摘 要：根据晋城市安全生产委员会【2022】23号文件以及【2023】14号文件，该矿2021年以后需重新开展地面物探，查明该矿3号煤层老空积水区分布范围及煤系地层主要含水层(K2、K5)的富水情况，为防治水工作的有效实施提供参考依据。本次采用地面瞬变电磁法对划定区域进行勘探工作，并在瞬变电磁划定异常区域基础上进行激发极化验证工作。
经数据处理并结合已有地质资料分析，确定该矿内3号煤层存在6处积水区，编号JS1～JS6，积水区面积共264374.68㎡；K2岩层2处富水区，编号FS1、FS2，富水区面积共95248.88㎡。本次探测工作验证了地面瞬变电磁法和激发极化法在煤矿采空积水区勘查中的有效性，能够为工作面合理布置和采空积水区治理等提供可靠的地质信息。
关键词：煤矿、地面瞬变电磁法、激发极化法、采空积水区
引言
上世纪30年代前苏联科学家最早提出瞬变电磁法，采用远区工作模式；1933年美国科学家L.W.Blau最先提出利用电流脉冲激发供电偶极形成时域电磁场；上世纪50-60年代，前苏联科学家建立了瞬变电磁法的解释理论和野外工作方法。在上世纪70-80年代之间，美国等西方国家对短偏移法进行了大量的研究和试验阶段。
我国于70年代初开始研究瞬变电磁法,主要采用近区方式的中心回线法和重叠回线法进行工作，代表作有朴化荣的《电磁测深法原理》，牛之链的《脉冲瞬变电磁法原理》，方文藻的《瞬变电磁测深法原理》，蒋邦远编著的《实用近区磁源瞬变电磁法勘探》，瞬变电磁法在地质、物探领域内逐渐得到广泛利用[1-6]。
上世纪60年代，国外学者Victor Vacquier(1957)等提出用激电二次场衰减速度找水的思想。在该思想的启迪下，我国也开展了有关研究，并将激电场的衰减速度具体化为半衰时、衰减度、激化比等特征参数，把激电参数与地层的含水性联系了起来[7-10]。
1 勘探区地质概况及地球物理特征
勘探区内地层主要为上石盒子组及石千峰组，第四系遍布在山梁、岭及沟谷两侧。地层由老到新分别为：奥陶系中统下马家沟组(O2x)、上马家沟组(O2s)和峰峰组(O2f)、石炭系中统本溪组(C2b)和上统太原组(C3t)、二叠系下统山西组(P1s)和下石盒子组(P1x)、二叠系上统上石盒子组(P2s)和石千峰组(P2sh)、第四系。其中，太原组为主要含煤地层之一，含煤7～16层，下部煤层发育较好；含灰岩3～8层，以K2、K3、K5泥灰岩较稳定。山西组与下伏太原组呈整合接触，为主要含煤地层之一。其3号煤层为全区可采的稳定煤层，也是本组唯一可采煤层(图1-1)。
综上所述，勘探区内可采煤层分别为3号、9号和15号煤层(表1-1)。
根据含水层岩性、储水空间和水力性质，勘探区内含水层主要有第四系冲积层孔隙含水层及风化带裂隙含水层，二叠系山西组、石盒子组砂岩裂隙含水层，石炭系上统太原组石灰岩岩溶裂隙含水层和奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层。隔水层主要为石炭系、二叠系各砂岩、灰岩含水层间的泥岩、砂质泥岩隔水层组以及中石炭统本溪组铝质泥岩、泥岩隔水层组。
据矿方资料，勘探区内地层基本呈单斜构造，正断层和陷落柱较多(图1-1)。
勘探区地层电阻率在纵向上为中高~低~高的特征(表1-2)。 综上所述，勘探区具备以瞬变电磁法勘探为主、激发极化法为辅进行勘探的地球物理条件。
2 探测原理
2.1 瞬变电磁法
瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method，简称TEM)是利用不接地回线或电极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场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，来解决有关地质问题的时间域电磁法。
2.2 激发极化法
瞬变电磁法确定异常区后，综合地质、采矿等情况采用激发极化法进行辅助验证工作，确定异常区的范围和性质，确保解释结果的可靠性。激发极化法测深测量参数为视极化率ηs(%)、视电阻率ρs(Ω•m)。
3 仪器设备
3.1 瞬变电磁法
本次瞬变电磁法勘探工作使用加拿大凤凰公司生产的V8电法工作站。主机(V8-Reciever)可以对辅助接收机和发射控制器进行操作；利用GPS卫星时间达到时钟同步，选择不同的滤波参数以达到抗干扰的功能。
3.2 激发极化法
本次激发极化法施工拟使用重庆奔腾数控技术研究所生产的WDJD-3型多功能直流激电仪。其采用多级滤波及信号增强技术、集成电法干扰抑制器功能，测量精度高。
4 野外工作
4.1 瞬变电磁法
4.1.1 工作布置
依据勘探目的，瞬变电磁施工网度按照20m×20m，即线距为20m，点距为20m进行布置。勘探区地层走向近南北向，因此，测线、测点以“由南向北、由西向东”的顺序统一布置，共计布置测线123条，生产物理点6531个。测点号从西到东由小到大编设，测线号从南到北由小到大编设(图4-1-1)。
4.1.2 工作装置
本次瞬变电磁勘探采用大定源回线装置进行施工。线框边长选择600m，在其中心约1/9面积(中间1/3回线边长范围)利用接收线圈接收感应二次场，每移动一次探头为一个物理点。
4.2 激发极化法
4.2.1工作布置
本次激发极化法探测在瞬变电磁法解释的3号煤层主要异常区内外布设直流激电测深点进行验证，分别在YC1-YC13低阻异常区布置3个测深点，如图4-2所示：
4.2.2 工作装置
激发极化法选择对称四极测深固定装置，记录点取在MN的中点。供电电极AB与测量电极MN的布置与测线方向一致。对称四极电测深根据异常特征、地形条件，顺测线布置。仪器工作统一参数为：供电周期32s、延时100ms、采样宽度20ms。
本次勘探激发极化法目的层最大埋深约530m，本次AB/2采用3~700m，在满足勘探深度的条件下，AB/2最大调整为700m。 5 数据处理
5.1 瞬变电磁法数据处理
数据处理之前先要对原始数据进行逐点检查，验证其有效性并统计误差，之后进行滤波处理，以达到压制干扰、突出有效信号的目的，然后把野外观测到的dB/dt值按远区的晚期计算公式、视深度的计算公式经过反演转换为ρτ(t)和Hτ(t)等参数。
5.2 激发极化法电测深数据处理
激发极化法电测深数据的处理分为三个部分：(1)原始数据的录入；(2)一次数据处理包括数据编辑、归一化、地形校正及均滑处理；(3)二次数据处理：包括单点测深曲线的绘制。测深曲线的绘制采用Grapher数据处理软件。
6 结果分析
6.1 典型平面图的分析
6.1.1 3号煤层
图6-1-1为3号煤层顺层视电阻率等值线平面图，图中蓝绿色冷色调区域为相对低阻区，红黄色暖色调区域为相对高阻区，从图上可以看出，等值线数值整体上差异较大，变化范围在20~143Ω•m之间，在图中出现8处相对低阻异常区，阻值在50Ω•m以下。
根据矿方现有已知资料，勘探区3号煤层存在小窑及本矿采空区，且3号煤层8处相对低阻异常区与采空区位置较吻合，结合矿方已知地质信息，分析认为3号煤层的8处相对低阻异常区均为采空区积水的响应。
6.1.2 K5灰岩
图6-1-2为K5灰岩顺层视电阻率等值线平面图，图中蓝绿色冷色调区域为相对低阻区，红黄色暖色调区域为相对高阻区，从图上可以看出，等值线数值整体上差异较大，变化范围在25~120Ω•m之间，在图中出现3处相对低阻异常区，阻值在50Ω•m以下。
根据矿方现有已知资料，勘探区K5灰岩YC9、YC10、YC11相对低阻异常区位于3号煤层采空区下方，异常区位置与3号煤层YC5、YC6相对低阻异常区基本相同。由于K5灰岩层距3号煤层较近，层间距在23m左右，分析认为K5灰岩层相对低阻异常区是由于瞬变电磁勘探体积效应的影响，受3号煤层异常区影响所致。
6.1.3 K2灰岩
图6-1-3为K2灰岩顺层视电阻率等值线平面图，图中蓝绿色冷色调区域为相对低阻区，红黄色暖色调区域为相对高阻区，从图上可以看出，等值线数值整体上差异较大，变化范围在33~108Ω•m之间，在图中出现2处相对低阻异常区，阻值在50Ω•m以下。
根据矿方现有已知资料，勘探区K2灰岩底板为15号煤层，勘探区范围内15号煤层进行了部分采掘活动，采掘范围位于勘探区东部，勘探区2处相对低阻异常区位于勘探区西部，异常范围内15号煤层无采掘活动。结合矿方已知地质信息，分析认为K2灰岩的2处相对低阻异常区均为K2灰岩层富水的响应。
6.2 激发极化法电测深分析
完成全区瞬变电磁扫面工作后，分别对瞬变电磁法解释的异常区(YC1-YC13)内外布设激发极化法电测深点进行验证，本文选取部分典型测深曲线进行分析(图6-2-1)。
结合瞬变电磁法探测成果及矿方提供的水文资料，综合分析认为，YC1、YC2低阻异常区积水效应较弱，YC5低阻异常区部分区域积水效应较弱，YC6、YC7、YC8低阻异常区积水效应较强，YC3、YC4低阻异常区积水效应中等，YC12、YC13低阻异常区富水效应中等。
7 结论
本次采用瞬变电磁法与激发极化法，对勘探区进行地面物探勘查，并结合现有地质资料，对取得的勘探成果进行了推断解释，获得如下结论：
1、基本查明勘探区内3号煤层老空积水区分布情况，3号煤层共划分6处积水区，编号JS1～JS6积水区面积共264374.68㎡。其中：JS1积水区面积12579.72㎡，可靠程度中等；JS2积水区面积39837.97㎡，可靠程度中等；JS3积水区面积38425.68㎡，可靠程度较高；JS4积水区面积107018.02㎡，可靠程度较高；JS5积水区面积42552.19㎡，可靠程度较高；JS6积水异常区面积23961.10㎡，可靠程度较高。
2、基本查明煤系地层主要含水层K5灰岩层富水情况，K5灰岩层未划分富水区。
3、基本查明煤系地层主要含水层K2灰岩层富水情况，K2灰岩层共划分2处富水区，编号FS1、FS2富水区面积共95248.88㎡。其中：FS1富水区面积51281.85㎡，可靠程度中等；FS2富水区面积43867.03㎡，可靠程度中等。
本次探测工作验证了地面瞬变电磁法和激发极化法在煤矿采空积水区勘查中的有效性，能够为工作面合理布置和采空积水区治理等提供可靠的地质信息。
参考文献
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