瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

劉 亮 顧廣宇

（江蘇煤炭地質(zhì)局普查隊(duì)，江蘇 徐州 221006）

1 概述

老煤礦開(kāi)采形成的采空區(qū)是礦區(qū)安全生產(chǎn)的重大隱患，嚴(yán)重威脅礦區(qū)的安全生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。采空區(qū)冒落、地表塌陷易造成民房下沉裂損甚至倒塌，公路、鐵路、水利等基礎(chǔ)設(shè)施損壞和生態(tài)環(huán)境破壞。采空探測(cè)問(wèn)題在礦山安全生產(chǎn)、人民生命財(cái)產(chǎn)安全和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面顯得尤為重要。電法勘探是采空區(qū)探測(cè)的傳統(tǒng)方法，探測(cè)精度高，其中瞬變電磁法（TEM）作為一種時(shí)間域電磁勘探方法在采空區(qū)探測(cè)方面行之有效，該方法具有適應(yīng)性強(qiáng)受地形影響小，裝置簡(jiǎn)單，工作成本低，效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于復(fù)雜地形情況下的中淺層勘探。

2 采空區(qū)地球物理特征

煤層賦存于成層分布的煤系地層中，地下局部煤層采出后，在巖體內(nèi)形成有一定規(guī)模的空間，周圍的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，會(huì)產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，當(dāng)開(kāi)采面積較小 ， 且煤層頂板為塑性巖性并保存完整時(shí) ， 由于殘留煤柱較多 ，應(yīng)力轉(zhuǎn)移到煤柱上 ， 未引起地層變動(dòng) ，采空區(qū)以充水或不充水的空洞形式保存下來(lái) ;但多數(shù)采空區(qū)頂板在上覆巖層壓力作用下、發(fā)生變形，斷裂移位、冒落形成垮落帶 、斷裂帶和彎曲下沉帶（如圖1所示）。 由于各自的地質(zhì)條件不同，采空區(qū)被空氣、地下水、泥沙等介質(zhì)所填充，采空區(qū)內(nèi)介質(zhì)和圍巖相比都存在明顯的物性差異，這是物探方法探測(cè)的地球物理前提條件。

煤層采空后，上覆地層中裂隙廣為發(fā)育，地層變得松散失水，甚至坍塌，使得電磁波的能量衰減加大，干擾加強(qiáng)，地層的導(dǎo)電性明顯減弱，形成相對(duì)高阻電性特征；當(dāng)?shù)叵滤仄扑閹r層和裂隙向采空區(qū)匯集并溶解大量的電解質(zhì)時(shí)，導(dǎo)電性加強(qiáng)，表現(xiàn)為低阻電性特征。由于地下水的充填及地表水沿裂隙向采空區(qū)滲漏，其電阻率將明顯發(fā)生變化，與圍巖電性形成明顯的差異，瞬變電磁法正是利用這一物理前提來(lái)探測(cè)地下采空區(qū)的。

3 TEM勘探原理和優(yōu)點(diǎn)

瞬變電磁法是地球物理探測(cè)的主要手段之一，通過(guò)向地下發(fā)射電磁波激勵(lì)地下目標(biāo)，接收其產(chǎn)生的二次場(chǎng)，確定被測(cè)目標(biāo)的物理參數(shù)。在地表敷設(shè)不接地線框，輸入階躍電流，當(dāng)回線中電流突然斷開(kāi)時(shí)，在下半空間就要激勵(lì)起感應(yīng)渦流以維持?jǐn)嚅_(kāi)電流前已存在的磁場(chǎng)，并且此渦流場(chǎng)隨時(shí)間以等效渦流環(huán)的形式向下傳播、向外擴(kuò)展，利用不接地線圈、或地面中心探頭觀測(cè)此二次渦流磁場(chǎng)或電場(chǎng)的變化情況，用以研究淺層至中深層的地電結(jié)構(gòu)（其工作原理見(jiàn)圖2）。

瞬變電磁法與其它物探方法相比具有許多優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)：

（1）該方法觀測(cè)和研究的是“二次場(chǎng)”即純異常場(chǎng)，不存在一次場(chǎng)的背景干擾。（2）具有穿透高阻覆蓋層的能力，優(yōu)于傳導(dǎo)類電法探測(cè)。（3）異常響應(yīng)強(qiáng)，形態(tài)簡(jiǎn)單，分層能力強(qiáng)。（4）地形影響小，測(cè)量簡(jiǎn)單，工作效率高。（5）具有對(duì)接地條件要求較低，體積效應(yīng)小。

4 工程實(shí)例及應(yīng)用效果分析

4.1 儀器和參數(shù)選擇

勘探區(qū)位于江蘇省徐州市北部微山湖畔某礦區(qū)內(nèi)。施工中使用美國(guó)Zonge公司生產(chǎn)的GDP32Ⅱ多功能電法儀，方法為中心回線瞬變電磁法（TEM）測(cè)量，儀器的性能指標(biāo)為工作頻率0.063 -8192 Hz，輸入阻抗10 mΩ/DC，動(dòng)態(tài)范圍190 dB，時(shí)鐘穩(wěn)定度﹤5×10-10/24h，最小檢測(cè)信號(hào)0.03μV、相位±0.1 mard，最大輸入信號(hào)電壓±32V，自動(dòng)補(bǔ)償電壓±2.25V，增益1/8-65536（自動(dòng)）。

根據(jù)該區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形特征綜合考慮確定施工參數(shù)為：發(fā)送邊長(zhǎng)：240m×240m ；發(fā)送電流：10A；發(fā)送頻率：8Hz；關(guān)斷時(shí)間：0.079ms；疊加次數(shù)64次，每個(gè)點(diǎn)采集28道數(shù)據(jù)。根據(jù)本區(qū)地形地質(zhì)情況并考慮地質(zhì)任務(wù)要求，本次瞬變電磁測(cè)線布置方向選擇NW15°48′，基本垂直于區(qū)域內(nèi)的斷層走向，本次勘察在測(cè)區(qū)內(nèi)布置24條測(cè)線，使用40m線距，40m點(diǎn)距布置主測(cè)網(wǎng)，在測(cè)區(qū)中部加密為40m線距，20m點(diǎn)距的輔助測(cè)網(wǎng)。

圖1 煤層采空區(qū)塌陷垂直“三帶”示意圖

圖2 瞬變電磁原理示意圖

圖3 L9線視電阻率斷面圖

4.2 剖面圖圖分析

野外采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)畸變點(diǎn)剔除，軟件預(yù)處理，編輯處理，濾波圓滑，計(jì)算反演視電阻率后利用繪圖軟件繪制圖形得24條測(cè)線的視電阻率斷面圖。由于各條剖面電性、異常特征基本一致，下面僅選取比較典型的了L9線剖面圖進(jìn)行分析。

圖3為9線剖面圖。如圖所示該處地層在電性特征上可分為4層，第1層從地面到高程0米，電阻率在0～5Ω·m，電阻率相對(duì)較低，電阻率等值線較集中；第2 層從高層0～-150米，電阻率在5～20Ω·m且電阻率等值線有向圖3。

下彎曲趨勢(shì)；第3 層從高層-150米到1煤煤層線附近，電阻率在20～40Ω·m，電阻率相對(duì)較高且電阻率等值線呈網(wǎng)罩狀分布。第4層在1煤煤層線附近，電阻率在8～16Ω·m，電阻率等值線向下彎曲。以上分層和圖1的煤層采空區(qū)塌陷垂直分層相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明瞬變電磁法能很好的反映測(cè)區(qū)地層的分層情況，應(yīng)用在探測(cè)采空區(qū)塌陷方面效果良好。

如圖3所示該線的50號(hào)點(diǎn)附近有一鉆孔，鉆孔編號(hào)Ⅲ-2，井口標(biāo)高為34.19米，1煤標(biāo)高-151.41米，該點(diǎn)的煤層距離地面185.60米。據(jù)此鉆孔資料，此處煤層較薄未做開(kāi)采，由此可以確定1煤層電性參數(shù)，其視電阻率在18Ω·m左右，該處為下二迭統(tǒng)下石盒子組1號(hào)煤層，該線66點(diǎn)至70點(diǎn)間在1煤煤層線位置處存在一個(gè)相對(duì)低阻異常區(qū)Ⅰ區(qū)（圖中用紅色橢圓標(biāo)出），視電阻率等值線呈團(tuán)塊狀封閉圈且具有“上凸” 電性特征，Ⅰ區(qū)正處在該礦1309采煤工作面上，煤層采厚2.23m，由本地區(qū)以往煤層厚度和采空區(qū)垮落帶高度關(guān)系得該區(qū)垮落帶高度約30m，這和Ⅰ區(qū)煤層線上方異常區(qū)的高度基本一致，另外在該區(qū)上方有明顯的斷裂帶和彎曲下沉帶發(fā)育，采空區(qū)特征明顯，推斷此處為具有冒落塌陷含水特征的低阻異常采空區(qū)。圖上Ⅱ區(qū)為相對(duì)高阻異常（圖中用藍(lán)色橢圓標(biāo)出），該異常區(qū)所在位置沒(méi)有采煤工作面分布，不存在采空的可能，由于掌握的地質(zhì)資料較少此處的異常很難做出定性的解釋，此處地面上有條輸電線經(jīng)過(guò)，推斷此處異常和地面輸電線有一定的關(guān)系。

結(jié)論

通過(guò)對(duì)以上實(shí)例分析研究和其他采空區(qū)項(xiàng)目探測(cè)證明，選擇合理的參數(shù)和儀器裝置，瞬變電磁法在采空區(qū)的探測(cè)方面應(yīng)用會(huì)取得很好的效果。瞬變電磁法在探測(cè)煤礦采空區(qū)的應(yīng)用歸納如下幾點(diǎn)：（1）根據(jù)采空區(qū)的地球物理特征，運(yùn)用瞬變電磁法，通過(guò)分析電阻率斷面圖結(jié)合煤層底板等高線可以準(zhǔn)確的探測(cè)出采空區(qū)的空間分布情況。（2）瞬變電磁法雖然具有抗干擾能力強(qiáng)，受地形因素，體積效應(yīng)影響小、能穿透高阻覆蓋層等特點(diǎn)，但高壓線和地形情況的影響不容忽視，如果不能采取有效的措施消除或降低影響，可能會(huì)對(duì)采空區(qū)的探測(cè)產(chǎn)生較大影響。（3）雖然瞬變電磁的優(yōu)點(diǎn)明顯，但是單一的物探方法往往對(duì)地質(zhì)異常體很難定性，必須輔助其它物探方法，對(duì)地質(zhì)異常體進(jìn)行綜合解釋，必要時(shí)還需要一定的鉆探工作進(jìn)行驗(yàn)證。隨著研究工作的不斷深人，瞬變電磁法應(yīng)用在采空區(qū)探測(cè)方面將有十分廣闊的前景。

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