瞬變電磁及氡值測(cè)量法探測(cè)煤層積水采空區(qū)應(yīng)用與研究

李彥星

（山西省煤炭地質(zhì)物探測(cè)繪院，山西晉中030600）

瞬變電磁及氡值測(cè)量法探測(cè)煤層積水采空區(qū)應(yīng)用與研究

李彥星*

（山西省煤炭地質(zhì)物探測(cè)繪院，山西晉中030600）

基于瞬變電磁法和氡值測(cè)量法的基礎(chǔ)理論，通過(guò)分析2種方法的特點(diǎn)及局限性，提出綜合2種探測(cè)方法應(yīng)用于煤礦采空區(qū)探測(cè)。結(jié)合煤礦積水采空區(qū)探測(cè)實(shí)例，通過(guò)采集、處理、成果推斷解釋等各流程的對(duì)比探討得出結(jié)論。結(jié)果表明利用綜合地球物理探測(cè)方法，可以有效彌補(bǔ)單一方法受干擾等問(wèn)題出現(xiàn)，造成假異常導(dǎo)致解釋成果精度降低的缺陷，提高了勘探精度，為煤礦安全生產(chǎn)提供保障。

瞬變電磁法；氡值測(cè)量法；積水采空區(qū)；干擾；安全生產(chǎn)

瞬變電磁法具有穿透能力強(qiáng)、干擾小、施工效率高、探測(cè)深度大等很多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于金屬礦產(chǎn)探測(cè)、水文地質(zhì)勘查及煤層采空區(qū)探測(cè)。氡值測(cè)量法也應(yīng)用于煤層采空區(qū)探測(cè)和煤層自燃區(qū)探測(cè)。以上2種方法在實(shí)際工作中均取得了很好的探測(cè)效果。但2種方法在實(shí)際應(yīng)用中均存在一定局限性。如今城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，地面瞬變電磁數(shù)據(jù)采集時(shí)受工頻及諧波干擾嚴(yán)重［1］。目前，各種去噪方法消除工頻干擾的效果并不理想［2］。瞬變電磁法探測(cè)高阻體反映不靈敏，且會(huì)受“邊框效應(yīng)”影響導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量變差［3］。淺層積水采空區(qū)附加效應(yīng)對(duì)瞬變電磁信號(hào)影響也很大［4］。而氡值測(cè)量法在一個(gè)測(cè)點(diǎn)只有一個(gè)測(cè)定值，沒(méi)有垂向的分辨能力［5］。基于以上分析，考慮綜合應(yīng)用2種方法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)。這樣對(duì)照分析，相互驗(yàn)證可以提高資料解釋精度。

1　瞬變電磁與氡值測(cè)量法基本原理

1.1瞬變電磁法基本原理

使用不接地回線通以脈沖電流作為場(chǎng)源，以激勵(lì)探測(cè)目的物感生二次電流，在脈沖間隙測(cè)量二次場(chǎng)隨時(shí)間變化的響應(yīng)。由于二次場(chǎng)從產(chǎn)生到結(jié)束的時(shí)間是短暫的，即是“瞬變的”，所以稱之為瞬變電磁法，其屬于時(shí)間域電磁法。

瞬變電磁法的物理基礎(chǔ)為電磁感應(yīng)原理，即導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的激勵(lì)磁場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生渦流場(chǎng)的問(wèn)題。對(duì)于定源回線裝置，瞬變電磁場(chǎng)表達(dá)式為：

式中：q——接收線圈有效面積；

R——發(fā)送回線半徑，當(dāng)發(fā)送回線為矩形時(shí)R=L/π；

a——地下導(dǎo)體的半徑；

h——導(dǎo)體的中心埋深；

τ——時(shí)間常數(shù)，k=2πR/τ。

1.2氡值測(cè)量法基本原理

煤層采空區(qū)形成后，促使地質(zhì)體發(fā)生變形，改變了地下地質(zhì)體的應(yīng)力分布狀態(tài)，從而使地下液體氣體的運(yùn)移與集聚環(huán)境發(fā)生改變，對(duì)氡氣的運(yùn)移與富集具有一定的控制作用。首先煤層采空在地下形成較大空洞，成為地下水與氣體的儲(chǔ)存場(chǎng)所；其次采空區(qū)煤層頂板塌陷冒落，地下應(yīng)力場(chǎng)改變，采空區(qū)及周邊應(yīng)力減小，地下氣體及液體自然由高應(yīng)力區(qū)域向低應(yīng)力區(qū)域運(yùn)移，造成氡氣在采空區(qū)的聚集；最后在采空區(qū)冒落帶及其派生裂隙形成后，氣體自下向上運(yùn)移，在地溫與地壓作用下，氡氣必然與其他氣體（CO、CO2、CH4、H2S等）一起自地下深處向地表遷移，在地表形成與采空區(qū)域平面形態(tài)基本相同的氡異常區(qū)。氡為非極性單原子分子，而活性炭為非極性吸附劑。當(dāng)氡運(yùn)移到活性炭表面時(shí)，這2種物質(zhì)的分子或原子相互接近時(shí)，在色散力的主要作用下，氡則很快被活性炭吸附。在電離室測(cè)量氡及其子體衰變輻射出的γ射線強(qiáng)度，就可測(cè)量提取氡值數(shù)據(jù)。

2　工作方法

2.1瞬變電磁工作方法

瞬變電磁法施工裝置類型較多［6］，根據(jù)探測(cè)目標(biāo)體的不同，在施工時(shí)視具體情況選擇相適應(yīng)的裝置。裝置確定后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定發(fā)射和采集參數(shù)。國(guó)內(nèi)常用的工作裝置主要有重疊回線、定源回線和偶極裝置。本次擬選定源回線裝置施工。工程測(cè)線布設(shè)時(shí)垂直于主要構(gòu)造走向，按工程要求比例尺度設(shè)計(jì)測(cè)網(wǎng)密度［7］。施工時(shí)接收機(jī)按測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)測(cè)量點(diǎn)位依次順點(diǎn)采集。

2.2氡值測(cè)量工作方法

在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的位置挖40cm深的倒錐形坑，將裝有活性炭的瓶子編號(hào)后埋入坑中，在地表留記號(hào)便于取杯時(shí)找到埋置地點(diǎn)，工作筆記上記錄該點(diǎn)埋杯時(shí)間等相關(guān)信息。埋置的活性炭瓶5d之后統(tǒng)一取出，記錄取杯時(shí)間。送回實(shí)驗(yàn)室，放入活性炭測(cè)氡儀電離室中測(cè)量氡及其子體輻射出的γ射線強(qiáng)度，然后對(duì)測(cè)氡數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后成圖解釋。

3　工程應(yīng)用

3.1勘查地區(qū)地質(zhì)概況

施工地區(qū)位于山西省西北部，地層由老至新分別是奧陶系、石炭系、二疊系、第四系，區(qū)內(nèi)地表基本被第四系地層所覆蓋，基巖僅在溝谷中出露。主要可采6、8號(hào)煤層，為保證煤礦安全生產(chǎn)，開(kāi)展了地面綜合地球物理探測(cè)研究。

3.2地球物理特征

瞬變電磁勘探是從測(cè)量地表電場(chǎng)的分布狀況來(lái)分析地下電性情況的［8］，地下異常體的存在和分布必須使地表電場(chǎng)有明顯變化才能測(cè)出。本次探查區(qū)域地層由老至新在縱向上各層電性差異較大，而橫向上未開(kāi)采煤層與積水采空區(qū)的電性差異同樣較大［9］。由此可見(jiàn)，積水采空區(qū)的視電阻率明顯區(qū)別于完整煤層的視電阻率，是瞬變電磁法探測(cè)積水采空區(qū)并分析積水情況的物理前提。

測(cè)氡是基于地層中含有豐富的天然放射性元素，其中又以鈾的同位素所占比例最大，鈾經(jīng)一系列衰變后形成氡，氡及氡的衰變母體鐳沿著構(gòu)造帶、裂隙和地下水的垂向搬運(yùn)在地表富集，形成氡異常。放射性元素隨水中的SiO2含量增加而增加，且地溫的升高加快了氡向地表的遷移。本區(qū)勘查積水采空區(qū)，應(yīng)用氡值測(cè)量法探測(cè)是可行的。

3.3數(shù)據(jù)采集

本次勘查設(shè)計(jì)測(cè)網(wǎng)為測(cè)線距40m，測(cè)點(diǎn)距20m，根據(jù)探測(cè)目的層布設(shè)320m×320m發(fā)射線框。瞬變電磁使用目前較為主流的加拿大鳳凰V8電法儀。通過(guò)試驗(yàn)確定發(fā)射頻率10Hz，發(fā)射電流6A，使用等效100m2專用探頭，600次疊加接收。氡值測(cè)量?jī)x器采用活性炭測(cè)氡儀，此方法測(cè)網(wǎng)與瞬變電磁測(cè)網(wǎng)一致，這樣便于成果的對(duì)比分析。

3.4資料處理與解釋

3.4.1瞬變電磁正反演數(shù)值模擬

針對(duì)本地區(qū)正常地層地電條件及采空區(qū)地電條件，建立相應(yīng)地電模型進(jìn)行瞬變電磁正反演數(shù)值模擬。旨在經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬得到地下采空區(qū)的瞬變電磁響應(yīng)，結(jié)合理論模型分析瞬變電磁法探測(cè)煤層采空區(qū)的可行性。

正演：通過(guò)解頻率域亥姆霍茲方程求得諧變場(chǎng)，通過(guò)域的轉(zhuǎn)換技術(shù)將頻率域轉(zhuǎn)換到時(shí)間域，求得晚期視電阻率。并將計(jì)算結(jié)果通過(guò)與解析解的對(duì)照，驗(yàn)證其精確性。

假設(shè)3層層狀地電模型，如圖1-a所示：第一層為蓋層厚度為100m，電阻率100Ω·m；第二層為煤層采空區(qū)厚度為20m，電阻率分別為5（Model 1）、20（Model 2）、80（Model 3）、400Ω·m（Model 4），分別代表采空強(qiáng)積水、采空積水、未采空及采空未積水4種情況；第三層為底層，電阻率為150Ω·m。模型參數(shù)：發(fā)射線框400m×400m，發(fā)射電流1A，采樣時(shí)間為10-6～10-1s，指數(shù)等分50個(gè)時(shí)刻。

通過(guò)正演計(jì)算結(jié)果對(duì)比，圖1-b所示：瞬變電磁探測(cè)低阻靈敏度高，但電阻率越低對(duì)深部影響越大，有屏蔽現(xiàn)象。如圖1中Model 1米字間隔曲線所示。對(duì)高阻體即采空未積水，如Model 4三角間隔曲線與黑色均勻半空間曲線對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)此方法對(duì)高阻體反映不靈敏。

反演：利用上文地電模型正演數(shù)據(jù)，使用一維Occam反演法計(jì)算，進(jìn)行反演結(jié)果分析，得出瞬變電磁法探測(cè)煤層采空區(qū)的可行性結(jié)論。

從圖2中看出2-a反演結(jié)果清晰，反演異常位置與給定模型基本對(duì)應(yīng)，但是低阻層位下部200m以內(nèi)數(shù)據(jù)均受上部低阻體影響，導(dǎo)致低阻體下部數(shù)據(jù)無(wú)法真實(shí)反演；圖2-b看出反演異常結(jié)果位置準(zhǔn)確，與圖2-a比較圖2-b采空煤層電阻率較大，所以對(duì)下部屏蔽不如圖2-a嚴(yán)重；圖2-c與圖2-d均可看出瞬變電磁對(duì)高阻體反演不靈敏，其反演結(jié)果幾乎沒(méi)有高阻反映，無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別。

圖1　瞬變電磁采空區(qū)正演結(jié)果對(duì)比圖

圖2　瞬變電磁采空區(qū)反演結(jié)果對(duì)比圖

通過(guò)針對(duì)本地區(qū)的數(shù)值模擬，得出瞬變電磁在本地區(qū)探測(cè)的理論結(jié)論：①可以有效探測(cè)呈低阻的煤層積水采空區(qū)；②無(wú)法準(zhǔn)確探測(cè)采空未積水的高阻區(qū)域；③若上部有低阻積水采空區(qū)，則與其間距較近的下部地質(zhì)體無(wú)法真實(shí)反演（即受條件所限瞬變電磁分層探測(cè)能力有限）。

3.4.2成果解釋

瞬變電磁視電阻率擬斷面分析。從已知資料得知在，鉆孔ZK-1302（對(duì)應(yīng)本次勘探工程布置為730線1030樁號(hào)）發(fā)現(xiàn)6號(hào)煤缺失，推斷鉆孔周?chē)敲簩硬煽諈^(qū)域。從瞬變電磁730測(cè)線視電阻率擬斷面圖3看出此測(cè)線1000附近，剖面反映為低阻區(qū)域，根據(jù)電阻率變化，可準(zhǔn)確圈定低阻范圍。從剖面看出瞬變數(shù)據(jù)成層性較好，且反演結(jié)果與鉆孔資料從縱向到橫向基本吻合。瞬變電磁測(cè)線700～900、1200～1300附近推斷為正常區(qū)域。

圖3　瞬變電磁視電阻率擬斷面圖與鉆孔對(duì)比圖

氡值剖面曲線分析。如圖4，490線由西向東布置，共76個(gè)點(diǎn)。由上圖分析在350點(diǎn)處有個(gè)高值，而附近變化沒(méi)規(guī)律，所以10～1090、1150～1390點(diǎn)推斷為正常區(qū)，1090～1150、1390～1570點(diǎn)氡值起伏比較大，有規(guī)律性，氡值普遍偏高，推斷為采空區(qū)。

圖4　490線氡值剖面曲線圖

瞬變電磁及氡值平面疊合分析。通過(guò)測(cè)線斷面分析校正，進(jìn)入平面分析階段。本次勘查使用的2種方法數(shù)據(jù)處理，成果均按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)法結(jié)合已知資料，通過(guò)人機(jī)交互來(lái)確定異常閾值。從統(tǒng)計(jì)概率角度，在具體計(jì)算算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差時(shí)，應(yīng)該注意剔除極大、極小的值的影響，保證數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布。使用處理后數(shù)據(jù)體生成斷面及平面圖，以視電阻率低于閾值200Ω·m劃為瞬變電磁異常區(qū)；氡值測(cè)定值則將高于閾值620個(gè)計(jì)數(shù)/3min區(qū)域圈為氡值異常區(qū)。

從圖5-a分析氡值異常，顏色由淺至深代表氡值由高至低。整體上北高南低，按氡值異常分析煤層采空區(qū)，則采空主要處于勘探區(qū)域北部，南部未見(jiàn)異常。從5-b看出瞬變電磁順煤層切片平面異常基本與氡值異常相符，只是在勘探區(qū)南部瞬變電磁存在低阻異常。對(duì)照已知資料并結(jié)合實(shí)際采集情況分析，在實(shí)地采集數(shù)據(jù)時(shí)，勘探區(qū)南部有高壓線經(jīng)過(guò)，因此瞬變電磁數(shù)據(jù)受干擾，從而導(dǎo)致反演結(jié)果顯示南部低阻異常，推斷此處為假異常。又由于前文針對(duì)本測(cè)區(qū)所做數(shù)值模擬得出結(jié)論，本次瞬變電磁探測(cè)6號(hào)、8號(hào)煤層間隔較近，反演結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確分層，因此無(wú)法分層推斷各煤層低阻異常，只能將2組煤層合并為一層，按合并后順層切片推斷分析低阻異常。

3.5探測(cè)成果

圖5　氡值異常及視電阻率平面圖

結(jié)合已知水文地質(zhì)資料及其他相關(guān)資料，并通過(guò)上文分析，得出本次綜合物探勘探成果。本次勘探積水采空區(qū)位于勘探區(qū)北部，2種探測(cè)方法可相互印證；勘探區(qū)南部推斷不存在積水采空區(qū)，因?yàn)殡敝滴达@示異常，同時(shí)瞬變電磁在此處異?？尚哦容^差。本區(qū)共劃出積水采空區(qū)3處，礦方針對(duì)本次物探成果提前做出施工部署，且北中部圈定積水異常已得到驗(yàn)證。

4　結(jié)論

綜合瞬變電磁法與氡值測(cè)量法應(yīng)用于煤層積水采空區(qū)探測(cè)，可以彌補(bǔ)瞬變電磁在施工時(shí)遇到各種無(wú)法避免干擾時(shí)，造成數(shù)據(jù)質(zhì)量下降解釋成果精度降低的缺陷。又可以2種方法相互驗(yàn)證，排除假異常。這樣可以從根本上提高地球物理勘探精度，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。應(yīng)用結(jié)果表明：此技術(shù)可有效圈定富水異常區(qū)域，推斷積水采空區(qū)，指導(dǎo)礦方安全生產(chǎn)。同時(shí)可推廣應(yīng)用至其他勘探領(lǐng)域。

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A

1004-5716（2016）01-0153-05

2015-01-13

2015-01-14

李彥星（1980-），男（漢族），山西長(zhǎng)治人，工程師，現(xiàn)從事地球物理勘探、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作。