瞬變電磁在勘察煤礦采空區(qū)中的應用

趙偉鋒

(河北省地礦局 秦皇島礦產(chǎn)水文工程地質(zhì)大隊，河北 秦皇島 066000)

?

瞬變電磁在勘察煤礦采空區(qū)中的應用

趙偉鋒

(河北省地礦局 秦皇島礦產(chǎn)水文工程地質(zhì)大隊，河北 秦皇島 066000)

某煤礦區(qū)開采后遺留下了采空區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題，嚴重影響了生態(tài)環(huán)境和人類正常的生存環(huán)境。為了后期環(huán)境治理，應用瞬變電磁法對某煤礦采空區(qū)進行物探勘察，采用儀器自帶軟件繪制各條測線視電阻率擬斷面圖，對測區(qū)內(nèi)可能存在的地質(zhì)異常區(qū)進行解釋，接著對不同深度水平視電阻率切片圖進行分析，著重分析地質(zhì)異常區(qū)的分布規(guī)律。最后依據(jù)視電阻率擬斷面圖和平面圖，結合地質(zhì)資料很好地圈定了煤礦采空區(qū)，并繪制出直觀的三維圖。其應用效果結果表明：大定源瞬變電磁法對解決煤礦采空區(qū)地質(zhì)問題是一種快捷、高效的勘查手段，為后期治理提供了直接、有效的指導。

瞬變電磁；煤礦采空區(qū)；視電阻率

1 引 言

近幾十年來，煤礦開采后遺留下許多不明采空區(qū)[1]。這些采空區(qū)破壞了地球表面和巖石圈的自然平衡，影響了生態(tài)環(huán)境和人類正常生存的環(huán)境，對人身和財產(chǎn)造成了很大的威脅[2]。為了查明礦區(qū)采空情況，為后期環(huán)境治理提供指導，我們必須采取合適、有效的地球物理方法進行勘察。一般而言，進行采空區(qū)探測的主要方法有高密度電法、淺層地震法、瞬變電磁法和探測雷達等。瞬變電磁法是近年來發(fā)展很快的電法勘探方法之一。與直流電法相比，瞬變電磁法有較高的分辨率，可以穿透直流電法難以穿透的低阻帶；并且有裝置輕便、工作效率高的特點[3]。其在查明基巖構造，裂隙發(fā)育和采空區(qū)等方面廣泛應用[4-7]。瞬變場的裝置種類多種多樣，常用的有偶極—偶極裝置、大回線裝置、重疊回線裝置，工作中根據(jù)實際情況，采用了瞬變電磁法大回線源裝置，用探頭接收。大回線裝置的Tx采用邊長較大的矩形回線，Rx采用小型線圈(或探頭)沿垂直于Tx長邊的測線逐點觀測磁場分量dB/dt值。這種裝置對鋪設回線的要求不那么嚴格, 一旦鋪好回線后,可在線框內(nèi)一定范圍內(nèi)直行測量，因此工作效率高，成本低。這種場源具有發(fā)射磁矩大，場均勻及隨距離衰減慢等特點，適合于密集點距采樣,精細探測。

2 礦區(qū)地質(zhì)概況

西寧市大通回族土族自治縣地處青藏高原和黃土高原的過度地帶，位于青海省東部，祁連山麓之南。工作區(qū)海拔2 450～2 750 m，相對高差300 m。屬中海拔山地流水侵蝕地貌單元，由小起伏中山和中起伏中山組成，其表部組成物質(zhì)為黃土、黃土狀土，下伏新生代碎屑巖，工作區(qū)最北部分布河谷階地。

2.1 測區(qū)地層電性特征

工區(qū)地層主要為：上覆地層為第四系，巖性主要為黏性土、砂質(zhì)土等；下伏基巖為侏羅系、二疊系的煤系地層，詳見表1。

正常情況下，瞬變電磁資料侏羅系電阻率較高，二疊系視電阻率較低，遇到煤層時，視電阻率會升高。本區(qū)由于地層傾斜嚴重，并出現(xiàn)地層倒轉的現(xiàn)象，因此在瞬變電磁測深曲線上，電性變化并非是完美的層狀變化，橫向上視電阻率變化可能會更大。

表1 測區(qū)地層電性一覽

2.2 勘探的原理及前提條件

不同的巖層具有不同的電阻率，電法勘探就是通過測定地下不同地點不同深度的電阻率的差異來達到尋找目標地質(zhì)體的目的。瞬變電磁法屬于時間域[8-10]電磁感應法，它利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖場，在一次脈沖場間歇期間利用回線或電偶極接收感應二次場，該二次場是由地下良導地質(zhì)體受激勵引起的渦流所產(chǎn)生的非穩(wěn)定電磁場，通過對觀測到的隨時間變化的二次場信號的變化，就可以判斷出地下地層的電性變化及不均勻地質(zhì)體的分布情況[11]。通過對反映地電斷面變化的瞬變電磁曲線的分析，可以了解深度方向上地質(zhì)剖面的特征。

利用電法勘探解決地質(zhì)問題的前提條件是目標地質(zhì)體和圍巖存在電性差異，本區(qū)瞬變電磁勘探的任務是探測區(qū)內(nèi)采空區(qū)分布范圍及深度。煤層開采后一般會導致圍巖破碎，孔隙度變大，如果采空區(qū)內(nèi)充氣，則其視電阻率在整體上會較高，在電法資料上會形成橫向上的相對高阻異常；但當裂隙發(fā)育充水時電阻率會明顯下降，在電法資料上會形成橫向上的相對低阻異常。

可以依據(jù)相對的高阻、低阻異常反映，來劃分采空區(qū)，因此本區(qū)具備采用電法探測采空區(qū)的地球物理前提。

3 工作方法

3.1 參數(shù)選擇

在正式開始工作之前，需要確定瞬變電磁工作中的技術參數(shù)，按要求在已知鉆孔進行試驗工作。在測區(qū)已知的鉆孔位置對發(fā)送線框邊長、發(fā)射頻率等參數(shù)進行試驗，選擇最佳采集參數(shù)。

1)回線線框大小和供應電流的選擇

2)工作頻率的選擇

頻率越低，探測深度越高。25 Hz信號比較強，但探測深度較淺，不滿足本區(qū)勘探要求。在信號為2.5 Hz，發(fā)送回線為200 m×200 m情況下，雖然探測深度較深，但信號比較弱，晚期信號信噪比較低，不能滿足解釋需要，同時淺部信息丟失嚴重。而在8.33Hz時，信號比較強，同時也滿足探測深度要求，因此，采用8.33 Hz的頻率進行測量。

3.2 工程布置

測區(qū)內(nèi)測線沿現(xiàn)有資料給出的地層傾向方向進行觀測，整個勘探區(qū)布置的測線共18條，測線基本間距70～370 m，測點距為10 m。具體位置詳見圖1。

圖1 勘探區(qū)測線布置Fig.1 Survey line layout in exploration area

4 資料解釋

瞬變電磁勘探的后期工作分為數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)反演兩個部分。數(shù)據(jù)處理即從讀取儀器數(shù)據(jù)到對視電阻率進行包括抽道、疊加、輸出等算法流程處理，這一系列算法由鳳凰地球物理公司的儀器自帶數(shù)據(jù)處理軟件CMTPro實現(xiàn)；數(shù)據(jù)反演即將數(shù)據(jù)處理結果使用最優(yōu)化反演算法計算出地層視電阻率模型，筆者采用Interpex公司的IX1Dv3 3.5.0反演程序進行反演解釋，該軟件具有定源框邊校正功能，正演考慮關斷時間和電荷積累效應，反演提供平滑模型約束。

首先，依據(jù)各條測線視電阻率(ρs)擬斷面圖，對測區(qū)內(nèi)可能存在的地質(zhì)異常區(qū)進行解釋。接著對各水平、順層視電阻率切片圖進行分析，著重分析地質(zhì)異常區(qū)的分布規(guī)律。最后依據(jù)視電阻率擬斷面圖和平面圖，結合地質(zhì)資料成果進行對比分析解釋[12-13]，確定采空區(qū)的分布規(guī)律和分布范圍，繪制出測區(qū)內(nèi)采空區(qū)分布圖。

4.1 各測線視電阻率斷面圖電性特征

本次瞬變電磁法勘探共實測18條測線，對每條測線按照流程進行數(shù)據(jù)處理。為了便于資料分析，在參考測區(qū)內(nèi)鉆孔資料及地質(zhì)剖面資料，在電性斷面上分別標出了煤層線，并根據(jù)視電阻率變化情況，圈定了采空區(qū)。圖中的黑線表示煤層，白線表示采空區(qū)?，F(xiàn)根據(jù)各測線視電阻率等值線斷面圖，分析各測線煤層及采空情況如下：

4線(圖2)剖面內(nèi)共有三段煤層，在探測深度內(nèi)第一層煤始于0號點，標高2 600 m處，淹沒于170號點， 標高2 200 m處，傾角大約為65度；在煤層線延伸的范圍內(nèi)出現(xiàn)三處明顯的高阻圈閉，根據(jù)采空區(qū)解釋原則，可以將這兩個地方定性異常解釋為采空范圍，第一處采空在樁號0～50 m，標高2 650～2 600 m范圍內(nèi)，第二處采空在樁號100～150 m，標高2 500～2 450 m范圍內(nèi)，第三處采空在樁號170～200 m，標高2 250～2 150 m范圍內(nèi)。第二段煤始于樁號400 m，標高2 640 m處，延伸至樁號260 m，標高2 400 m處，傾角約為75度；存在此段一處采空區(qū)，在樁號350～400 m，標高2 640～2 580 m范圍內(nèi)。第三段煤始于樁號450 m，標高2 600 m處，延伸至樁號750 m，標高2 200 m處，傾角約為68度；存在一處采空區(qū)，在樁號450～550 m，標高2 600～2 530 m范圍內(nèi)。

圖2 4線視電阻率斷面Fig.2 Apparent resistivity section of line 4

其他測線分析類似于上述分析過程，不再贅述。

4.2 不同深度視電阻率特征

鑒于本區(qū)煤層傾斜嚴重，并出現(xiàn)倒轉現(xiàn)象，各測線在勘探深度內(nèi)無法描述各煤層的全部信息，因此對順煤層做切面等值線圖存在一定困難，并且無法對全區(qū)做定性解釋。考慮此原因，本次工作截取各測點某一深度的視電阻率值繪制成了等值線平面圖。結合鉆孔及地質(zhì)剖面資料認為，截取-50 m、-250 m和-350 m三個深度的視電阻率值較為合適，分別繪制平面圖，并將實測各測線路線標于其上，來說明采空區(qū)在上面的分布范圍[12]，如圖3～圖5所示。

圖3 -50 m深度視電阻率等值線平面Fig.3 Depth apparent resistivity contour map at -50 meters

圖4 -250 m深度視電阻率等值線平面Fig.4 Depth apparent resistivity contour map at -250 meters

圖3～圖5這3幅平面圖中，紅黃色區(qū)域代表高阻，藍綠色區(qū)域代表低阻，可以看出在3個深度范圍內(nèi)，高低阻區(qū)域基本吻合，高阻區(qū)域主要集中于測區(qū)中部和南部，低阻區(qū)域主要集中于測區(qū)東部和西部。其中，-50 m深度的高阻區(qū)域明顯較大，根據(jù)本區(qū)煤層開采深度信息，巷道主要集中于此深度范圍內(nèi)，因此采空較為嚴重。隨著深度增大，高阻區(qū)域逐漸減小，表明深部煤層采空相對較少。

圖5 -350 m深度視電阻率等值線平面Fig.5 Depth apparent resistivity contour map at -350 meterss

圖6 三維成果Fig.6 3D result map

根據(jù)圖3～圖5這3幅等值線平面圖，繪制成了三維成果圖，圖中用虛線圈定出采空區(qū)域，如圖6所示。

5 結 論

通過本次勘察測量，基本圈定了電性異常位置，結合地質(zhì)資料和異常形態(tài)特征，分析認為本次煤礦采空區(qū)引起的電性異常為高阻顯示，因此，圈定高阻異常作為判斷采空區(qū)的主要依據(jù)。

本次資料解釋在參考測區(qū)地質(zhì)剖面資料基礎上，在電性斷面上分別標出了煤層線，并根據(jù)視電阻率變化情況和不同深度的平面圖，準確圈定了采空區(qū)，且將分布范圍和規(guī)律在三維成果圖直接有效地展示呈現(xiàn)出來，為后期采空區(qū)環(huán)境治理提供了直觀可靠的依據(jù)。因此瞬變電磁在勘察煤礦采空區(qū)方面應用效果明顯。

[1]劉君.瞬變電磁法在探測煤礦采空區(qū)中的應用[J].科技情報開放與經(jīng)濟，2005,15(10):281-282.

[2]劉國輝，李達，劉志遠，等.綜合電法勘探在中關鐵礦采空區(qū)探測中的應用[J].工程地球物理學報，2011,8(6):709-712.

[3]劉繼東.瞬變電磁測深法在煤礦工程勘察中的應用[J].西安工程學院學報，1999,21(2)：39-40.

[4]張三敏,王娟,李增濤，等.瞬變電磁法探測煤礦采空區(qū)的應用研究[J].工程地球物理學報，2014,11(5):684-687.

[5]唐振宇,張華,龔育齡.瞬變電磁成像技術在采空區(qū)積水探測中的應用[J].工程地球物理學報，2015,12(5)：633-636.

[6]康鴻文，柴新朝.瞬變電磁法及高密度電法在采空區(qū)中探測應用[J].工程地球物理學報，2015,12(2)：167-170.

[7]楊義彪，席曉風.瞬變電磁法(TEM)在露天礦采空區(qū)探測中的應用[J].工程地球物理學報，2010,7(5)：559-593.

[8]狹亮，許榮科，魯勝章，等.瞬變電磁法原理、現(xiàn)狀及在礦產(chǎn)勘查中的應用[J].地質(zhì)與勘探，2009,18(1)：70-73.

[9]蔣邦遠.實用近區(qū)磁源瞬變電磁法勘探[M].北京:地質(zhì)出版社，1998.

[10]牛之璉.時域電磁法原理[M].長沙：中國工業(yè)大學出版社，1992.

[11]劉金濤.瞬變電磁法在煤礦水文地質(zhì)勘查中的應用[J].資源環(huán)境與工程，2006,20(4)：432-436.

[12]趙翠萍.瞬變電磁測深法資料切片立體圖的應用效果探索[J].西北鈾礦地質(zhì)，2006,32(1)：51-53.

[13]曹冰河.瞬變電磁法成果資料快捷解釋方法[J].物探與化探，2004,28(2)：136-138.

The Application of Transient Electromagnetic Method to the Investigation of Coal Mined-out Area

Zhao Weifeng

(QinghuangdaoGeologicalBrigadeofMineralResoucesandHydro-Engineering,GeologicalExplorationBureauofHebeiProvince,QinhuangdaoHebei066000,China)

The geological environment problems in the mined-out areas after mining in coal mining area seriously affect the ecological environment and human living environment. To solve these problems, the transient electromagnetic method is applied to geophysical prospecting in mined-out area. The apparent resistivity profile of each survey line is drawn by the software of the instrument. The possible geological anomaly in the area is interpreted. Then the different depth of apparent resistivity section map is analyzed, and the geological spatial distribution rule is emphatically analyzed. Finally on the basis of apparent resistivity profile and the plane plan, the mined-out area can be delineated well combined with geological data, and the intuitive three-dimensional figure can be drawn out. The results showed that the large fixed source transient electromagnetic method is quick and efficient to solve the geological problem in coal mined-out area, which provides a direct and effective guidance for further treatment.

TEM; coal mined-out area; apparent resistivity

1672—7940(2016)02—0179—05

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.02.008

趙偉鋒(1989-)，男，助理工程師，主要從事地球物理勘查專業(yè)工作。E-mail:likunmelody@126.com

P631.3

A

2015-11-07