小線框瞬變電磁儀探測煤礦采空區(qū)參數(shù)試驗研究與應(yīng)用

孫　林

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

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地質(zhì)與勘測

小線框瞬變電磁儀探測煤礦采空區(qū)參數(shù)試驗研究與應(yīng)用

孫林

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

針對探測煤礦采空區(qū)常用的大線框瞬變電磁儀需要布設(shè)較大的線框，野外施工復(fù)雜，采集時采用磁探頭接收，抗干擾能力差等問題，采用具有受地形起伏影響小，抗干擾能力強，鋪設(shè)線框簡單等優(yōu)點的小線框瞬變電磁儀。通過對小線框瞬變電磁儀探測采空區(qū)的參數(shù)進行試驗研究，并應(yīng)用于實踐，以及與傳統(tǒng)大線框瞬變電磁儀探測結(jié)果進行對比分析，結(jié)果表明，采用小線框瞬變電磁儀探測煤礦采空區(qū)也能取得良好的效果。

小線框；瞬變電磁；探測；采空區(qū)

瞬變電磁法是探測煤礦采空區(qū)最常用的物探方法之一[1-2]，儀器大多采用PROTEM，GDP-32Ⅱ等大線框瞬變電磁儀。這些儀器的共同特點是需要布設(shè)較大的線框，野外施工復(fù)雜，采集時采用磁探頭接收，抗干擾能力差[3-8]。而小線框瞬變電磁儀正好克服這些缺點，因其具有受地形起伏影響小，抗干擾能力強，鋪設(shè)線框簡單(邊框為3m×3m)等優(yōu)點，在地形條件復(fù)雜和地電干擾較大區(qū)域更具優(yōu)勢[3-8]。為了研究小線框瞬變電磁儀在煤礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用，以西安強源物探研究所研制生產(chǎn)的EMRS-3型微機電磁勘探儀為例，通過在野外進行實地數(shù)據(jù)采集試驗，對采樣道數(shù)、供電電流和疊加次數(shù)3個參數(shù)進行了研究，對其可行性以及應(yīng)用效果進行了分析。

1　參數(shù)試驗研究

1.1采樣道數(shù)選擇

EMRS-3型微機電磁勘探儀默認的采集道數(shù)為22道，圖1為依據(jù)在山西朔州某地采空區(qū)探測數(shù)據(jù)繪制的曲線。從圖1可以看出：在實際采集過程中，原始數(shù)據(jù)前2道衰減較快，數(shù)據(jù)經(jīng)反演處理繪制的剖面圖在淺部產(chǎn)生明顯的高阻電性層(圖2陰影區(qū)域)，即便淺部地層在電性上應(yīng)該表現(xiàn)為低電阻率異常反映，在反演后的視電阻率剖面上也呈現(xiàn)高電阻率反映，這個問題在其他測區(qū)同樣存在，這不符合地質(zhì)規(guī)律。從理論上分析，由于瞬變電磁法是利用不接地回線向地下發(fā)射一次場，在一次場的間歇期間(斷電后)，測量由地下介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)二次場，這前2道畸變數(shù)據(jù)應(yīng)為一次場信號下產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，是需要剔除的數(shù)據(jù)，分析后認為這是儀器關(guān)斷時間設(shè)置不合適造成的，這也是該儀器需要改進的地方。所以在進行實際應(yīng)用時，將前面2道數(shù)據(jù)直接刪除，從而保證了采集數(shù)據(jù)的準確性，不會產(chǎn)生所謂的假異常，影響解釋精度。

圖1　采集道數(shù)分析

圖2　原始數(shù)據(jù)反演視電阻率剖面

1.2供電電流選擇

由于該儀器的原理是通過加大發(fā)射電流來達到增大勘探深度的目的，而該儀器以前主要用于金屬礦勘查工作，且大多數(shù)情況下供電電流選用的是800～1200A，勘探深度在500～800m之間。本次試驗研究的采空區(qū)深度約為200m，所以試驗的電流從400A開始。在采用400A發(fā)射采集數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)曲線尾枝平緩，然后才進行了600A和800A的試驗。依據(jù)野外實測數(shù)據(jù)繪制成的衰減曲線如圖3所示。從圖3可看出：600A發(fā)送電流，曲線衰減規(guī)律及尾枝信號均較好；800A發(fā)送電流時，曲線尾部出現(xiàn)了大幅度衰減，因而選用600A的發(fā)送電流。

圖3　不同發(fā)送電流試驗對比

1.3疊加次數(shù)選擇

從理論上講，多疊加次數(shù)對隨機的人工干擾消除效果好，但在實際工作中，曲線疊加圓滑后再次疊加，會把反映的正常異常圓滑掉，從而影響野外數(shù)據(jù)質(zhì)量，所以在進行疊加次數(shù)選擇時從最低的2次疊加開始試驗，然后是4次、8次，依次類推。依據(jù)野外實測數(shù)據(jù)繪制的衰減曲線如圖4所示。從圖中可看出：2次疊加時曲線的首枝和尾枝均與4次和8次疊加時的曲線偏離較遠，4次疊加在曲線后期測道有明顯的凸起現(xiàn)象，在8次疊加時，不但與4次疊加時的曲線重合性較好，而且曲線整體圓滑，即已經(jīng)可以消除干擾影響，滿足野外數(shù)據(jù)采集要求。

圖4　不同疊加次數(shù)試驗對比

2　實例分析

2.1研究區(qū)地形及地質(zhì)概況

為了探測上麻黃頭村莊下部是否存在老窯采空區(qū)，為煤礦開采損害技術(shù)鑒定提供地質(zhì)依據(jù)，需要開展采空區(qū)探測工作。研究區(qū)位于山西省朔州市平魯區(qū)上麻黃頭村，區(qū)內(nèi)建筑物較多，各種電線也較多，且地形起伏較大，如果采用傳統(tǒng)的大線框瞬變電磁儀來完成本次工作，鋪設(shè)發(fā)射框的難度較大，且會造成框的誤差較大，進而影響探測的精度，因此采用了小線框瞬變電磁儀來完成本次采空區(qū)探測的部分工作。

研究區(qū)地層自上而下依次為：第四系(全新統(tǒng)和中上更新統(tǒng))、第三系、二疊系(上統(tǒng)上石盒子組、下統(tǒng)下石盒子組和下統(tǒng)山西組)、石炭系(上統(tǒng)太原組和中統(tǒng)本溪組)、奧陶系。

全區(qū)主要含煤地層為石炭系太原組。主要可采煤層有4號煤層、9號煤層、11號煤層等主要可采厚煤層，其中4煤煤層埋深在150～200m范圍，也是本次采空區(qū)探測研究的目的煤層。

2.2使用儀器、工作參數(shù)和工作布置

在本研究區(qū)域采用EMRS-3型微機電磁勘探儀，采用重疊回線裝置，發(fā)射接收線框均為3m×3m，發(fā)射電流600A，8次疊加次數(shù)。工作布置按20m×10m的網(wǎng)度進行，重點區(qū)域加密到10m×5m。

2.3資料分析

2.3.1剖面圖分析

在視電阻率擬斷面圖上，若地層在不受含水區(qū)域或含導(dǎo)水構(gòu)造影響的正常情況下，煤系地層的電性變化有一定的規(guī)律性，在擬斷面圖上視電阻率值變化穩(wěn)定，等值線呈似層狀分布，變化平緩，若煤層被開采后，致使周圍的巖層破碎而出現(xiàn)大量的空隙和裂隙，則視電阻率值將明顯比圍巖高，等值線發(fā)生扭曲、變形或呈密集條帶狀等。下面以9線剖面圖為例進行分析解釋。

圖5為本次研究區(qū)9線600～1100m段綜合剖面圖。圖中的等值線為視電阻率等值線，黑色的虛線為本區(qū)的主采4號煤層底板，橢圓型陰影部分為推斷的采空區(qū)異常。從該剖面可以看出：剖面640～680m以及940～1100m區(qū)域在電性上均表現(xiàn)為高電阻率反映，推斷為采空區(qū)異常反映。

圖5　瞬變電磁法9線綜合剖面

2.3.2兩種儀器探測采空區(qū)平面對比分析

圖6為采用兩種儀器在同一區(qū)域探測采空區(qū)的平面對比圖，圖6(a)為小線框瞬變電磁儀探測結(jié)果，圖6(b)為大線框瞬變電磁儀探測結(jié)果。

圖6　兩種瞬變電磁儀探測采空區(qū)平面對比

其中大線框瞬變電磁儀采用美國進口的GDP-32Ⅱ多功能電法儀，采用中心回線裝置，160m×160m的發(fā)射線框，3.5A發(fā)射電流，HZ垂直分量接收探頭(等效面積10000m2)接收。從圖中可以看出，研究區(qū)域的采空區(qū)大部分位于測區(qū)的東部和南部，兩種儀器所探測采空區(qū)范圍基本一致，說明采用小線框瞬變電磁儀可以達到大線框瞬變電磁儀探測的精度。

2.3.3小線框儀器探測結(jié)果與實際揭露對比分析

圖7為小線框儀器推斷采空區(qū)與實際揭露范圍對比圖。從圖中可以看出，推斷的采空區(qū)東邊界基本上與實際揭露的范圍一致，邊界線重合，只是在部分地段稍有出入，但大部分區(qū)域平面誤差均在5m范圍以內(nèi)。這也充分說明采用小線框瞬變電磁儀探測煤礦采空區(qū)也是可行的。

圖7　小線框儀器推斷采空區(qū)與實際揭露范圍對比

3　結(jié)　論

(1)通過本次試驗研究和實際應(yīng)用可知小線框瞬變電磁儀不管是在地形平坦、地電干擾較少區(qū)域還是在地形復(fù)雜，地電干擾嚴重區(qū)域都可以開展工作，且在地形復(fù)雜，地電干擾嚴重區(qū)域更有優(yōu)勢；而大線框瞬變電磁儀只有在地形條件好，地電干擾相對較小的區(qū)域才能取得較好的效果。

(2)本次試驗研究區(qū)域采空區(qū)的埋深為200m左右，但在實際生產(chǎn)中可能會遇到更多復(fù)雜條件、埋深較大的采空區(qū)探測，在探測較深采空區(qū)時還應(yīng)該進行進一步的試驗工作，以提高探測的精度。

(3)本次研究主要是將反演后的視電阻率作為唯一參數(shù)進行的，但物探解釋存在的多解性是無法克服的，瞬變電磁法也不例外，在以后的工作中應(yīng)針對該問題，對其他參數(shù)如縱向電導(dǎo)、衰減電壓值、多測道剖面等多方面進行研究，以提高解釋精度。

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[3]楊農(nóng)合，王輝，徐小林，等.應(yīng)用瞬變電磁法小線框大電流探測隱伏斷層[J].物探與化探，2011，35(1)：81-85.

[4]楊農(nóng)合，徐小林，吳朝俊，等.應(yīng)用瞬變電磁法小線框大電流探測水下構(gòu)造[J].工程地球物理學(xué)報，2012，9(3)：279-284.

[5]楊農(nóng)合，徐小林，吳朝俊，等.瞬變電磁法小線框技術(shù)研究及其應(yīng)用[J].西安理工大學(xué)學(xué)報，2012，28(3)：345-351.

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[責(zé)任編輯：李青]

Experimental Studying and Application of Coal Mine Goaf Parameters Explores with Small Wire Frame Transient Electromagnetic Instrument

SUN Lin

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

To some difficult problems of coal mine goaf explore with large wire frame transient electromagnetic instrument，which include large wire frame layout，technology complex in outdoor，collection with magnetism probe，resisting disturbance capacity is worse，but small wire frame transient electromagnetic has the following virtues，such as unaffected by topographic，resisting disturbance capacity is good，wire frame layout is simple and so on.After goaf parameters studied with small wire frame transient electromagnetic instrument and applied in filed，then compared with the results that probed by large wire frame transient electromagnetic instrument，the results showed that the probe consequence was also better with small wire frame transient electromagnetic.

small wire frame；transient electromagnetic；explore；goaf

2016-02-18

國家重大專項資助(2016ZX05045007-003)

孫林(1976-)，男，山西洪洞人，高級工程師，主要從事地球物理勘探與地質(zhì)災(zāi)害防治等方面技術(shù)的應(yīng)用、研究工作。

TD166

A

1006-6225(2016)05-0008-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.003

[引用格式]孫林.小線框瞬變電磁儀探測煤礦采空區(qū)參數(shù)試驗研究與應(yīng)用[J].煤礦開采，2016，21(5)：8-10，51.