1、1综合物探在煤矿煤层采空区探测中的应用实例【摘要】通过对临县某煤矿采空区探测实例分析，阐述了综合应用瞬变电磁法、激发极化法及测氡法评价采空区的积水情况和采空范围的效果。在一定的地质条件下，与单种物探方法相比，应用多种不同的探测方法进行综合探测，能有效避免单一物探方法的多解性和不确定性，充分发挥各种物探方法的优势，最终取得较好的探测效果。 【关键词】综合物探，煤层采空区，瞬变电磁法，激发极化法，测氡法 1 引言 由于各种物探方法的应用都依据一定的物理前提，且地质、地球物理条件和边界特征对测试成果具有较大的影响，采用单一的物探方法一般难以查明或解决有关地质和工程问题，采用综合物探进行探测可以提高物
2、探成果的地质解释精度和成果分析质量，满足工程勘察之需要。然而就某种物探技术方法的作用而言，应视其解决具体地质或工程问题的适宜性和效果进行评判，就当前情况而言无论哪一种先进的物探技术方法，由于它们所测试的物性特征参数各异，往往也只是其它方法的补充和印证，而不是对常规物探方法的取代或覆盖。许多常规的物探方法，如瞬变电磁法、电测深法、联合剖面法等，其作用和效果仍不可忽视和低估，事实表明，采用综合物探技术和综合分析解释，使各方法成果相互佐证，取长补短是提高物探资料解释精度和可靠性的必由之路。 22 方法原理 2.1 瞬变电磁法（TEM）原理。瞬变电磁法（TEM）亦称时间域电磁感应法。是利用不接地回线向
3、地下发送一次脉冲磁场，在一次场间歇期间利用另一回线接收测量由地下介质产生的感应电场即二次场随时间的变化。该二次场是由地下不同导电介质受一次场激励引起的涡流产生的非稳定磁场，它与地下地质体有关，根据它的衰减特征，可以分析判断地下地质体的电性、规模、产状等。瞬变电磁法是近几十年来发展起来的一种时间域电法勘查手段，在控制构造、采空区及岩溶等方面均有很好的效果，受地形影响小、省时且具有较高的横向分辨率。 2.2 激发极化法原理。在十九世纪就已发现了激发极化现象，将它应用到物探工作中是在上世纪四十年代开始的。上世纪五十年代以来，在有色金属勘探工作中，该方法对解决电阻率差异不大的浸染型金属矿的普查问题效果
4、显著。而且它与一定的水文地质条件有差密切的关系。人们因势利导，在水文地质调查中，使用激发极化效应的强度等特性去研究地层赋水性、岩溶调查及采空区积水问题。激发极化法理论和方法都比较成熟，它是直流电法的延伸方法，采用接地导线供电，测量断电后岩石极化电位的衰减快慢，测量视电阻率（Ps） 、极化率（M） 、衰减度（D）等有效参数，从而对地下岩层的富水性、构造的发育情况及采空区积水等地质问题进行勘探，具有较好的地质效果。 2.3 测氡法原理。测氡法是利用探测放射性元素的扩散晕来寻找地质构造。放射性元素在自然界中广泛存在，由于有机物的吸咐作用，它们均赋存在目前的煤岩中。氡既是铀系元素衰变的子体，又是唯一呈
5、气态3的子体，也是人们感兴趣的子体，因为它可以由深部迁移至地表，在构造及采空区附近地表聚集有较高的氡气浓度，这为了解地下深部的地质信息提供了新的途径。 3 应用实例 测区属黄土高原地貌，地表被剧烈切割。土墚和冲沟发育，地表大多被新生界第四系黄土层所覆盖，仅在大的沟底见少量条带状基岩出露。测区内地层电性差异明显，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，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。 一般情况下，冒落带的高度一般在几米至十几米，裂隙带的高度一般在十几至几十米，主要是由于采空区塌陷造成岩石出现裂隙。采空区的视电阻率明显区别于
6、未采空区的视电阻率，这种明显的电性差异为瞬变电磁法和激发极化法的勘探提供了充分的物性条件。区内大部分地区被新生界第四系黄土层覆盖，又为氡的积聚创造了良好的自然条件，为测氡法的工作提供了必要的条件。 3.1 测线布置。在测区内沿近似北西方向布置了瞬变电磁法剖面 3 条（1、2、3 线） ，线距 40m，点距均为 10m。其中 1 线长 100m，11 个物理点；2 线长 100m，11 个物理点；3 线长 300m，31 个物理点。在测区内沿近似北西方向布置了测氡法剖面 3 条（1、2、3 线） ，线距、点距、测线长度及物理点数均与瞬变电磁法相同。在瞬变电磁和测氡剖面异常部位和非异常部位各布置激
7、发极化点 1 个。 3.2 工作方法 43.2.1 瞬变电磁法（TEM）工作方法 瞬变电磁法（TEM）探测煤田构造一般使用剖面测量装置。本次工作中使用重叠回线装置（图 3-1） 。 重叠回线装置是发送回线与接收线圈相重合的敷设装置，这种装置与被探测的地质体具有最佳的耦合，是频率域方法无法实现的。 本次综合物探工作以瞬变电磁法为主要物探方法，野外大部分使用3m3m 的单匝方形发送回线、接收采用 3m3m 的单匝方形接收回线装置进行，数据采集使用大功率瞬变电磁仪，供电电流 720A，以保证每个测点数据采集的准确性。 为保证记录数据的可靠性，随时进行检查测量。 3.2.2 激发极化法工作方法。激发极
8、化法野外施工采用四极测深法，不极化电极测量。布极方向依地形条件而不同。供电极距 AB/2 由30390m 逐极施放，测量极距始终保持供电极距的 1/3。测量视电阻率、极化率、半衰时、衰减度等有效参数。 3.2.3 测氡法工作方法。本次测氡工作采用的是 卡测氡法。选用的仪器为目前较先进的 FFA-1 快速 数字闪烁辐射仪，其工作方法是： 通过氡气采集装置，采集 40cm 或 60cm 深的土样，放入辐射仪的采集抽屉中，收集 射线 5 分钟后计数，然后取出土样，进行下一物理点的采集工作，这样重复进行。 3.3 资料分析解释 资料解释遵循从已知到未知的原则。资料的解释工作是在地球物理特征的基础上进行
9、的，对于瞬变电磁资料，根据电位高低反映可以确定5采空区的位置，采空区不充水表现为相对高视电阻率、低电位；而据煤矿资料，测区内采空区为充水型采空区，所以在瞬变电磁剖面上表现为相对低视电阻率、高电位异常。 对于激发极化资料，在新生界冲积层含水层表现为相对的高视电阻率、高极化率、高半衰时异常，而在基岩含水层或采空区积水则表现为相对的低视电阻率、高极化率、高半衰时异常。当地层完整时其视电阻率先沿一定角度下降，进入基岩后开始沿一定角度上升，当进行奥灰后则角度增大沿 45 度角上升。若遇充水采空区时，则表现为明显的低视电阻率、高极化率、高半衰时异常。 对于测氡资料，若地层完整则无明显的测氡异常，若存在采空
10、区，由于其周边裂隙发育，给氡气向上迁移提供了较好的通道，从而导致在采空区上方产生较高的氡气异常。 在整个资料的解释过程中，以上述异常特点为标准，统一分析解释，作到了解释结果的准确一致。 3.3.1 瞬变电磁法（TEM）及测氡法资料分析解释 图 3-2 为临县某煤矿东北部 1 线物探综合剖面图，由瞬变电磁多测道剖面图分析得出：1 线由北西向南东全线无明显的高电位异常；对应的1 线视电阻率拟断面图由北西向南东全线无明显的低视电阻率异常。而从测氡剖面图分析 1 线由北西向南东全线也无明显的高测氡异常，分析该测线所对应地层比较完整，没有煤层采空区存在。 图 3-3 为临县某煤矿东北部 2 线物探综合剖
11、面图，由瞬变电磁多测道剖面图分析得出：2 线由北西向南东 59 号物理点存在较为明显的高电位异常；对应的 2 线视电阻率拟断面图由北西向南东 59 号物理点存6在较为明显的低视电阻率异常且比较凌乱，根据异常形态分析为充水型煤层采空区的反映。而从 2 线测氡剖面图分析：2 线由北西向南东 59号物理点存在较为明显的高测氡值异常，与瞬变电磁剖面异常范围对应一致，分析为煤层采空区的反映。 图 3-4 为临县某煤矿东北部 3 线物探综合剖面图，由瞬变电磁多测道剖面图分析得出：3 线由北西向南东 2129 号物理点存在较为明显的高电位异常；对应的 3 线视电阻率拟断面图由北西向南东 2129 号物理点存
12、在较为明显的低视电阻率异常且比较凌乱，根据异常形态分析为充水型煤层采空区的反映。而从 2 线测氡剖面图分析：3 线由北西向南东2129 号物理点存在较为明显的高测氡值异常，与瞬变电磁剖面异常范围对应一致，分析为煤层采空区的反映。 3.3.2 激发极化法资料分析解释 图 3-5 为临县某煤矿东北部 J1 号点激发极化综合曲线图，该点在瞬变电磁及测氡剖面测量的异常范围外布置，由图分析得出该点 AB/2 由3060m 视电阻率曲线沿一定角度下降，为新生界第四系的反映。从 60m开始（进入基岩后）始终沿一定角度上升， 无明显的低视电阻率异常，对应的极化率、半衰时均无明显异常，说明该地层完整，无明显的采
13、空区异常反映。 图 3-6 为临县某煤矿东北部 J2 号点激发极化综合曲线图，该点在瞬变电磁及测氡剖面的异常范围内布置，由图分析得出该点 AB/2 由3060m 视电阻率曲线沿一定角度下降，为新生界第四系的反映。从 65m开始（进入基岩后）沿一定角度上升，从 120m 左右开始停止上升，由7140170m 表现为明显的低视电阻率（R）异常，对应的极化率（M1） 、半衰时（Th） 、衰减度（D）充表现出明显的高异常，分析为采空区充水的反映。从 170m 开始（穿过采空区以后）继续上升，进一步验证了采空区的存在且充水。 3.3.3 钻探验证 经过本次物探测量，由瞬变电磁、激发极化和测氡法资料综合分
14、析，确定了井田东北部煤层采空区范围（详见物探成果图） 。甲方在物探推断采空区位置施工一钻孔，深度从 152m 左右开始出现漏水、掉钻现象，掉钻深度为 2.4m，证实了物探解释采空区为 4 号煤层采空区，同时物探测量的准确性也得到了充分的验证。 4 结论 （1）通过瞬变电磁法、激发极化法和测氡法三种方法合理方法的组合进行探测，确定了临县某煤矿东北部采空区的范围，其范围由 2 线59 号物理点和 3 线 2129 号物理点控制，平面展布方向近似北东向，西南窄、北东宽，深度 150m 左右。 （2）通过采取激发极化法的探测证明采空区为充水型采空区，与调查的实际情况一致，说明利用激发极化法进行采空区积
15、水的探测是有效的，取得较好地质效果及应用效果。 （3）事实证明选择多种有效方法进行综合勘查，在正确分析物性差异的前提下，选择合适的物探方法从不同的角度研究异常源，可以去伪存真、取长补短、互相验证，提高地质解释的准确性，为地质勘探提供准确的信息和科学的依据，可以减小不必要的工程投入，有效地加快勘8查各种资源的进程。 （4）通过本项目的研究，探索了综合物探对采空区及其积水的探测是有效的，本项目的研究成果经生产实际验证，取得了较好的效果，值得推广应用。 参考文献： 1胡祥云，杨迪坤，刘少华等.环境与工程地球物理的发展趋势. 2李貅.瞬变电磁测深的理论与应用.西安：陕西科学技术出版社，2002，122124. 3李舟波，孟令顺，梅忠武.资源综合地球物理勘查地质出版社， 2004，8693. 4李金.激发极化法找水基础理论研究.北京：地质出版社，1994，8283. 5刘鸿福，白春明，舒祥泽，等.用测氡技术探测煤矿地下火区的研究. 6朴化荣.电磁测深法原理.北京：地质出版社，1990，1719. 7杨华，刘鸿福.测氡在煤矿采空区的应用.山西煤炭，2002，23（2）：3840. 8蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探.北京：地质出版社，1998，7475.
