瞬變電磁法在采空區(qū)探測中的數(shù)據(jù)處理與解釋
——以大同鵲山煤礦為例

張麗蕾

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

瞬變電磁法在采空區(qū)探測中的數(shù)據(jù)處理與解釋
——以大同鵲山煤礦為例

張麗蕾

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

煤礦的采空區(qū)與斷層探測中，瞬變電磁探測的數(shù)據(jù)經(jīng)常會受到干擾。文章首先運(yùn)用自動強(qiáng)干擾剔除，再進(jìn)行橫縱方向的濾波處理，并通過測井資料對比和計(jì)算機(jī)分析，對數(shù)據(jù)進(jìn)行一維經(jīng)驗(yàn)反演，查明該區(qū)域內(nèi)采空區(qū)和斷層的富水性，保證煤礦的安全建設(shè)與生產(chǎn)。

瞬變電磁法；電阻等值線；數(shù)據(jù)

在大同煤田鵲山煤礦井田南部十里河床范圍內(nèi)，通過井下鉆探發(fā)現(xiàn)工作面前方存在多條斷層和不同程度的偷采現(xiàn)象，目前小煤窯對該部分煤層的偷采程度及斷層富水情況尚不明確。本文通過物理探測并對其數(shù)據(jù)綜合分析研究，進(jìn)一步確定該地采空區(qū)與實(shí)體煤范圍，明確斷層富水情況，提高井田的回采率，進(jìn)而為鵲山煤礦的建設(shè)和安全生產(chǎn)提供可靠的地質(zhì)依據(jù)[1]。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

大同鵲山煤礦所開采的侏羅紀(jì)煤層為多層賦存結(jié)構(gòu)，井田范圍批采侏羅系煤層3、4、7、8、11、12、14號煤層，可采煤層總厚12.82 m。井田南北長7.659 km，東西寬1.977 km，井田面積10.912 4 km2。井田東與四臺溝井田相鄰，南與燕子山井田相接，西與左云縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)小窯區(qū)相鄰，北界基本為侏羅系剝蝕邊界[2]。研究區(qū)處理的目標(biāo)層11#和14#煤層深度較淺（60～100 m），厚度為2～3 m。

2 數(shù)據(jù)布設(shè)及采集

2.1 測點(diǎn)的布置

研究區(qū)內(nèi)測線根據(jù)十里河床地形布置，要穿越探測對象，盡可能與探測對象的走向垂直，測點(diǎn)距的設(shè)置應(yīng)盡可能良好反映探測目標(biāo)的層（物），主要圍繞“查明鵲山礦十里河床附近煤礦采空區(qū)范圍富水性及斷層富水性”的目的要求，采取由礦區(qū)已知采空區(qū)向未知區(qū)域追索的思路，并考慮地表形態(tài)、采空區(qū)分布、巷道走向、斷層走向等諸多因素的影響。本次探測共布設(shè)9條測線（線距：50 m，3、4測線間距為70 m），側(cè)線走向?yàn)楸睎|38°展布，見圖1，物理勘探點(diǎn)525個(gè)（點(diǎn)距：20 m）。

圖1 鵲山礦十里河床瞬變電磁法展點(diǎn)圖

2.2 探測數(shù)據(jù)采集

本次野外測量采用西安強(qiáng)源物探研究所生產(chǎn)的“EMRS-3型瞬變電磁勘探儀”。工作裝置重疊回線，供電線圈為3 m×3 m，供電電流1 200 A，接收線圈為6匝8次疊加。采樣程序：9測線，22測道，采集探測數(shù)據(jù)點(diǎn)共525個(gè)?？紤]到地形影響，探測使用小型線圈，可以保證接收到地質(zhì)體對電流響應(yīng)的最佳數(shù)據(jù)。1 000 A以上的供電電流，使探測的地質(zhì)體耦合達(dá)到最佳，保證了V2信號的信噪比。

3 資料處理及解釋

3.1 資料處理

通過EMES瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理程序，結(jié)合研究區(qū)及鄰近地區(qū)的有關(guān)地質(zhì)、水文、物探、測繪等資料[3],首先對野外采集的原始測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽，測點(diǎn)數(shù)據(jù)去掉文件頭后，提取各條測線的多測道剖面圖，就可以自動剔除強(qiáng)干擾，對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行定性的解釋和判斷。以第9測道為例，見圖2。

圖2 第9線多測道剖面圖

3.2 測線異常分析及解釋

根據(jù)野外觀察和測量數(shù)據(jù)的分析，可以看出9線、各個(gè)測點(diǎn)的多測道剖面圖中各個(gè)測道的感應(yīng)二次電動勢V2響應(yīng)值的變化范圍較大，曲線變化幅度較大，說明地層完整性較差，煤層可能含有不同程度的采空區(qū)域。通過分析多道剖面圖，可以看出，測點(diǎn)9～53，9～42，9～32，9～7等（以測線9為例，其他測線以此類推）V2響應(yīng)值明顯小于正常的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，屬于高阻特性，可以初步判斷為未充水頂板完好采空位置點(diǎn)。9～38點(diǎn)，V2響應(yīng)值明顯大于正常的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，屬于低阻特性，初步判定可能為局部充水或頂板破裂塌陷的采空位置點(diǎn)。9～47點(diǎn)，只在一個(gè)測道V2響應(yīng)值明顯小于正常的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，其余測道均屬于V2響應(yīng)值標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，可以判定該點(diǎn)收到為干擾點(diǎn)，不得進(jìn)行濾波圓滑處理，應(yīng)予剔除。

野外數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理計(jì)算得到視電阻率值，利用軟件繪制測線的視電阻率剖面圖，見圖3。視電阻率反映的地層深度和電阻率值并不是實(shí)際的值，只是能大概反映實(shí)際地質(zhì)體綜合地電參數(shù)，供室內(nèi)數(shù)據(jù)定性解釋分析[4]。

圖3 第9測線視電阻率剖面圖

根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料，綜合高程1 100 m、900 m、800 m、650 m、550 m的視電阻率平面圖，做出區(qū)內(nèi)瞬變電磁主要異常平面圖，平面圖突出了研究區(qū)內(nèi)的主要異常，成為定性解釋的主要依據(jù)，見圖4。圖中可以看出鵲山十里河床研究區(qū)內(nèi)高阻（深色）、低阻（灰色）分布特征。

采空區(qū)未充水異常特征：為絕對高阻異常，等值線相對密集閉合，異常中心視電阻率較高，與未采煤層視電阻率值（正常電阻率為110～130 Ω·m）相差大于100 Ω·m。

此外，采煤巷道內(nèi)無金屬支架，未充水的斷裂構(gòu)造，未充水的采空塌陷等都會引起高阻異常。因此，還應(yīng)考慮實(shí)際的地質(zhì)情況做出正確的推斷[5]。

低阻異常是由采空區(qū)內(nèi)部積水，斷裂破碎帶充水，或者發(fā)生了頂板破裂塌陷引起的。

3.3 對第9測線進(jìn)行一維反演

大同鵲山煤礦十里河段處于山前沖擊斜坡，第9測線距山前沖溝較近，所采數(shù)據(jù)可能會受到地形的影響。通過對第9測線進(jìn)行噪聲剔除、幾何校正，得到第9測線的一維反演電阻率剖面圖（見圖4），可以看出，高阻區(qū)主要集中在兩個(gè)區(qū)域（第一高阻異常點(diǎn)的位置大致深度集中在1 150 m，長度約為140 m；第二高阻異常點(diǎn)位置大致深度集中在1 100 m，長度約為80 m），分布范圍較大，可能是由于煤層采空區(qū)引起；低阻區(qū)較少，僅在深度1 150 m，9～38測點(diǎn)處有極少分布。對比此處地形和水文條件可以推斷，該處的低阻異常可能是由于十里河河水入滲地下，導(dǎo)致土壤濕潤所致。

圖4 第9測線一維反演電阻率剖面圖

4 結(jié)論

（1）通過分析現(xiàn)有的地質(zhì)資料，并對原始數(shù)據(jù)和室內(nèi)處理的結(jié)果綜合分析，結(jié)合鵲山礦十里河床的地形，數(shù)據(jù)的主要異?？赡苁遣怀渌簩硬煽諈^(qū)或是巷道引起的。研究區(qū)內(nèi)的地形地貌對探測數(shù)據(jù)也有不同程度的影響，第9線主要受到山前沖溝的地形影響，出現(xiàn)多個(gè)低阻區(qū)（9～39等處）與沖溝對應(yīng)，此外9線視電阻率平面圖、剖面圖以及一維反演電阻率剖面圖上可以看出測線上存在幾處高阻異常。

（2）地形、地表水、金屬、目標(biāo)物埋深等都會影響各個(gè)地層、地質(zhì)體的電性特征，在對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解釋的時(shí)候，應(yīng)該全面考慮各個(gè)可能因素，進(jìn)行多測線對比，排除噪聲，必要時(shí)要對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，從而推斷出地質(zhì)體真實(shí)的特征。此外，分析地質(zhì)體的電性特征時(shí)，要考慮到地質(zhì)體埋深對其電性特征的影響，結(jié)合多測線的電阻率平面圖、剖面圖和已知的地質(zhì)資料及物探資料，綜合分析所得到的探測數(shù)據(jù)，做出符合實(shí)際地質(zhì)概況的推斷。

（3）通過礦方驗(yàn)證，表明瞬變電磁法的工作效率高,所得到的分析結(jié)果較為接近真實(shí)的地質(zhì)情況。但是，物探是通過不同地質(zhì)體的電阻率值反應(yīng)實(shí)際的地質(zhì)情況，受周邊地質(zhì)環(huán)境影響較大，所測到的數(shù)據(jù)則不能完全反映真實(shí)的地質(zhì)情況，在煤礦建設(shè)、生產(chǎn)前要及時(shí)補(bǔ)充其他勘探方法或利用鉆探對異常區(qū)進(jìn)行必要的驗(yàn)證。

[1]牛宏,陳連城.瞬變電磁法在探測采空區(qū)灌漿范圍中的應(yīng)用[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2011,27(5)：78-81.

[2]牛宏,陳連城.瞬變電磁法探測近距離多層采空區(qū)技術(shù)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2012,39(2)：39-40,44.

[3]任豫濤.瞬變電磁法在構(gòu)造探測中的應(yīng)用[J].西部探礦工程,2015,27(5)：94-96.

[4]冉云,劉鴻福.基于小波分析的瞬變電磁測深數(shù)據(jù)處理與解釋[J].勘探地球物理進(jìn)展,2010,33(4)：275-279.

[5]張西君,敖懷歡,楊勝發(fā),等.瞬變電磁法在復(fù)雜條件下勘查地下巖溶水效果分析——以貴州大方縣鼠場為例[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2015,12(2)：151-156.

〔責(zé)任編輯 王東〕

Processing and Interpretation of Transient Electromagnetic Data in Goaf Detection——A Case Study of Datong Queshan Coal Mine

ZHANG Li-lei
（School of Coal Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037003）

Contaminated by noises,conventional processing of transient electromagnetic sounding data fails to generate reliable interpretation in coal mined-out area.This paper analyses data by using a method automatic reject the large disturbance and process of the noises in the data,and 1-d inversion for the transient electromagnetic data by computer analysis and the log data comparison.And we discusses inversion of TEM data based on one dimension model by using computer analysis and the log data comparison.Experiments show that TEM can make sure of goaf seeper and water-rich fault.

transient electromagnetic;the resistivity isoline;data

TD167

A

1674-0874(2016)03-0070-04

2016-02-03

張麗蕾（1984-），女，山西大同人，碩士，助教，研究方向：地質(zhì)。