云南省煤炭地质勘查院云南昆明650218
摘要：以云南罗平县某煤矿采空区为例，选用大定源装置，采用SM24瞬变电磁系统进行探测。探讨了瞬变电磁法在煤矿积水采空区的应用效果，为瞬变电磁在云南山区煤矿上的应用推广提供了很好的示范作用。探测结果表明，该方法在煤矿采空区调查方面具有便捷快速、分辨率高、经济高效等优势，能够满足煤矿安全生产的需要。
关键词：瞬变电磁法；SM24瞬变电磁仪；大定源装置;采空区
APPLICATIONOFTRANSIENTELECTROMAGNETICMET-HODTOTHEDETECTIONOFCOALMINEGOAFINYUNNANPROVINCE
Abstract:：Thecoalmineshaveexploitedlotsofwaterareasandbroughtgreatharmtothesafetyproductionofcoalmines.wemustdetectthemeffectivelyandtimelysoastomakeappropriatemeasurestoensuresafetyproductionofcoalmines.ThetransientelectromagneticmethodwasusedtodetectcoalgoafandcollapseareasinacoalmineofLuoPingcity.TakingthecoalmineworkedoutsectioninLuoPing,Yunnanprovinceforinsta-nce.ThelargefixedloopsettingofTEMwasselectedandSM24transientelectromagneticsystemwasusedtoexplorecoalgoaf.Exploretheapplicationeffectoftransientelectromagneticmethodincoalminewaterloggedworkedoutsection.ThisprovidesagooddemonstrationeffectwhichusingtransientelectromagneticmethodincoalmineinYunnanmountainareas.Theanalysesshowthatthemethodwhichisusedinthecoalmineworkedsectionhavefeaturesoffastandconvenient,highresolutionandeconomicalefficiency.Itcansatisfytherequirementofproducingcoalminesafely.
Keywords:transientelectromagneticmethod（TEM）;SM24TEMinstrument;thebigfixedloop;coalgoaf
云南是一个煤炭资源利用大省，开采历史悠久，现有煤矿生产矿山1千个以上，年产原煤约0.98亿吨，为地方经济建设提供有力能源保证。但是由于以往无序开采，小煤窑越界开采形成大量不明采空区，而采空区充水对煤矿的安全生产危害较大，2014年云南省宣威市倘塘镇小河边煤矿、曲靖市麒麟区东山镇下海子煤矿先后发生煤矿透水事故，造成人员伤亡经济损失的同时也再次给煤矿安全开采敲响了警钟。云南省煤矿地质构造复杂，地质勘查程度低，煤矿灾害严重。部分煤矿企业对自身的隐蔽致灾因素认识不清，防范措施针对性不强，煤矿隐蔽致灾因素已对安全生产构成严重威胁。为此在煤层开采之前需对矿区内积水情况及其
他隐蔽致灾因素进行普查，是体现预防为主、源头治理的治本之策，是有效防范煤矿重特大灾害事故的重要举措。
１.方法原理
瞬变电磁法（TEM）是一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法，利用不[1]接地回线或接地线源向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁感应的地下涡流产生的二次场的空间和时间分布来解决有关地质问题[6]。瞬变电磁法具有对低阻地质体反映灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高、勘探深度大、不受表层高阻地质体影响、工作效率高等优点，尤其是对含水地质体[1-3]。
２.煤田采空区的地球物理特征
煤层采空后，原应力平衡遭到破坏，在煤层顶板保存完整时，采空区以不充水或充水的空洞形式保存下来，当煤层顶板由于重力等原因坍塌后形成冒落带、裂隙带，采空区及塌陷区与周围地层的地球物理特征就发生了显著变化［2］。实际测量中，二次场的衰减快慢与地质体的电阻率有关，电阻率高，则二次场衰减快；电阻率低，则二次场衰减慢。在煤层顶板保存完好的情况下，采空区空洞不积水时，电性上表现为高阻异常；采空区空洞积水或采空塌陷区积水时，电性上表现为低阻异常。采空区及塌陷区与围岩存在电阻率差异是用瞬变电磁法探测的物理前提。
3.实例分析
3.1测区概况
矿区地处罗平县境内，呈北东～南西向不规则多边形展部，属滇东煤田圭山含煤区北东段的一部分。经过数十年的开采，矿区地质情况极为复杂，部分区域地表已出现裂缝、地面下陷等现象，初步判断为采空区和塌陷区引起。由于地质资料和采掘资料的不完整，依据现有的采掘工程图件不能完全圈定采空区的范围，同时为满足矿区资源整合、技改扩能的需要以及全面贯彻执行国家煤矿安监总局和云南省人民政府关于煤矿防治水方面的文件精神要求，进行煤矿采空区和塌陷区范围和积水情况的探测刻不容缓。
3.2地质概况
煤矿区地处扬子准地台西南边缘滇东台褶带，曲靖台褶束东南部，富源～弥勒断裂的东南侧，平关～阿岗大断裂西侧，补腊～宜那向斜北西翼。大地构造单元属扬子准地台（I）、滇东台褶带（I）、曲靖台褶束（I3）的富源凹褶（I3）的南端，罗平～师宗断褶束的西部，与平关～阿岗大断裂西侧的恩洪复向斜东侧的平关～大坪复向斜临近，皆归属于滨太平洋断裂体系云南东部北东向断裂构造带，具体位于轴向北北东向的补腊～宜那向斜北西翼，地层走向、山脉走向与主体构造线方向基本一致，总体为地层走向北北东，倾向南东东的单斜构造，属缓倾斜岩层，地层倾角10～40°。区内断裂构造较发育，以走向及斜交断层为主，多为北东东向或北北西的张性断裂为主，受断层的影响，地层（煤层）发生明显缺失，地层层序出现不连续。
矿区及邻区出露地层由老至新依次为：二叠系上统峨眉山玄武岩组（Pβ）、龙潭组（Pl）、长兴组（Pc）；三叠系下统卡以头组（Tk）、飞仙关组（Tf）、永宁镇组（Ty）；第四系(Q)。区内含煤地层为龙潭组和长兴组，含煤地层总厚171.69～259.19m，平均211.05m，含煤14～23层，含煤总厚7.29～13.67m，平均9.38m，可采煤层为M、M、M、M，可采煤层厚度4.08～10.81m，平均6.46m。区内主采煤层为M，煤层厚度2.91-5.07m,一般厚3.69m，呈层状，全区均有分布，顶板为泥岩和泥岩粉砂，底板为泥质粉砂岩和粉砂岩。
3.3矿区地球物理特征
矿区地电特征为：表层第四系浮土、粘土视电阻率值最低，一般在30～70Ω*ｍ，低于泥岩、砂质泥岩、砂岩、煤、灰岩、玄武岩，煤层电阻率值较高，一般在40～160Ω*ｍ，是本次探测的重点层位；最高的为灰岩和玄武岩，一般大于200Ω*ｍ。矿区内探测的目标层采空区由于受地表裂缝和塌陷，地表水浸入影响，在充水情况下应为低阻异常，在没有充水情况下应为相对高阻异常。
3.4野外施工方法选择
3.4.1装置选择
野外测量工作采用澳大利亚EMIT公司进口的SM24瞬变电磁测量系统，通过对比试验选定大定源方式，布设发射线框为200x200m,发射电流为16.5A，发射频率为12.5HZ,接收机和发射机采用GPS同步。测网为50x20m(线距50m，点距20m)，发射机固定不动，接收机（SM24便携式采集系统和TEM-3接收探头）移动测量，测量中严格按规范执行。
3.4.2参数选择及试验分析
在矿区已知采空区和未知采空区进行方法有效性试验。通过选择多种不同的参数（叠加次数、发射频率、关断延时、发射电流、采集频率、装置类型等）组合进行对比试验，最终选择效果最佳、施工效率高的大定源装置（发射线框200m×200m,发射电流16.5A，发射频率12.5HZ，叠加次数512次）进行瞬变电磁的数据采集工作。测网布置为50m×20m（线距50m、点距20m），在工作区共布置了14条测线。测点布设采用天宝GXT3000GPS手持全球卫星定位系统（精度为亚米级）。测点布设前在矿区的控制点进行相关系数校正和仪器的常规检验。测点布设过程中严格执行相关测量规范和规程，采用西安80坐标系统，按照设计测点坐标进行线框及测点布设，测点用红布条按线号-点号及时做好标记。
3.5资料处理解释
瞬变电磁法由于对低阻地质体或含水地层反应灵敏，同时因此次工作地点地层的视电阻率有明显的电性差异，为物探工作提供了充分的物性条件，因此具有良好的电磁法探测物性基础。资料解释步骤为：①调查测区的已有地质、水文和工程采掘资料，确定测区地层、目的层的地球物理特征；②将采集的原始数据导入MAXWELL软件，输入相关参数进行滤波等预处理;③通过MAXWELL软件数据处理模块对预处理后的数据进行计算,导出数据成果文件；④根据地形和测点标高，经深度校正后，采用SURFER软件绘制视电阻率断面图（横坐标为测点号，纵坐标为标高），根据主采煤层相应测点标高绘制切面图；⑤成果解释按照从已知到未知的解释原则，划分断面图和平面图不同区域的视电阻率异常区，圈定积水采空区和非积水采空区范围；⑥结合水文地质等资料，对各异常区进行富水性分析评价。
3.6成果分析
图1为测区11测线对应的ρ断面图。纵向上看，从浅到深ρ整体呈现低—较高—低—高的电性特征，符合地层的电性分布特征，受探测效果的影响，煤系上部区域存在探测盲区。横向上在4～7号点，标高约1830～1950ｍ处和9～11号点，标高约1850～1940ｍ处，ρ曲线急剧变化，呈低阻圈闭状，ρ介于30～50Ω*ｍ，说明此部位积水性较强，推断解释为积水采空区，与煤矿此处已知的M、M、M采空区资料圈定的范围基本一致。
图1测区11线视电阻率剖面图
为更好的了解煤层的采空区范围和积水情况，根据M煤层底板等高线资料提取了视电阻率切片图。在M煤层视电阻率切片图中，煤层较完整时表现为电性变化相对均匀，若受采动破坏存在采空区时，视电阻率等值线则扭曲变形严重。若采空区积水，ρｓ则会相对较低，等值线呈现为低阻条带或低阻圈闭，据此可对采空区积水分布情况作出更加精确的推断解释。图2为测区内M9煤层视电阻率切片图，图中显示整个测区范围内ρ由北向南升高，等值线变化极不均匀，说明该煤层底板等高线地层破坏较严重。此次推断解释圈定2个不积水采空区(编号Ⅵ、Ⅶ)，5个积水采空区(编号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)，其中积水采空区富水性较强，需综合防治。
图2M煤层视电阻率切片图
4.结论
结合矿区实际，采用大定源瞬变电磁法对煤矿的采空区积水情况、构造水等水文地质异常进行调查与评价，同时结合水文地质及实际采掘资料，按照从已知到未知的解释原则进行综合解释，提高了解释成果的精度和可靠度，有效划定采空区的范围，采空区积水性总体表现为北部积水程度较大。当然瞬变电磁法在应用中也存在一些问题，应非常重视：
（1）积水采空区依据视电阻率值的高低划分范围是相对的，其范围可能会被圈大或者圈小；引起视电阻率变化的因素是多样的（岩性、完整性、积水性等），应结合具体地质环境来分析定性，与水文地质上的积水程度不能等同看待；（2）由于高压线和房屋等的干扰，瞬变电磁工作方法、工作原理、工作量及本身瞬变电磁分辨率和多解性等限制，采空区切面图主要针对主采M煤层划定，所圈定的积水采空区的位置及边界范围等可能存在偏差，这就需要对瞬变电磁法的理论和资料处理进行更深入的研究和探索，从而更好地为煤矿隐蔽致灾普查工作服务；（3）受SM24仪器方法探测的局限性，存在浅部无电性数据，因此浅部探测存在盲区，故在视电阻率等值线断面图中上部为空白区,使用时应引起注意。
本次勘探的成果为该煤矿采区合理布置巷道和编制采区防治水预案提供了科学依据，为煤矿的后续开采提供了安全保障，具有较好的经济和社会效益，同时为瞬变电磁法在云南这种多山、地形切割大的地区推广提供了很好的示范作用。
参考文献：
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作者简介：
虎恩朋（1988-），男，助理工程师，云南昭通人，2011年毕业于长安大学地球物理学专业，从事地球物理勘探工作。