瞬變電磁法在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用★

司 銀 女

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

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瞬變電磁法在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用★

司 銀 女

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

通過數(shù)值模擬的方法，研究了典型采空區(qū)地質(zhì)模型的正演響應(yīng)特征，并以黃陵礦業(yè)集團(tuán)店頭電廠項目為例，闡述了瞬變電磁法在采空區(qū)地質(zhì)勘察中的應(yīng)用，指出瞬變電磁法能夠準(zhǔn)確圈定采空區(qū)的范圍。

采空區(qū)，瞬變電磁法，地質(zhì)勘察，數(shù)值模擬

0 引言

黃陵礦業(yè)集團(tuán)店頭2×660 MW電廠項目擬建廠位置存在小煤窯無序開采的情況。由于采空區(qū)的存在，特別是在采空區(qū)充水情況下，采空區(qū)周邊巖體受水的影響，產(chǎn)生軟化，使巖體強(qiáng)度降低，壓縮變形大，抗剪強(qiáng)度差，導(dǎo)致這些未經(jīng)任何處理的采空區(qū)會對其上部的擬建建筑物造成很大的安全隱患。因此需對擬建電廠范圍內(nèi)的采空區(qū)進(jìn)行工程治理。但是，由于大多數(shù)小煤窯屬于無規(guī)劃開采，且開采資料不詳，導(dǎo)致采空區(qū)的分布范圍無資料可考證，因此，迫切需要采用先進(jìn)的無損勘探技術(shù)手段來圈定擬建廠址的煤礦采空區(qū)、采空積水區(qū)的分布范圍。

用于采空區(qū)調(diào)查的地球物理方法可以分為三大類：地震、電法及測氡法。地震類方法包括淺層地震、瑞雷波、地震映像法等。三維地震探測采空區(qū)的試驗研究展示了良好的應(yīng)用前景，但其缺點是無法確定其是否積水；電法類方法包括高密度電法、TEM法、地質(zhì)雷達(dá)等，這些方法均可確定采空區(qū)是否積水。高密度電法易受地表施工條件的影響，且探測深度有限(一般不超過100 m)；地質(zhì)雷達(dá)則采用的是高頻電磁波，探測深度有限；而瞬變電磁法所具有的眾多優(yōu)點：相對于地震、鉆探其成本更低廉；相對于重力、磁法，其解釋精度、分辨率更高；相對于直流電法，其對復(fù)雜地質(zhì)條件和不同地質(zhì)任務(wù)的適應(yīng)能力更強(qiáng)。因此瞬變電磁法在礦產(chǎn)資源勘探、構(gòu)造探測、水文地質(zhì)勘探、工程地質(zhì)以及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查等眾多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景，是煤礦采空積水區(qū)探測的首選方法。通過近10年的研究與應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者在該方法的理論和應(yīng)用方面做了大量有益的工作，同時也遇到了不少科研難題和空白，尚未解決。

本文首先通過數(shù)值模擬的方法研究典型采空區(qū)地質(zhì)模型的正演響應(yīng)特征，為采用瞬變電磁法探測采空積水區(qū)提供分析、解釋依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，將該方法應(yīng)用到黃陵礦業(yè)集團(tuán)店頭電廠項目采空區(qū)工程地質(zhì)勘察與治理中，圈定出準(zhǔn)確的采空區(qū)分布范圍，為下一步采空區(qū)治理提供靶區(qū)。

1 典型采空區(qū)模型數(shù)值模擬

時間域電磁法(TEM)是利用地面布設(shè)的回線(磁性源)通以脈沖電流作為場源，向地下發(fā)送一次脈沖磁場，以激勵探測目標(biāo)體而感生出二次電流，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈觀測所產(chǎn)生的二次場隨時間變化的響應(yīng)。2.5D人工源時間域電磁場數(shù)值模擬(正演)問題是目前國際上尚未妥善解決的地球物理學(xué)疑難問題之一。本論文基于磁偶源電磁場頻率域2D數(shù)值模擬(C.H.Stoyer和Roy.J.Greenfield(1976))和2.5D波數(shù)域選擇基礎(chǔ)上，用16點波數(shù)實現(xiàn)3D場源的等效，用Guptasarma算法實現(xiàn)了從頻率域轉(zhuǎn)換為時間域，從而用有限差分法實現(xiàn)了對時間域瞬變電磁場的2.5D有限差分?jǐn)?shù)值模擬。

構(gòu)建地下三層介質(zhì)模型，如圖1所示，第一層覆蓋層的電阻率為：ρ1=100 Ω·m，層厚：h1=80 m或h1=160 m。中間層為煤層，取其電阻率為ρ2=400 Ω·m，層厚h2=5 m。第三層(基底層)電阻率ρ3=200 Ω·m。采空區(qū)位于研究區(qū)域的中部(采全高5 m)，采空區(qū)長L=60 m；采空區(qū)不積水時電阻率：ρ4=5 000 Ω·m；采空區(qū)中完全充水時的電阻率：ρ4=5 Ω·m。采用中心回線裝置進(jìn)行模擬計算，發(fā)射回線邊長均取120 m，接收線圈的等效面積為10 000 m2，采用發(fā)射電流對瞬變電磁的響應(yīng)進(jìn)行歸一化，因此取發(fā)射電流為1 A。

如圖2所示為該采空區(qū)模型地表各測點的中心回線瞬變電磁響應(yīng)多測道剖面圖。圖2a)和圖2b)分別是覆蓋層為80 m不積水采空區(qū)和積水采空區(qū)的瞬變響應(yīng)多測道剖面圖；圖2c)是覆蓋層為160 m積水采空區(qū)的瞬變響應(yīng)多測道剖面圖。

分析上述模型的2.5D正演結(jié)果可以得出如下結(jié)論：1)目標(biāo)體的橫向輪廓在瞬變響應(yīng)多測道剖面圖中反映明顯，瞬變電磁法具有橫向分辨率高的特點；2)瞬變電磁法對積水采空區(qū)反映明顯，在多測道剖面圖中部有明顯的異常產(chǎn)生；相比之下，瞬變電磁法對不積水采空區(qū)反映較微弱；3)采空積水區(qū)一旦引起瞬變響應(yīng)，在其隨后的一定范圍內(nèi)的時間道均有所反映，可見變電磁法縱向分辨率相對較低；4)采空積水區(qū)的埋深越淺，其異常幅度越大，埋深越深，在地表觀測到的異常響應(yīng)越微弱。

上述地質(zhì)模型說明：瞬變電磁法優(yōu)點為對采空積水區(qū)反映明顯，橫向分辨率較高；缺點為對不積水采空區(qū)反映微弱，縱向分辨率較低，優(yōu)化反演方法可提高其縱向分辨率；采空區(qū)埋藏越淺，其探測效果越好。

2 TEM法在黃陵礦業(yè)集團(tuán)店頭電廠項目采空區(qū)工程地質(zhì)勘察與治理

2.1 礦區(qū)概況

黃陵礦區(qū)位于黃隴侏羅紀(jì)煤田東北部，鉆孔揭露地層由老至新有：三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)、瓦窯堡組(T3w)；侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)；中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)；白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K1l)、環(huán)河華池組(K1h)；新近系上新統(tǒng)(N2)；第四系中、上更新統(tǒng)(Q2+3)，全新統(tǒng)(Q4)等地層。

侏羅系中統(tǒng)延安組為黃陵礦區(qū)含煤地層，厚度50.64 m～150.81 m，平均92.29 m，共含煤4層(組)，分別為0煤、1煤、2煤和3煤。

本次測區(qū)的目標(biāo)煤層為2號煤層，主要分布在測區(qū)的北部和中部，南部推測缺失。煤層產(chǎn)狀平緩，推測埋深在50 m左右，厚度變化小，結(jié)構(gòu)簡單。

2.2 資料分析與地質(zhì)效果

圖3為該測區(qū)7線反演電阻率剖面圖，圖3中橫軸為水平距離(底部)，縱軸為高程，等值線值為視電阻率。由圖3可見，垂向上電阻率值剖面圖總體表現(xiàn)為低→高→低的變化趨勢，符合本區(qū)地層的電性分布特征(淺部低阻為第四系覆蓋層的反映，中部高阻為侏羅系含煤地層的反映，深部低阻為三疊系的反映)；橫向上，電阻率分布整體呈近似水平層狀，與實際地層起伏趨勢吻合，而在剖面上右側(cè)段水平距離350 m～410 m之間，深度在2煤附近增加了一個低阻層位，形成低阻圈閉，幅值較強(qiáng)，推斷該低阻異常區(qū)是小窯采空積水區(qū)的反映。

成果提交后，經(jīng)Z51號鉆孔進(jìn)行驗證(如圖4所示),鉆探進(jìn)尺標(biāo)高+902.71 m時掉鉆，掉鉆深度1.5 m，進(jìn)尺快，主要為煤渣碎屑，確認(rèn)異常區(qū)所處位置為小窯采空積水區(qū)，瞬變電磁法成果與實際情況吻合，應(yīng)用效果較好。

3 結(jié)語

本文基于前人的研究成果，依托目前高度發(fā)展的計算機(jī)技術(shù)，采用有限差分方法對瞬變電磁法進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)計典型采空區(qū)的理論模型，計算了其2.5D瞬變電磁響應(yīng)曲線，為TEM探測煤礦采空積水區(qū)提供了理論基礎(chǔ)。理論研究認(rèn)為瞬變電磁法對積水采空區(qū)反映明顯，具有橫向分辨率高、縱向分辨率低的特點；采空積水區(qū)的埋深越淺，其異常幅度越大，埋深越深，在地表觀測到的異常響應(yīng)越微弱。相比之下，瞬變電磁法對不積水采空區(qū)反映較微弱。在定性解釋的基礎(chǔ)上對瞬變電磁資料進(jìn)行反演解釋，有利于提高縱向上的分辨率，達(dá)到高精度圈定采空區(qū)的目的。黃陵礦業(yè)集團(tuán)店頭電廠項目采空區(qū)工程地質(zhì)勘察與治理工程實踐表明，TEM法圈定的采空區(qū)范圍得到鉆探的驗證，應(yīng)用效果較好。

[1] 程建遠(yuǎn)，孫洪星，趙慶彪，等.老窯采空區(qū)的探測技術(shù)與實例研究[J].煤炭學(xué)報，2008，33(3)：251-255.

[2] 解海軍.煤礦積水采空區(qū)瞬變電磁法探測技術(shù)研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué),2009.

[3] 解海軍，孟小紅，王信文，等.煤礦積水采空區(qū)瞬變電磁法探測的附加效應(yīng)[J].煤田地質(zhì)與勘探，2009，37(2)：71-74.

[4] 牛之璉.時間域電磁法原理[M].長沙：中南大學(xué)出版社,2007.

[5] 李 貅.瞬變電磁測深的理論與應(yīng)用[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

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

[7] 劉 云，王緒本，毛立峰.起伏地形瞬變電磁2.5維有限差分?jǐn)?shù)值模擬[J].中國地球物理，2009(5)：54-57.

[8] 劉菁華，王祝文，朱 士，等.煤礦采空區(qū)及塌陷區(qū)的地球物理探查[J].煤炭學(xué)報，2005，30(6)：715-719.

[9] 張開元，韓自豪，周 韜.瞬變電磁法在探測煤礦采空區(qū)中的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2007，4(4)：341-344.

[10] 安潤蓮，姚精選，楊引串.瞬變電磁勘探技術(shù)在探測采空區(qū)中的應(yīng)用[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2006，17(4)：116-122.

[11] 薛國強(qiáng)，宋建平，閆 述，等.瞬變電磁探測底下洞體的可行性分析[J].石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，28(5)：135-138.

[12] 陳明生，閆 述，解海軍，等.二維地質(zhì)體的瞬變電磁響應(yīng)特征研究[J].地震地質(zhì)，2001，23(2)：252-256.

[13] Tsili Wang，Gerald W.Hohmann.A finite-difference time-domain solution for three-dimensional electromagnetic modeling[J].Geophysics，1993(58)：797-809.

[14] Barnett C.T.Simple inversion inversion of time-domain electromagnetic data[J].Geophysics，1984(49)：925-933.

[15] 王信文，馮 宏，解海軍，等.TEM 技術(shù)地形校正初探[J].陜西省地球物理文集(八)——深部礦井災(zāi)害源探測實踐，2008(26):127-131.

[16] 殷長春，劉 斌.瞬變電磁法三維問題正演及激電效應(yīng)特征研究[J].地球物理學(xué)報，1994，37(S2)：486-492.

[17] 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)值模擬[J].地球物理學(xué)報，2006，49(2)：590-597.

[18] 王華軍，羅延鐘.中心回線瞬變電磁法2.5維有限單元算法[J].地球物理學(xué)報，2003(6)：855-862.

[19] 劉樹才，劉志新，姜志海.瞬變電磁法在煤礦采區(qū)水文勘探中的應(yīng)用[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005(4):40-43.

Application of transient electromagnetic method in engineering geology survey★

Si Yinnv

(ChinaCoalScienceIndustryGroupXi’anAcademyCo.,Ltd,Xi’an710077,China)

Through numerical simulation method, the paper studies modeling response features of typical goaf geology model. Taking Diantou power plant project of Huangling mining industry as an example, it describes the application of transient electromagnetic method in goaf geology survey, and finally points out that: the transient electromagnetic method can accurately fix the goaf scope.

goaf, transient electromagnetic method, geological survey, numerical simulation

1009-6825(2016)24-0051-03

2016-06-06★：中煤科工集團(tuán)西安研究院自籌資金科技創(chuàng)新項目-礦井瞬變電磁應(yīng)用研究(項目編號：2013XAYCX021)；國家自然科學(xué)基金青年基金項目(項目編號：41304116)

司銀女(1981- )，女，碩士，工程師

P631.325

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