基于瞬變電磁法的采空區(qū)探測(cè)

陳 龍，任 龍

（中煤平朔集團(tuán)有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036006）

基于瞬變電磁法的采空區(qū)探測(cè)

陳 龍，任 龍

（中煤平朔集團(tuán)有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036006）

通過(guò)研究安家?guī)X露天礦采空區(qū)測(cè)量方面相關(guān)理論，結(jié)合礦山實(shí)際情況，提出了利用瞬變電磁法探測(cè)采空區(qū)巷道布置及形態(tài)分布的方法，并在安家?guī)X礦進(jìn)行了工程應(yīng)用。通過(guò)對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)的處理和解釋?zhuān)Y(jié)合地質(zhì)資料查明了礦坑內(nèi)的采空區(qū)分布。

露天煤礦；瞬變電磁法；采空區(qū)

0 引 言

安家?guī)X露天礦是我國(guó)自行設(shè)計(jì)、施工的特大型露天礦。露天礦分為3個(gè)采區(qū)，礦坑目前位于首采區(qū)，工作線(xiàn)南北方向布置，采剝臺(tái)階自西向東推進(jìn)，形成了工作幫、端幫和內(nèi)排土場(chǎng)共存的空間布局。

本區(qū)煤層埋藏較淺，小煤礦開(kāi)采歷史悠久。在目前露天礦首采區(qū)的推進(jìn)方向上分布著已關(guān)閉的后東煤礦和白西溝煤礦，2個(gè)礦井的設(shè)計(jì)與開(kāi)采資料不全或丟失，導(dǎo)致對(duì)井下巷道與采空區(qū)的布置與分布無(wú)法掌握。露天礦周邊小煤窯的開(kāi)采造成露天礦工作幫和端幫存在較多的巷道與采空區(qū)，而且多年前開(kāi)采的小煤窯資料較少，采空區(qū)位置及形狀已無(wú)法判斷，在生產(chǎn)過(guò)程中威脅到設(shè)備及人員的安全，露天采礦開(kāi)展好采空區(qū)探測(cè)工作是十分必要的。

1 問(wèn)題的提出

在原有采空區(qū)探測(cè)成果的基礎(chǔ)上詳細(xì)分析露天礦開(kāi)采范圍內(nèi)井工采空區(qū)的分布范圍，對(duì)露天礦開(kāi)采區(qū)域存有采空區(qū)的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充探測(cè)，以進(jìn)一步確定采空區(qū)的空間產(chǎn)狀和空區(qū)屬性。為此，主要采用磁法勘探和瞬變電磁法兩種地球物理勘探（物探）方法與技術(shù)對(duì)露天礦開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行精查探測(cè)，火區(qū)探測(cè)以磁法勘探為主，采空區(qū)探測(cè)以瞬變電磁法為主，目的是查明井下巷道布置形式與采空區(qū)的分布狀態(tài)及特征，為制定安全開(kāi)采方案提供依據(jù)。

2 瞬變電磁法探測(cè)原理

瞬變電磁法屬于時(shí)間域電磁感應(yīng)法，依靠不接地回線(xiàn)或接地線(xiàn)源向地下發(fā)送一次脈沖場(chǎng)[1]。在一次脈沖場(chǎng)間歇期間利用回線(xiàn)或電偶極接收感應(yīng)二次場(chǎng)，該二次場(chǎng)是由地下良性導(dǎo)電地質(zhì)體受激勵(lì)引起的渦流所產(chǎn)生的非穩(wěn)電磁場(chǎng)[2]。瞬變電磁勘探裝置示意圖如圖1。

良性導(dǎo)電地質(zhì)體產(chǎn)生的感應(yīng)二次場(chǎng)與地質(zhì)體的電阻率密切相關(guān)，電阻率越低、低電阻地質(zhì)體規(guī)模越大，感應(yīng)二次場(chǎng)越高、二次場(chǎng)衰減越慢，圖2是瞬變電磁發(fā)射一次場(chǎng)和接收二次場(chǎng)時(shí)序關(guān)系圖。

圖1 瞬變電磁勘探裝置示意

圖2 瞬變電磁發(fā)射一次場(chǎng)和接收二次場(chǎng)時(shí)序關(guān)系

有限導(dǎo)電地質(zhì)體瞬變電磁響應(yīng)可以用一個(gè)具有電阻和電感的回線(xiàn)上的響應(yīng)相等效。回線(xiàn)中的感應(yīng)電壓正比于二次磁場(chǎng)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)。

式中：τ為衰減的時(shí)間常數(shù)，電阻率越低時(shí)間常數(shù)越大。式（1）忽略了導(dǎo)電圍巖和導(dǎo)電覆蓋層影響。導(dǎo)電圍巖的瞬變電磁響應(yīng)可用“煙圈效應(yīng)”等效，即導(dǎo)電圍巖產(chǎn)生的電磁感應(yīng)二次場(chǎng)可以用一系列向深部傳播隨時(shí)間增大半徑增大的“電流環(huán)”產(chǎn)生的電磁場(chǎng)等效，電流環(huán)的存在會(huì)對(duì)不均勻的含水地質(zhì)體產(chǎn)生電磁感應(yīng)[3]。含水地質(zhì)體上同點(diǎn)裝置（中心回線(xiàn)）瞬變電磁感應(yīng)電壓具有中間低兩側(cè)高的異常特征，集流效應(yīng)和激發(fā)極化效應(yīng)將使這個(gè)特征更加明顯，甚至可以看到負(fù)的瞬變電磁二次場(chǎng)，這也是瞬變電磁勘探在國(guó)內(nèi)能大面積開(kāi)展的原因[4-5]。

3 瞬變電磁探測(cè)采空區(qū)工程應(yīng)用

3.1 瞬變電磁勘探儀器

本次探測(cè)投入項(xiàng)目的設(shè)備有GPS定位測(cè)量設(shè)備和瞬變電磁勘探儀器。瞬變電磁儀使用澳大利亞產(chǎn)terraTEM儀器。

3.2 測(cè)網(wǎng)布設(shè)

坐標(biāo)系統(tǒng)采用1954年北京大地坐標(biāo)系，橫軸墨卡托投影，中央子午線(xiàn)為112°30′00″。物探測(cè)網(wǎng)布設(shè)使用SBAS差分手持GPS就各測(cè)點(diǎn)放樣。

瞬變電磁勘探測(cè)線(xiàn)方向盡量與地質(zhì)構(gòu)造垂直，從而獲取較強(qiáng)的地電信號(hào)，使地質(zhì)效果達(dá)到最佳。根據(jù)本次勘探的地質(zhì)任務(wù)，測(cè)線(xiàn)東西向布置，線(xiàn)距20 m，點(diǎn)距20 m，野外測(cè)量時(shí)在發(fā)現(xiàn)異常的區(qū)域則點(diǎn)距加密為10 m。測(cè)點(diǎn)編號(hào)由西向東依次增大，測(cè)線(xiàn)號(hào)由南向北依次增大。C6、C8、C9 3個(gè)區(qū)域瞬變電磁測(cè)網(wǎng)布置示意如圖3。

圖3 瞬變電磁勘探工區(qū)示意

3.3 施工裝置與試驗(yàn)

勘探區(qū)目標(biāo)層深度80～200 m，野外開(kāi)工之前首先做瞬變電磁試驗(yàn)，目的是選擇合適的裝置和儀器參數(shù)，確保采集到能反映深度80～200 m的數(shù)據(jù)。

3.3.1 施工裝置

常用的瞬變電磁勘探裝置有重疊回線(xiàn)、大定回線(xiàn)源、中心回線(xiàn)裝置等。目前，國(guó)內(nèi)煤田水文物探中多采用大定回線(xiàn)源裝置和中心回線(xiàn)裝置，中心回線(xiàn)裝置一般發(fā)射邊長(zhǎng)200～800 m的線(xiàn)框，數(shù)百米長(zhǎng)的發(fā)射線(xiàn)框，若只觀測(cè)發(fā)射線(xiàn)框中心點(diǎn)就移動(dòng)位置勢(shì)必會(huì)大大降低TEM法的工作效率。大回線(xiàn)源裝置多用于精測(cè)剖面勘探，探測(cè)深度100～2 000 m，在頻繁的測(cè)量過(guò)程中，效率較高、效果較好。

本次勘探選用大回線(xiàn)測(cè)量，可觀測(cè)到回線(xiàn)內(nèi)、外，可多臺(tái)接收機(jī)同時(shí)工作，勘探深度大，劃分異常細(xì)，工作效率高。

考慮到勘探區(qū)目標(biāo)層深度淺，通過(guò)線(xiàn)圈大小和儀器參數(shù)的試驗(yàn)，在保證深度和工作效率的前提下要求關(guān)斷時(shí)間盡可能的短，為此采用單匝200 m邊長(zhǎng)回線(xiàn)發(fā)射，TEM－70K瞬變電磁探頭接收的大回線(xiàn)源裝置。

3.3.2 參數(shù)試驗(yàn)

到達(dá)測(cè)區(qū)后，項(xiàng)目組還進(jìn)行了疊加次數(shù)、采集增益的試驗(yàn)，具體結(jié)果如圖4。

圖4 不同疊加次數(shù)試驗(yàn)

1）疊加次數(shù)試驗(yàn)。不同疊加次數(shù)試驗(yàn)如圖4，通過(guò)觀察改變疊加次數(shù)，可以看出128次疊加時(shí)在采樣時(shí)間后期有明顯的“翹尾”，256次和512次二者較為一致，所以應(yīng)采用至少256次疊加進(jìn)行采集，綜合考慮工區(qū)實(shí)際情況、工作效率與數(shù)據(jù)質(zhì)量后采集統(tǒng)一采用512次疊加。

2）增益倍數(shù)試驗(yàn)。不同倍數(shù)增益試驗(yàn)如圖5，通過(guò)觀察調(diào)整增益倍數(shù)后的采集結(jié)果，可以看出16倍、32倍、64倍增益3種情況在早期吻合程度較好，幾乎完全重合；在晚期時(shí)16倍增益數(shù)據(jù)質(zhì)量變差，32倍和64倍相對(duì)一致，64倍增益采集的數(shù)據(jù)更加平滑。因此本測(cè)區(qū)測(cè)量時(shí)，早期增益可以采用16倍或32倍，晚期采集時(shí)應(yīng)大于等于64倍增益。

通過(guò)試驗(yàn)最終確定的儀器測(cè)量參數(shù)為自動(dòng)增益（早期32倍，晚期100倍）,疊加次數(shù)512，供電電流6 A。

3.4 數(shù)據(jù)處理及解釋

瞬變電磁法是一種利用電阻率參數(shù)勘探的地球物理方法，它的數(shù)據(jù)解釋需要與地質(zhì)資料相結(jié)合進(jìn)行，遵循由已知到未知、由定性到定量的原則進(jìn)行。

勘探資料的處理和解釋工作是同時(shí)進(jìn)行的，通過(guò)多次進(jìn)行資料處理、解釋?zhuān)岣呓忉尵龋Y料解釋是建立在已掌握的地質(zhì)資料，處理后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的視電阻率擬斷面圖、視電阻率三維等值面圖的基礎(chǔ)上[6]。為了使解釋更貼近實(shí)際，根據(jù)初步解釋之效果的好壞，可能對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整處理，再進(jìn)行處理和解釋。下面是以C6測(cè)區(qū)為例的實(shí)際數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

圖5 不同倍數(shù)增益試驗(yàn)

C6測(cè)區(qū)共有36條測(cè)線(xiàn)，利用所有36條測(cè)線(xiàn)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理之后的全部數(shù)據(jù)，反演計(jì)算了C6測(cè)區(qū)地下三維電性結(jié)構(gòu)（電阻率分布）。以下將從不同角度分析該三維電性結(jié)構(gòu)及其采空區(qū)和賦水性。

圖6是沿測(cè)線(xiàn)方向（東西方向）地下電阻率斷面圖。圖7是沿南北方向給出的3個(gè)地下電阻率斷面圖，位置的東西向坐標(biāo)x分別為12 264 m，12 300 m和12 390 m，選此3個(gè)斷面的原則是每個(gè)斷面均通過(guò)1個(gè)或者多個(gè)推斷的可能采空區(qū)的中心。圖8給出2個(gè)地下平面電阻率等值線(xiàn)圖，其高程z分別為1 190 m和1 215 m。

上面給出了C6測(cè)區(qū)由瞬變電磁法探測(cè)反演獲得的地下三維電阻率結(jié)構(gòu)。這些處理和反演的結(jié)果與收集到的煤層地質(zhì)資料相結(jié)合，可以對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的采空區(qū)進(jìn)行多層次的推斷解釋和評(píng)價(jià)[7]。首先，全面審視地下三維電阻率結(jié)構(gòu)，將其與煤層頂?shù)捉缦薇葘?duì)，從而獲得采空區(qū)的電阻率特征值，即高于電阻率特征值的區(qū)域解釋為采空區(qū)。其次，將采空區(qū)電阻率特征值擴(kuò)展為一個(gè)范圍，在此范圍內(nèi)選擇幾個(gè)特征值，按這些特征值繪制相應(yīng)的采空區(qū)范圍[8]。

采空區(qū)電阻率特征值選擇為700 Ω·m，采空區(qū)電阻率特征值范圍為620～780 Ω·m，選擇分別大于780、700、620 Ω·m的地下電阻率成圖，將C6測(cè)區(qū)推斷的采空區(qū)投影到地表如圖9。

圖6 C6區(qū)不同測(cè)線(xiàn)（東西向）地下電阻率斷面

圖7 C6區(qū)南北向地下電阻率斷面圖

圖8 C6區(qū)地下平面電阻率等值線(xiàn)

4 結(jié)論

瞬變電磁數(shù)據(jù)的采集、處理和解釋過(guò)程中，嚴(yán)格執(zhí)行了有關(guān)技術(shù)要求，對(duì)野外資料進(jìn)行了認(rèn)真檢查、驗(yàn)收，保證了原始數(shù)據(jù)的可靠性。通過(guò)對(duì)瞬變電磁測(cè)深數(shù)據(jù)的處理和解釋獲得了多參數(shù)綜合解釋圖件，結(jié)合地質(zhì)資料查明了工區(qū)內(nèi)的采空區(qū)分布。

采空區(qū)的劃分與圈定是基于本次地面瞬變電磁法勘探的解釋成果，瞬變電磁勘探是基于地質(zhì)體的電性差異進(jìn)行異常解釋的，引起地質(zhì)體電性差異的因素很多，使瞬變電磁勘探與其它物探方法一樣具有多解性。因此，在條件許可情況下，可以指導(dǎo)后續(xù)的瞬變電磁資料解釋?zhuān)岣咛綔y(cè)成果質(zhì)量，更好地為煤田安全生產(chǎn)服務(wù)。

［1］薛國(guó)強(qiáng)，宋建平，李貅.水平層狀介質(zhì)下瞬變電磁成像方法［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（2）：215-218.

Goaf detect based on transient electromagnetic method

CHEN Long,REN Long
(Anjialing Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

Through researching the relevant theory of goaf measuring aspects,combined with the actual situation of the mine,the article proposed the method of using transient electromagnetic to detect goaf roadway layout and shape distribution and carried out engineering application in Anjialing Open-pit Mine.By bathymetric data processing and interpretation with geological data,the mine identified the goaf distribution within the pit.

open-pit mine;transient electromagnetic method;goaf

P631.3+25

B

1671－9816（2017）03－00015－05

2016-10-21

陳 龍（1987—）男，遼寧阜新人，助理工程師，2010年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦物資源工程專(zhuān)業(yè)（露采），現(xiàn)任中煤平朔安家?guī)X露天礦生產(chǎn)班值班副主管，長(zhǎng)期從事露天開(kāi)采、現(xiàn)場(chǎng)管理等工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.005

陳龍，任龍.基于瞬變電磁法的采空區(qū)探測(cè)［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（3）：15-18.