布特征往往不清楚，很容易造成正在开采矿山与它沟通而形成灾害。
因此煤矿安全是全国安全生产工作的重中之重，特别是煤矿水害近年来时有发生。
近年来，随着矿井开采深度的增加，采空区范围不断扩大；资源整合矿井、关闭矿井的采空区范围、位置不准确；历史原因，部分煤矿尤其是一些小煤矿水文地质资料不清。
使煤矿水文地质条件更为复杂，防治水工作基础较薄弱，重特大水害事故仍时有发生。
所以采空及采空积水异常区探测在煤矿开采之前尤为重要。
采空区地层有其独特的地电特征，可以利用物探方法进行探测。
煤层被开采以后，采空区上方的岩层在重力作用下发生塌陷，造成煤层上覆岩体失衡而发生一定程度岩移，致使岩层破碎和大量裂隙的出现，破坏了岩石的完整性和连续性。
采空区上部空间电阻率会呈现出相对的高阻特性，不明显时则会出现视电阻率等值线的波动；而采空区域的空隙被水或泥质所充填后，该处的电阻率一般会表现出一定的低阻特征，可依据这种特有电性异常反映划分采空区；对于已知采空区则可研究积水区地层的电阻率变化情况，从而划分出采空积水区范围。
煤系地层的电阻率值比非煤系地层的电阻率高。
1地质与地球物理特征
1.1地层
勘探区位于位于和顺县与昔阳县的交界处沁水煤田东北部，井田范围基岩呈半裸露特征，石炭系、二叠系地层大片裸露于地表，梁坡处间或有第四系黄土分布。
区域地层自下而上：
古生界（奥陶系、石炭系、二叠系）、新生界（上第三系、第四系）。
区域地层简表表1
界
系
统（群）
组
段
符号
厚度（m）
（最小-最大）
一般
岩性描述
新
生
界
第四系
Q
0-130
砾石，黄土及砂层。
35
上第三系
N2
0-63
棕红色粘土，底部为底砾岩。
在榆社、平定县一带，粉砂土，粘土夹薄层泥灰岩。
40
古
生
界
二
叠
系
上统
石千峰组
P2sh
80－168
紫红色长石砂岩、泥岩夹页岩、钙质结核
100
上石盒子组
P2s
240-450
紫色砂质泥岩、黄绿色砂质泥岩脑杂色砂岩、泥岩
312
下统
下石盒子组
P1x
90－170
灰绿色砂质泥岩、中粗砂岩、页岩
161
山西组
P1s
36－98
灰白色砂岩、砂质泥岩、泥岩、煤层
56
石
炭
系
上统
太原组
C3t
81－141
灰白色砂岩、黑色砂质泥岩、3－5层灰岩、煤层
120
中统
本溪组
C2b
24－68
灰白色铝土页岩、泥岩、1－4层灰岩、底部含铁矿
45
奥
陶
系
中统
峰峰组
O2f
120—200
中层状豹皮状灰岩，灰白、灰黄色薄层状白云质灰岩，夹灰黑色中层状灰岩。
150
上马家沟组
O2s
170－308
顶部为白云泥灰岩夹泥质灰岩夹泥质灰，中上部灰黑色中厚状豹皮状灰岩夹泥岩，下部为泥灰岩，角砾状泥灰岩。
220
下马家沟组
O2x
37-213
120
青灰色中厚—巨厚灰岩，下部为角砾关泥灰岩，底部为浅灰、黄绿色钙质页岩。
下统
O1
64－209
浅灰色中厚—巨厚层状白云岩，含燧石条带及结核白云岩，含燧石条带及结核白云岩，下部泥质白云岩夹竹叶状白云岩
112
1.2构造
本区基本构造形态为向西倾伏的单斜构造，倾角5°～25°，一般10°。
发育断层一条，总体来说，构造发育程度简单。
1.3地球物理特征
煤、岩层物性参数表表2
地质时代
煤岩层名称
视电阻率值（Ω·m）
煤岩层密度g/m3
第四系
黄土、砂质粘土等
10-40
2.24
二叠系上石盒子组
砂岩
〉94．8
2.6
泥岩
17．5
2.3
二叠系下石盒子组
砂岩
〉82．4
2.6
泥岩
20
2.3
二叠系山西组
砂岩
72
2.55
泥岩
20
2.4
煤层
340
1.43
石炭系太原组
石灰岩
〉370
2.65
煤层
〉200
1.66
砂岩
160
2.6
本溪组
铝质泥岩
75
2.55
奥陶系
泥灰岩
〈100
2.45
石灰岩
>960
2.7
断裂及陷落柱构造
导水
20～50左右
1.3
不导水
相对同地层高个级次
相对减小
根据测井资料统计，该区地层电性差异明显，煤系地层（山西组与太原组）的平均电阻率值比非煤系地层的电阻率值高，到两个级次，构成一个电性层。
煤系地层基底奥陶系灰岩电阻率最高，构成本区又一良好的电性标志层。
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，电阻率明显低于岩层的电阻率，极化率也会升高。
这些条件为电法勘探提供了良好的基础。
深层电性条件良好。
2方法选择
综合电法在采空区勘探上的应用
蒋喜昆1
（1．中国煤炭地质总局水文物测队）
摘要：
针对目前采空及采空积水对煤矿开采造成的危害，通过工程实例，介绍采用综合物探方法在采空及采空积水探测上的应用效果。
关键词：
采空、采空积水、三维地震勘探、瞬变电磁勘探、激发极化勘探
0前言
我国许多矿区地带分布有古代小窑和现代旧矿坑道，特别是近些年来由于小煤窑关闭矿井的迅速增加，不少正在开采的矿井周边及邻近地区，往往分布有很多废弃和关闭的煤窑或其他矿井，这些废弃矿井、坑道中常常积存着大量地下水，有的即是因为采矿突水而放弃。
因此，一旦矿井开采活动接近或不慎沟通了这些废弃矿井，其中积存的老空水便会充入巷道或工作面，形成老空水充水。
尤其是一些现代非法开采的小煤窑，由于缺乏设计和准确的测量资料，其井下巷道的分布特征往往不清楚，很容易造成正在开采矿山与它沟通而形成灾害。
因此煤矿安全是全国安全生产工作的重中之重，特别是煤矿水害近年来时有发生。
近年来，随着矿井开采深度的增加，采空区范围不断扩大；资源整合矿井、关闭矿井的采空区范围、位置不准确；历史原因，部分煤矿尤其是一些小煤矿水文地质资料不清。
使煤矿水文地质条件更为复杂，防治水工作基础较薄弱，重特大水害事故仍时有发生。
所以采空及采空积水异常区探测在煤矿开采之前尤为重要。
1地质与地球物理特征
1.1地层
勘探区位于位于和顺县与昔阳县的交界处沁水煤田东北部，井田范围基岩呈半裸露特征，石炭系、二叠系地层大片裸露于地表，梁坡处间或有第四系黄土分布。
区域地层自下而上：
古生界（奥陶系、石炭系、二叠系）、新生界（上第三系、第四系）。
区域地层简表表1
界
系
统（群）
组
段
符号
厚度（m）
（最小-最大）
一般
岩性描述
新
生
界
第四系
Q
0-130
砾石，黄土及砂层。
35
上第三系
N2
0-63
棕红色粘土，底部为底砾岩。
在榆社、平定县一带，粉砂土，粘土夹薄层泥灰岩。
40
古
生
界
二
叠
系
上统
石千峰组
P2sh
80－168
紫红色长石砂岩、泥岩夹页岩、钙质结核
100
上石盒子组
P2s
240-450
紫色砂质泥岩、黄绿色砂质泥岩脑杂色砂岩、泥岩
312
下统
下石盒子组
P1x
90－170
灰绿色砂质泥岩、中粗砂岩、页岩
161
山西组
P1s
36－98
灰白色砂岩、砂质泥岩、泥岩、煤层
56
石
炭
系
上统
太原组
C3t
81－141
灰白色砂岩、黑色砂质泥岩、3－5层灰岩、煤层
120
中统
本溪组
C2b
24－68
灰白色铝土页岩、泥岩、1－4层灰岩、底部含铁矿
45
奥
陶
系
中统
峰峰组
O2f
120—200
中层状豹皮状灰岩，灰白、灰黄色薄层状白云质灰岩，夹灰黑色中层状灰岩。
150
上马家沟组
O2s
170－308
顶部为白云泥灰岩夹泥质灰岩夹泥质灰，中上部灰黑色中厚状豹皮状灰岩夹泥岩，下部为泥灰岩，角砾状泥灰岩。
220
下马家沟组
O2x
37-213
120
青灰色中厚—巨厚灰岩，下部为角砾关泥灰岩，底部为浅灰、黄绿色钙质页岩。
下统
O1
64－209
浅灰色中厚—巨厚层状白云岩，含燧石条带及结核白云岩，含燧石条带及结核白云岩，下部泥质白云岩夹竹叶状白云岩
112
1.2构造
本区基本构造形态为向西倾伏的单斜构造，倾角5°～25°，一般10°。
发育断层一条，总体来说，构造发育程度简单。
1.3地球物理特征
煤、岩层物性参数表表2
地质时代
煤岩层名称
视电阻率值（Ω·m）
煤岩层密度g/m3
第四系
黄土、砂质粘土等
10-40
2.24
二叠系上石盒子组
砂岩
〉94．8
2.6
泥岩
17．5
2.3
二叠系下石盒子组
砂岩
〉82．4
2.6
泥岩
20
2.3
二叠系山西组
砂岩
72
2.55
泥岩
20
2.4
煤层
340
1.43
石炭系太原组
石灰岩
〉370
2.65
煤层
〉200
1.66
砂岩
160
2.6
本溪组
铝质泥岩
75
2.55
奥陶系
泥灰岩
〈100
2.45
石灰岩
>960
2.7
断裂及陷落柱构造
导水
20～50左右
1.3
不导水
相对同地层高个级次
相对减小
根据测井资料统计，该区地层电性差异明显，煤系地层（山西组与太原组）的平均电阻率值比非煤系地层的电阻率值高，到两个级次，构成一个电性层。
煤系地层基底奥陶系灰岩电阻率最高，构成本区又一良好的电性标志层。
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，电阻率明显低于岩层的电阻率，极化率也会升高。
这些条件为电法勘探提供了良好的基础。
深层电性条件良好。
2采空区勘探原理及装置
2.1采空区电性
采空区地层有其独特的地电特征，可以利用物探方法进行探测。
煤层被开采以后，采空区上方的岩层在重力作用下发生塌陷，造成煤层上覆岩体失衡而发生一定程度岩移，致使岩层破碎和大量裂隙的出现，破坏了岩石的完整性和连续性。
采空区上部空间电阻率会呈现出相对的高阻特性，不明显时则会出现视电阻率等值线的波动；而采空区域的空隙被水或泥质所充填后，该处的电阻率一般会表现出一定的低阻特征，可依据这种特有电性异常反映划分采空区；对于已知采空区则可研究积水区地层的电阻率变化情况，从而划分出采空积水区范围。
煤系地层的电阻率值比非煤系地层的电阻率高。
地下局部矿体被采出后,在岩体内形成有一定规模的空间,使周围的应力平稳状态遭受破坏,产生局部的应力集中,采空区顶板在上覆岩层压力的作用下,发生变形、断裂位移、冒落。
形成的冒落带、断裂带、变形弯曲带影响范围比原采空区要大,且直接影响其电性分布状况。
由于地下水的充填及地表水沿裂缝向采空区渗漏,其电阻率将明显发生变化,与围岩电性形成较明显的差异,为瞬变电磁勘查提供了前提条件。
由前述地球物理条件可知:
采空区与围岩在电性上存在着较明显差异。
在电阻率异常特征上表现为形成的视电阻率相对高、低不同。
2.2装置选择
2.2.1仪器设备
本次地面综合采空区勘探选用两种方法。
瞬变电磁仪器拟用加拿大凤凰公司生产的V8多功能电法仪，激发极化法选用国产TD-3型数字电法仪。
2.2.2工作原理及装置选择
1、瞬变电磁
瞬变电磁法的工作原理是在地表敷设不接地线框或接地电极，输入阶跃电流，当回线中电流突然断开时，在下半空间就要激励起感应涡流以维持断开电流前已存在的磁场，并且此涡流场随时间以等效涡流环的形式向下传播、向外扩展，利用不接地线圈、接地电极或地面中心探头观测此二次涡流磁场或电场的变化情况，用以研究浅层至中深层的地电结构，由于是在没有一次场背景的情形下观测纯二次场异常，因而异常更直接、探测效果更明显、原始数据的保真度更高，其工作原理见图3-1-1。
图3-1-1瞬变电磁原理示意图
瞬变电磁法的工作方法多种多样，本次电法勘探选用地面瞬变电磁中心回线装置。
工作装置见图3-1-2。
图3-1-2中心回线装置示意图
上图中Rx为中心探头，Tx为发送线框
2、激发极化
激发极化法是以地壳中不同岩、矿石的激电效应差异为物质基础，通过观测与研究人工建立的直流或交流激电场的分布规律进行找水和解决地质问题，通过对沿测线各测点的观测结果分析解释，进而了解目的层埋深及电性变化。
激发极化法可以用电阻率法的各种电极装置，根据本区地形及目的任务本次激发极化勘探选用中间梯度剖面法。
其工作方法装置见图3-1-3。
图3-1-3中间梯度装置示意图
第21卷第2期
2007年 4月
资源环境与工程
ResourcesEnvironment&Engineering
Vol.21,No.2
Apr.,2007
时间域瞬变电磁方法应用的几点认识
张木林1,刘永生1,2,王 育3
（11湖北省地球物理勘察技术研究院,湖北武汉 430056;2.中国地质大学,湖北武汉 430074;
31湖北省地震局监测预报中心,湖北武汉 430071）
摘 要:
介绍瞬变电磁法的方法技术和应用特点,通过工程实例,对该方法的应用效果及相关技术问题提出自
己的认识。
关键词:
瞬变电磁法;时间域;异常解释;目标物
中图分类号:
P63113+25 文献标识码:
A 文章编号:
1671-1211（2007）02-0170–05
第17卷 第4期
2006年12月
中国地质灾害与防治学报
TheChineseJournalofGeologicalHazardandControl
Vol.17 No.4
Dec.2006
瞬变电磁勘探技术在探测采空区中的应用
———以阳煤集团氧化铝厂采空区勘探为例
安润莲1,姚精选2,杨引串2
（11太原理工大学阳泉学院,山西太原 045001;21山西省地球物理化学勘查院,山西运城 044004）
摘要:
瞬变电磁法（TEM）,是利用不接地回线向地下发送一次脉冲瞬变磁场,再测定一次脉冲瞬变磁场引起的二次涡
流场的方法。
当地下存在电性不均匀体时,会观测到电性不均匀体的涡流异常场,通过对异常场的分析研究,推断矿
体、地下水、采空区等地下盲体的存在和部位。
华北石炭-二叠煤系地层的电阻率比非煤系地层的电阻率值高,铝土
矿层电阻率相对较低,下伏奥陶系灰岩电阻率最高。
地下矿体局部被采出后,对应地层的导电性随采空区的塌陷程
度及赋水情况不同,表现为相对较高的电阻率或较低的电阻率值,依据此特征成功地利用瞬变电法应用于采空区探
测中。
关键词:
瞬变电磁法;采空区;视电阻率等值线;山西阳泉煤矿
文章编号:
100328035（2006）0420116203中图分类号:
P63112文献标识码:
B
[1] 蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京:
地质
出版社,19981
[2] 牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙:
中南工业大学出
版社,19921
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