瞬變電磁法在勘探煤礦采空區(qū)中的應(yīng)用

黃歡HUANG Huan；李峰LI Feng

（冀中能源股份有限公司邯鄲郭二莊礦，邯鄲 056303）

（Guoerzhuang Coal Mine of Jizhong Energy Handan Mining Group，Handan 056303，China）

0 引言

近年來，小煤窯開采已經(jīng)淡出公眾的視線，但是經(jīng)過多年的開采，遺留下大量的小煤窯采空區(qū)。由于小煤窯開采技術(shù)條件較落后，所造成的采空區(qū)位置一般離地表較淺，并且具有很大的不確定和未知性。隨著城市規(guī)劃等建設(shè)逐步向周邊擴(kuò)大發(fā)展，一部分的工業(yè)場地會建在遺留采空區(qū)的上部，為了保證安全以及合理規(guī)劃廠房的位置，就需要準(zhǔn)確地圈定這些采空區(qū)的位置和范圍，為下一步的規(guī)劃設(shè)計以及施工建設(shè)提供第一手可靠資料。瞬變電磁法在一次場斷電的瞬間觀測純二次場，消除了由一次場產(chǎn)生的裝置耦合噪聲，具有體積效應(yīng)小、橫向分辨率高、與探測地質(zhì)體有最佳耦合、受旁側(cè)地質(zhì)體影響小的特點，它以其無損性、簡單高效性成為解決很多工程地質(zhì)問題的首選[1～2]。

1 采空區(qū)地球物理特征

地層中的煤被開采以后，在地下巖層形成一定的空間，采空區(qū)上方巖層由于失去煤層的支撐，在重力作用下發(fā)生塌陷，煤層上覆巖體失去原有平衡發(fā)生一定程度巖移，破壞了巖石的完整性、連續(xù)性，致使巖層破碎出現(xiàn)大量裂隙[3]。當(dāng)發(fā)育的裂隙間沒有充水時，該處電阻率會比完整巖石處的電阻率偏高，不明顯時則視電阻率等值線會出現(xiàn)異常波動，明顯時則表現(xiàn)出相對高阻特性；當(dāng)采空區(qū)域的裂隙被水或泥質(zhì)物體充填后，該處的電阻率值將明顯低于完整圍巖的電阻率，表現(xiàn)出一定的低阻特征。不管是表現(xiàn)出高阻異常還是低阻異常，采空區(qū)的視電阻率值與未采區(qū)有明顯差異，這種差異正是瞬變電磁法探測采空區(qū)的地球物理前提。

2 工程實例

2.1 地質(zhì)概況

該市屬于干燥的寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，溫差較大。本區(qū)域主要含煤地層為侏羅系下花園組，共含有四個煤分層，即Ⅰ組煤、Ⅱ組煤、Ⅲ組煤和Ⅳ組煤，同時地表主要分布著全新統(tǒng)黃土砂礫混合組成的坡洪積物。鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦及小窯開采煤層主要為Ⅱ組煤，一般在30m-150m，采空區(qū)埋深較淺，但無可靠采掘資料，本次工作的目的是確定100m以淺的采空區(qū)分布范圍。

2.2 測線分析

在視電阻率擬斷面圖上，正常地層的電性變化有一定的規(guī)律性，反映在擬斷面圖上為視電阻率等值線呈似層狀分布，變化平緩；相反，當(dāng)存在采空區(qū)（含水）時，則視電阻率值增大（降低），等值線發(fā)生扭曲、變形或呈密集條帶狀等。通過分析測區(qū)附近已知采空區(qū)以及該礦采掘工程平面圖等地質(zhì)資料后，確定該測區(qū)電性反映為相對高阻異常特征，根據(jù)實驗線的采集數(shù)據(jù)推測圈定采空區(qū)范圍的視電阻率值下限為30Ω·m。本次工作區(qū)域內(nèi)地表平坦，基本沒有起伏，共布置測線35 條，施工面積0.066km2，測網(wǎng)密度10*5m，完整覆蓋了整個測區(qū)。

下面以3、12 測線為例簡要分析。

3 線由西向東布置，稍微北偏23°，共39 個測點，點距5m，長190m。地形平緩。擬斷面圖1 上，1～5 與12-39 測點視電阻率值均＜30Ω·m，等值線無明顯扭曲，推斷為正常區(qū)；6～11 測點視電阻率值 ≥30Ω·m，推斷為采空區(qū)。

圖1 3 線視電阻率斷面圖

12 線由西向東布置，稍微北 偏23°，共43 個測點，點距5m，長210m。地形平緩。圖3 中17～21 與29～43測點視電阻率值均＜30Ω·m，等值線無明顯扭曲，推斷為正常區(qū)；1～16 與22～28 測點視電阻率值≥30Ω·m，推斷為采空區(qū)。

圖2 12 線視電阻率斷面圖

圖3 工業(yè)園采空區(qū)范圍分布平面圖

3 結(jié)果分析

結(jié)合每條測線上的視電阻率剖面數(shù)據(jù)，得到整個工作區(qū)域的采空區(qū)分布范圍，疊加到工業(yè)園部分的地形圖上，所得結(jié)果如圖3 所示。

測區(qū)內(nèi)的采空區(qū)由于多數(shù)是小煤窯開采，所以形狀不規(guī)則，根據(jù)瞬變電磁法探測結(jié)果，推斷測區(qū)內(nèi)采空區(qū)主要集中在西北部和中部。測區(qū)南部的測線長度逐漸變短，所以西南部不能確定是否存在采空區(qū)，在采空區(qū)的邊界布置驗證鉆孔ZK1，當(dāng)鉆進(jìn)到距地表20m 時發(fā)現(xiàn)采空區(qū)。

4 結(jié)語

勘察實踐表明，具有高分辨率以及高靈敏度的瞬變電磁儀器使得瞬變電磁法在解決精細(xì)地質(zhì)問題方面顯示了獨特的優(yōu)勢，選擇合理的技術(shù)參數(shù)，通過瞬變電磁法可以快速獲得淺部至中、大深度地層的電性信息，能夠較好的解決采空區(qū)探測等地質(zhì)問題，取得令人滿意的探測結(jié)果。瞬變電磁法施工簡單、經(jīng)濟(jì)合理兼具有無損性，能很好的滿足各種地質(zhì)工程問題。但同時由于物探結(jié)果的多解性，應(yīng)該認(rèn)真對比已有的地質(zhì)資料，找出最佳耦合結(jié)果。

[1]牛之璉.時間域電磁法原理[M].長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，2000：54-55.

[2]韓玉雷.瞬變電磁激發(fā)激化效應(yīng)的利用工程地球物理學(xué)報[J].2006，3（5）：366-369.

[3]熊彬，羅延鐘.電導(dǎo)率分塊均勻的瞬變電磁2.5 維有限元數(shù)值模似[J].地球物理學(xué)報，2006，49（2）：590-597.