关键词：瞬变电磁法、高密度电阻率法、综合、采空区、电阻率。
平川红会牛拜矿区长期大规模的地下采煤，导致的地面塌陷是该区的主要地质环境问题之一。地面塌陷、沉降诱发地质灾害，破坏土地资源和生态环境，不仅给煤矿生产造成严重安全隐患，甚至危及人民生命财产安全。因此，查明不明采空区的分布范围、大小及其富水程度，尤为重要。
目前用于采空区探测的方法有多种，不外乎有3类。
（1）地质钻探：通过布置钻孔方法直接进行钻探取芯验证。优点是直观、精度高，缺点是费用高昂、工期长，并且难以控制采空区的边界。
（2）地质灾害调查：通过设计图纸及地面沉降区、塌陷区域调查分析，勾画采空区的范围，虽然成本低，但精度也较低。
（3）地球物理勘探：采用各种物探手段对勘探区域扫面控制测量。优点是速度快、成本低、精度相对较高，能够确定采空区的边界条件及埋藏深度。不足之处是物探解释具有多解性。
当前在中浅层采空区中，地球物理勘探中瞬变电磁法、高密度电阻率法应用最普遍。瞬变电磁法主要用于探测埋深100—500m的采空区，具有较强灵敏度，对低阻、高阻分辨率高，受地形、地物条件影响小，施工方便、成本低、效率高。
高密度电阻率法主要用于探测埋深小于150m的采空区，对高阻、低阻分辨精度高，反映效果好，清晰直观且易解释，具有成本低、高效等特点。两种方法探测深度上优势互补，圈定中浅部采空区位置，具有明显探测效果。
1 工作区概况
1.1 区域地质概况
工作区位于白银市平川区靖远煤田东部，属于红会牛拜矿区。矿区位于黄家洼山南缘断裂的西南侧。中生代的基底是奥陶系及侵入其中的加里东晚期花岗闪长岩岩株，具有相对的刚性和稳固性。侏罗系覆于该刚体之上，由于受轴向近南北的不对称宽缓向斜（红会复向斜）的影响，才使窑街组含煤地层保留下来。红会复向斜西翼宽而明显，煤系基底为花岗岩和三叠系；东翼窄，倾角缓，煤系、煤层薄甚至尖灭，基底为奥陶系和花岗岩。矿区大部分位于该复向斜的西翼，属于侏罗系矿区之一，处于宝积山一红会拗褶带上。
区内地层主要有第四系、侏罗系，第四系地层岩性自上而下为黄土、亚砂土、亚粘土、含泥粗砂、砂砾层，呈互层结构，沉积规律明显，厚度20—100m，视电阻率值10—250Ω·m。侏罗系地层为泥岩、砂质泥岩、细砂岩、砂岩、粗砂岩，厚度大于500m，视电阻率20—150Ω·m。区内地表无常年性河流，只有雨季有季节性山区洪流，黄土丘陵中冲沟发育。矿区由几个不对称的向斜自流水盆地组成，各向斜微向南东倾伏，上部普遍被第四系覆盖。
矿区范围内小煤窑分布多，小煤窑采空区情况不明，其涌水量不能确定。
矿区水文地质类型为砂岩裂隙含水。由于地处干旱半荒漠区，无补给条件，地表无固定水体，每年雨季暴雨后沙河有暂时性流水，水文地质条件比较简单。但是由于开采引起的地面沉陷，加之地表多为巨厚层状湿陷性黄土，极易形成冲沟、冲洞，导致地面洪水溃入井下，防洪形势异常严峻。矿区曾发生过因塌陷区洪水溃入而淹井事故。
1.2 地面塌陷灾害概况
矿区地下煤层开采时间久远，矿井属于多煤层，煤层采出厚度较大，重复采动次数多。采动地表沉陷与变形量大，持续时间长，特原煤层分层开采和放顶煤分段开采后，地表较大范围的突发性塌陷，随着时间的推移，地表不断出现塌坑，且形状不规则、不确定性，加上矿区地势相对高差变化大，山高、坡陡，地面塌陷引起山坡变形、开裂，常引发山体滑坡，使塌陷范围扩大。大面积地面塌陷在地表形成塌陷盆地、漏斗状塌陷坑、台阶状断裂、地裂缝。塌陷坑形状多呈漏斗状和圆柱状，塌坑直径20—50m不等，一般属于浅部塌陷，深度小于20m。
2 工作原理及采空区地球物理特征
2.1 工作原理
瞬变电磁是通过不接地回线或接地长导线供以双极性脉冲电流，当回线中的稳定电流突然切断后，根据电磁感应理论，发射回线中电流突然变化必将在其周围产生一次磁场，一次磁场在周围传播过程中，如遇地下良导电的地质体，将在其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流，由于导电地质体是非线性的，所以脉冲电流从峰值跃变到零，一次磁场立即消失，而涡流并不立即消失，有一个瞬变过程，这个过程的快慢与导体的电性参数(体积规模和埋深以及发射电流的形态和频率)有关，地质体导电性愈好，涡流的热耗损愈小，瞬变过程愈长．这种涡流瞬变过程，在空间形成相应的瞬变磁场，通过接收线圈测量二次场空间分布形态，就可发现地下异常地质体的存在，并确定异常体的电性结构和空间分布形态。
高密度电阻率法是综合四极垂向电测深法与剖面法的一种勘探方法，该方法既能了解垂直方向上地层结构，也能反映同一深度范围内在水平方向上地层岩性变化规律，它是以岩土体的电性差异为基础的一种电探方法，根据在施加电场作用下地层传导电流的分布规律，通过A、B电极向地下供电流I，然后在M、N极间测量电位差ΔV，从而可求得该点（M、N之间）的视电阻率值（图2—1）。具有自动采集数据、自动反演成像的特点，图件上能直观反映基岩裂隙、断裂破碎带、隐伏断层位置及岩性结构。
图2—1 高密度电阻率法工作原理示意图2.2 地球物理特征
当地层完整，没有在地质构造采空区时电性呈现规律均一响应，表现为电阻率等值线相对平直延伸，无明显梯度变化特征。当煤层被采空后，煤层及围岩失去原始应力状态，应力重新分布，在采动应力作用下煤层及围岩产生变形、断裂和垮落，最终导致整个上覆岩层移动和变形，分布形态间断，在地表形成大范围沉陷盆地、塌陷漏斗，地表裂缝，此处视电阻率值高于完整岩层的电阻率值。表现高阻特征，若采空区域的空隙被水或泥质所充填后，由于地下水流动性及电离作用，电阻率值明显低于围岩的电阻率值，表现为低阻特征，结合区域地质资料，对比地层物性差异，寻找高阻异常区，圈定采空区的分布范围。
地层岩性的电性差异特征是开展地球物理勘查的前提资料解释的依据。在充分利用钻孔资料的基础上，结合本次勘查资料对比分析，确立了高阻和低阻电性标志层。通过勘查区电性参数测定，粗颗粒泥质砂砾石视电阻率值90—250Ω·m，细颗粒黄土、亚砂土、亚粘土、含泥粗砂视电阻率值10—90Ω·m，呈低阻特征显示，采空区视电阻率值150—350Ω·m，呈高阻特征显示，当岩性中泥质含量较高时也导致视电阻率值降低。不同地层岩性之间在电性上存在较明显差异，具备地球物理勘查前提条件。不同地层岩性对应的视电阻率值见表2-1。
不同地层岩性对应的视电阻率值表表2-1
3 技术方法及成果解释
3.1 技术方法
施工仪器为地大华睿CUGTEM-8型瞬变电磁系统。通过前期地电剖面试验，确定发射线框4×4m，矩形回线，发射频率25HZ，发射电流50A，关断时间200ms，测网密度为100×40m。采集的原始数据利用处理软件进行一维层状反演，先得到电阻率与深度曲线。根据已知资料调整深度反演系数，再绘制各测线网视电阻率断面图，确定电性层电阻率值及厚度。高密度勘查采用重庆地质仪器厂生产的DUK—2高密度电法系统进行野外数据观测，利用高密度成像系统在计算机上反演成像。逐条剖面解释并结合区域地质资料、钻孔资料剔除干扰异常，圈定采空区分布范围。图3 —1、图3—2、图3—3、图3—4分别为1号、2号、3号、4号剖面视电阻率断面图。
3.2 成果解释
1号剖面
在1号高密度视电阻率断面上（图3-1），表层视电阻率值20—
166Ω·m，对应地层岩性为黄土、亚砂土、含泥粗砂、泥质砂砾石，厚度30—45m；中部视电阻率值形成一个波浪状的中阻体，视电阻率值20—80Ω·m，对应地层岩性为亚粘土、亚砂土、含泥粗砂，厚度20—50m；下部视电阻率值较低，视电阻率值10—70Ω·m，推测地层岩性为侏罗系泥岩、砂质泥岩、细砂岩。在31—70号点下部形成两个椭球状低阻体，视电阻率值小于20Ω·m ，对应地层岩性为侏罗系泥岩。
在1号瞬变电磁断面上，表层视电阻率值20—50Ω·m，对应的地层岩性为第四系亚砂土、含泥粗砂、泥质砂砾石，厚度小于100m，与高密度解译结果基本吻合；在断面中部形成一个不规则的条带状高阻体，视电阻率值100—230Ω·m，对应的地层岩性为侏罗系细砂岩、砂岩、粗砂岩；下部为低阻体，视电阻率值10—100Ω·m，对应的地层岩性为侏罗系泥岩、砂质泥岩、细砂岩。
在1号瞬变电磁断面上，侏罗系地层岩性中出现了视电阻率值大于150Ω·m的高阻区域，结合区域地质资料分析，高阻区域可能为采空区反映，用红色虚线圈定及编号。1号剖面共圈定6个采空区，其中1号采空区在水平位置自西向东0—60m处，埋藏深度310—330m，宽度50—60m，呈水平状展布；2号采空区在水平位置240—290m处，埋藏深度230—310m，宽度40—50m，呈椭圆状展布；3号采空区在水平位置400—580m处，埋藏深度200—300m，宽度范围大160—180m，型状酷似“手”；4号采空区在水平位置850—860m 处，埋藏深度320—330m，宽度范围小5—10m，呈圆状展布；5号
黄土、亚砂土、泥质砂砾石
泥岩、砂质泥岩、细砂岩
亚粘土、亚砂土、含泥粗砂
细砂岩、砂岩、粗砂岩
泥岩、砂质泥岩、细砂岩
1
2
3
5
6
4
亚砂土、含泥粗砂、泥质砂砾石
1号剖面推测采空区位置、埋藏深度、宽度一览表表3-1
2号剖面
在2号高密度电法断面上（图3-2），表层视电阻率值40—160Ω·m，对应地层岩性为黄土、亚砂土、泥质砂砾石，厚度25—40m；中部视电阻率形成一个条带状低阻体，视电阻率值20—50Ω·m ，对应地层岩性为亚砂土、亚粘土、含泥粗砂，厚度20—30m，该地段视电阻率值明显低于正常地层值，推测与矿井坍塌冲水有关。下部为中高阻，视电阻率值50—90Ω·m, 推测地层岩性为侏罗系砂质泥岩、细砂岩，呈互层状结构。
在2号瞬变电磁断面上，表层视电阻率值小于50Ω·m，对应的地层岩性为第四系亚砂土、亚粘土、含泥粗砂，厚度60—80m，与高密度解译结果相吻合；断面中下部视电阻率值30—230Ω·m，对应
砂质泥岩、细砂岩
黄土、亚砂土、泥质砂砾石
亚砂土、亚粘土
泥岩、砂质泥岩、细砂岩、砂岩、粗砂岩
2
3
4
1
亚砂土、亚粘土、含泥粗砂
含泥粗砂
在2号瞬变电磁断面上，侏罗系地层岩性中出现了视电阻率值大于150Ω·m的高阻区域，结合区域地质资料分析，高阻区域可能为采空区反应，用红色虚线圈定及编号。2号剖面共圈定4个采空区，其中1号采空区在水平位置自南向北320—500m处，埋藏深度200—400m，宽度170—180m，呈“弯月型”展布；2号采空区在水平位置760—850m处，埋藏深度320—360m，宽度80—90m，似椭圆状展布；3号采空区在水平位置940—980m处，埋藏深度240—340m，宽度30—40m，呈两个不规则体垂直展布；4号采空区在水平位置1060—1140m处，埋藏深度320—380m，宽度70—80m，近似椭圆状展布。推断采空区位置、埋藏深度、宽度见表3-2。
2号剖面推测采空区位置、埋藏深度、宽度一览表表3-2
3号剖面
在3 号高密度电法断面上（图3-3），1—29号点之间中上部呈现明显半封闭低阻区域，视电阻率值20—30Ω·m，其电阻率值较正常地层明显偏低，对应地层岩性为黄土、亚粘土，推测煤层已采空积水坍塌，与地面调查结果相对应。29—120号点之间表层视电阻率值30—120Ω·m，对应地层岩性为黄土、亚砂土、含泥粗砂、泥质砂砾
亚砂土、含泥粗砂
细砂岩、砂岩、
粗砂岩
细砂岩、砂岩、粗砂岩
黄土、亚粘土
1 2
3
4
泥岩、砂质泥岩、细砂岩、砂岩、粗砂岩
黄土、亚砂土、含泥粗砂、泥质砂砾石
细砂岩
亚砂土、亚粘土、含泥粗砂
石，厚度20—35m；中部视电阻率形成一个中阻体，视电阻率值小于50—80Ω·m ，对应地层岩性为亚砂土、含泥粗砂，厚度30—50m。在28—46、60—110号点中下部形成两个不规则的椭球状高阻体，视电阻率值90—120Ω·m, 对应地层岩性为侏罗系细砂岩、砂岩、粗砂岩，在46—60号点下部形成一个中低阻区，视电阻率值50—90Ω·m，与侏罗系细砂岩相对应。
在3号瞬变电磁断面上，表层视电阻率值10—40Ω·m，对应的地层岩性为第四系亚砂土、亚粘土、含泥粗砂，厚度70—80m，与高密度解译结果基本吻合；断面中下部视电阻率值10—340Ω·m，对应的地层岩性为侏罗系泥岩、泥质砂岩、细砂岩、砂岩、粗砂岩。
在3号瞬变电磁断面上，侏罗系地层岩性中出现了视电阻率值大于150Ω·m的高阻区域，结合区域地质资料分析，高阻区域可能为采空区反应，用红色虚线圈定及编号。3号剖面共圈定4个采空区，其中1号采空区在水平位置自西向东0—70m处，埋藏深度220—400m，宽度60—70m，呈山峰状展布；2号采空区在水平位置100—260m处，埋藏深度220—400m，宽度150—160m，深度及宽度范围都较大，呈“门”字型展布；3号采空区在水平位置430—470m处，埋藏深度210—260m，宽度30—40m，近似椭圆状展布；4号采空区在水平位置0—700m处，埋藏深度230—360m，宽度50—60m，呈倒锥形展布。推断采空区位置、埋藏深度、宽度见表3-3。
3号剖面推测采空区位置、埋藏深度、宽度一览表表3-3
4号高密度断面
在4号高密度电法断面图上，表层视电阻率值小于50Ω·m，对应地层岩性为黄土、亚砂土，厚度40—50m，局部高阻是有填方引起；中下部视电阻率值50—150Ω·m，对应地层岩性为粗砂、含泥砂砾石；在水平距离290—320m下部形成一个椭圆状高阻体，视电阻率值大于150Ω·m ，推测为砂井采空区，埋藏深度40—45m，宽度25—30m。该地段已被钻探证实采空区存在。
推测采空区
图3-4 4号高密度电法断面图
通过对资料全面分析，区内气候属干旱半荒漠区，无补给条件，地表无固定水体，含水层主要为矿岩裂隙含水层，富水性较弱。煤层顶板岩层以泥质岩类为主，厚度较大，为隔水层，沉积相对稳定。雨季暂时性洪流在地表极易形成冲沟、冲洞，顺着开采巷道，进入采空区，浅层积水易造成采空区塌陷，表现为低阻特征。深部采空区形成不连接积水，呈现高阻电性特征。
4 结论
实践表明，在煤矿采空区地质灾害调查中采用瞬变电磁及高密度电阻率法对煤矿中浅层采空区探测效果明显，方法是较为可靠的，也是可行的。在充分分析研判岩石物性异常的基础上，做实验剖面，选取合理的技术参数，结合区域地质条件，综合分析研究，提取中浅部地层电性信息，探测采空区的边界条件，为后期灾害治理环境恢复提供地质依据。
应用本次勘查需要注意以下几点：
1、矿井采空区出现非连续积水或无积水，致使煤层采空区范围形成高阻区域，呈现高阻特征。
当煤层采空区被水体充满，出现连续积水致使采空区电阻率值下降，形成低阻区域。通过绘制各剖面电阻率断面图和顺煤层平面图对比圈定异常。
2、圈定的高阻、低阻异常，需结合已知水文地质资料、钻探资料，进行详细分类，排除干扰异常，确定采空区范围。
3、当勘查区裂隙发育存在小构造时会产生假象异常。
4、采集参数时，应尽量排除干扰，避免高压线、铁路、信号源等外部因素的干扰。
参考文献
［1］李强.窑街矿区生态环境破坏与治理措施［J］.煤矿环境保护，2002，2. ［2］蒋帮远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探［M］.北京地质出版社，1998. ［3］方文藻.瞬变电磁测深原理［M］.西安：西北工业大学出版社，1998.下载本文
