地面瞬變電磁法對(duì)采空區(qū)賦水情況的應(yīng)用研究

曹 靜，吳燦燦

(宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

地面瞬變電磁法對(duì)采空區(qū)賦水情況的應(yīng)用研究

曹 靜，吳燦燦

(宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

為了研究地面瞬變電磁法探測(cè)煤礦采空區(qū)的響應(yīng)特征及探測(cè)效果的可行性，根據(jù)測(cè)區(qū)的地球物理特征以及工程要求，運(yùn)用TerraTEM瞬變電磁儀在山東甘霖煤礦礦界內(nèi)探測(cè)采空區(qū)范圍及采空積水性方面進(jìn)行了應(yīng)用。根據(jù)地面瞬變電磁法對(duì)低阻體響應(yīng)十分敏感的特性，并結(jié)合試驗(yàn)選取的工作參數(shù)，較準(zhǔn)確地查明了采空區(qū)的位置及賦水性情況。實(shí)踐證明，地面瞬變電磁法在施工過程中能夠有效避免井下空間限制及周圍金屬支架等的干擾，對(duì)于低阻體位置的圈定及定性解釋，地面瞬變電磁法可作為一種有效的探測(cè)手段。

地面瞬變電磁；采空區(qū)；賦水性

0 引言

煤礦生產(chǎn)過程中，嚴(yán)重制約其安全生產(chǎn)的災(zāi)害之一便是突水事故[1]，突水已造成國(guó)家經(jīng)濟(jì)損失、工人生命安全受到威脅等不可挽回的災(zāi)難[2]。因此，查明煤礦開采過程中采空區(qū)的位置及其賦水情況，成為輔助礦井安全生產(chǎn)的依據(jù)。

探測(cè)采空區(qū)范圍及采空積水性，地球物理方法可以采用地震、直流電法、瞬變電磁、重力、可控源音頻大地電磁法等方法，但對(duì)于富水性，有效的方法還是電法類，也就是直流電法、瞬變電磁、可控源音頻大地電磁法等。根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)，瞬變電磁法是圈定采空區(qū)范圍、定性解釋其賦水性最佳的物探方法之一[3]。楊鏡明等[4]利用高密度電法和瞬變電磁法探測(cè)到煤礦采空區(qū)和未采區(qū)之間的電性差異明顯；陳衛(wèi)營(yíng)等[5]利用TEM多裝置對(duì)采空區(qū)周圍地層穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)查；覃慶炎[6]建立煤礦積水采空區(qū)理論模型，通過分析瞬變電磁響應(yīng)曲線來研究煤礦積水采空區(qū)的響應(yīng)特征；柳夏等[7]在山西七嶺煤礦邊界老窯采空區(qū)利用瞬變電磁法探測(cè)其積水情況，為準(zhǔn)確劃分位置提供了依據(jù)。對(duì)于瞬變電磁法的異常解釋，大量學(xué)者做了相關(guān)工作，為解決深度解釋不準(zhǔn)的問題，范濤等[8]將瞬變電磁法擬MT深度反演方法進(jìn)行精細(xì)解釋煤礦巖層富水性，Maxwell A M[9]利用MT視電阻率數(shù)據(jù)和相位之間的關(guān)系，對(duì)瞬變電磁進(jìn)行了轉(zhuǎn)換相位研究。

瞬變電磁法具有對(duì)含水體非常敏感、受地形影響小、探測(cè)深度中等、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于水文地質(zhì)調(diào)查[10]、礦產(chǎn)普查[11]、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查[12]、道路建設(shè)[13]等領(lǐng)域。

1 方法原理

瞬變電磁法(簡(jiǎn)稱TEM法)是利用發(fā)射回線或接地電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)，而用接收線圈或接地電極觀測(cè)由該脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生的二次渦旋電磁場(chǎng)的空間和時(shí)間分布規(guī)律，來解決有關(guān)地質(zhì)問題的時(shí)間域電磁勘探方法[14]。

高精度、高靈敏性、高可靠性的地球物理儀器是保障探測(cè)效果的前提，為了更好地完成勘探任務(wù)，施工過程中選用了澳大利亞聯(lián)邦工業(yè)研究院生產(chǎn)的TerraTEM瞬變電磁儀。

不同的測(cè)區(qū)、不同的目的層埋深、不同的地質(zhì)任務(wù)所選用的工作方法及施工參數(shù)不同，合理選擇儀器工作方法、施工參數(shù)是完成勘探目的任務(wù)的關(guān)鍵[15]。為此進(jìn)行了探測(cè)區(qū)的試驗(yàn)工作。在野外數(shù)據(jù)采集工作正式開始之前，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，最后選擇性能參數(shù)見表1。

表1 裝置參數(shù)

2 工程應(yīng)用

2.1 測(cè)區(qū)工程概況

地球物理勘探范圍位于甘霖煤礦界內(nèi)，井田總體構(gòu)造形態(tài)為一寬緩的單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀較平緩，一般5°～15°，沿走向、傾向均有舒緩的波狀起伏。目標(biāo)區(qū)位于我國(guó)東部，勘探區(qū)域地表較為平坦，表層大部分為黃土覆蓋，基巖幾乎沒有出露，由北向南地勢(shì)整體表現(xiàn)為先增高再不變的趨勢(shì)。整個(gè)勘探目標(biāo)區(qū)域被農(nóng)作物及樹林覆蓋，東部和北部有小范圍的水溝存在。

2.2 數(shù)據(jù)采集

測(cè)線、測(cè)點(diǎn)的布置是根據(jù)已有資料、瞬變電磁勘探要求、儀器設(shè)備能力等因素綜合考慮。1)要求測(cè)線長(zhǎng)度應(yīng)包括一定范圍的正常背景場(chǎng)，盡可能與已知區(qū)域相銜接，有利于資料的后續(xù)處理解釋；2)測(cè)線的方位盡量保證能與推測(cè)異常體保持垂直，測(cè)線延伸到能追蹤到的正常地層；3)測(cè)線、測(cè)點(diǎn)距離由探測(cè)目標(biāo)體的深度、最小異常的尺度、測(cè)區(qū)干擾程度決定。勘探區(qū)內(nèi)瞬變電磁法以測(cè)線距為40 m、測(cè)點(diǎn)距為20 m的方格網(wǎng)布置。

采用同一回線工作裝置。測(cè)線、測(cè)點(diǎn)按方格網(wǎng)布置，線距60 m，點(diǎn)距20 m。在測(cè)區(qū)共布置瞬變電磁測(cè)點(diǎn)270個(gè)，測(cè)線總長(zhǎng)度5 400 m(如圖1所示)。

圖1 瞬變電磁施工測(cè)線

2.3 數(shù)據(jù)處理與解釋

資料預(yù)處理包括關(guān)斷時(shí)間toff的影響及其校正。預(yù)處理的第2個(gè)內(nèi)容為曲線的圓滑。由于各類干擾的影響，往往使實(shí)測(cè)V/I曲線尾枝出現(xiàn)波動(dòng)，為此必須對(duì)實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行圓滑。通常可采用五點(diǎn)圓滑公式進(jìn)行，但當(dāng)尾枝波動(dòng)過大時(shí)，常常效果不佳。本次采用自編的人機(jī)對(duì)話程序?qū)η€進(jìn)行圓滑。對(duì)實(shí)測(cè)資料處理和解釋，按照原始數(shù)據(jù)編輯進(jìn)行(如圖2所示)。

圖2 原始數(shù)據(jù)編輯流程圖

在數(shù)據(jù)預(yù)處理后，通過反演計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)的地層電阻率值以及深度值，利用這些數(shù)據(jù)，采用GoldenSurfer軟件以及物探數(shù)據(jù)三維可視化系統(tǒng)對(duì)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制電阻率斷面圖瞬變電磁探測(cè)成果圖等圖件(圖3～5)。

根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)，將低于20 Ω·m的區(qū)域解釋為低阻異常區(qū)[16]。通過圖3(a)可以看到在淺層上出現(xiàn)相對(duì)低阻區(qū)域，但是和周圍巖石的電阻率值相差不大，推測(cè)為近期雨量較大造成部分地勢(shì)低洼區(qū)的積水結(jié)果。圖3(b)為測(cè)線2的視電阻率斷面圖，從斷面圖可以看出來明顯的低阻異常區(qū)域，推測(cè)埋深為200 m及以下存在采空區(qū)，并且賦水性較好。而從測(cè)點(diǎn)號(hào)為12及以后，電阻率值變化均勻，電阻率橫向變化不大，成層性較好，推斷此后煤層未采。

圖4為測(cè)區(qū)內(nèi)布置的7條測(cè)線對(duì)應(yīng)的視電阻率斷面圖，從各測(cè)線斷面圖可以看出來各層的成層性分布以及垂向上的變化。從斷面圖可以看出測(cè)線L3埋深小于180 m以內(nèi)的淺層地區(qū)電阻率水平方向變化不大，垂向上電阻率漸變，符合基本的曲線變化情況，近地表出現(xiàn)低阻區(qū)(測(cè)點(diǎn)號(hào)為17)，該處地表地勢(shì)較低，推測(cè)為近期連續(xù)降雨積存所致、煤層沒有開采。埋深到了中深部出現(xiàn)了明顯的低阻異常，推測(cè)為采空區(qū)并且富水性較好。

(a)測(cè)線L1視電阻率斷面圖

(b)測(cè)線L2視電阻率斷面圖圖3 視電阻率斷面圖

圖4 三維瞬變電磁視電阻率斷面圖

從測(cè)線L4的斷面圖可以看出來淺層出現(xiàn)不規(guī)則的低阻區(qū)域，推測(cè)上部煤層已采，出現(xiàn)了采空區(qū)且富水性較測(cè)線1、2、3差。同時(shí)在地表低洼處(第8個(gè)測(cè)點(diǎn))由于雨水的積存出現(xiàn)低阻情況。

測(cè)線5的視電阻率斷面圖可以反映出水平層狀的平緩變化。測(cè)線6、7在埋深150 m左右(測(cè)點(diǎn)號(hào)為3)出現(xiàn)了低阻異常區(qū)，推測(cè)為采空區(qū)富水性較好區(qū)域。測(cè)線8、9近地表出現(xiàn)低阻區(qū)，推測(cè)為雨水積存的原因。

圖5為測(cè)線3～9隨機(jī)選取的第4個(gè)測(cè)點(diǎn)下方的電測(cè)深曲線，垂向變化整體表現(xiàn)為“H”型，測(cè)線下方?jīng)]有出現(xiàn)相對(duì)值特低的低阻區(qū)域，推測(cè)該區(qū)煤層尚未開采。同時(shí)，也能看到，有些測(cè)點(diǎn)的曲線出現(xiàn)雜亂、無(wú)規(guī)律性，因?yàn)楦邏壕€的原因，造成后期數(shù)據(jù)處理誤差偏大，這也是瞬變電磁法在野外施工過程中比較難處理的問題。

圖5 電測(cè)深曲線

3 結(jié)語(yǔ)

瞬變電磁法是一種快速探測(cè)異常體的勘探方法，根據(jù)瞬變電磁法的特點(diǎn)，選擇合理的工作參數(shù)，將其應(yīng)用到地面探測(cè)煤礦采空區(qū)及其賦水情況，經(jīng)濟(jì)、有效，特別是針對(duì)低阻異常體，反應(yīng)十分明顯。對(duì)于瞬變電磁的多解性問題，可以結(jié)合地質(zhì)、水文資料，能夠提高物探資料的可靠性。同時(shí)，人文干擾、工業(yè)頻率影響、時(shí)深轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確性等情況，對(duì)物探資料的解釋造成困難，導(dǎo)致解釋結(jié)果出現(xiàn)偏差。

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The Applied Research on Assignment to Water Bearing Property in Mined-out Area by Ground Transient Electromagnetic Method

CAO Jing，et al.

(SchoolofResourcesandCivilEngineering，SuZhouUniversity，SuzhouAnhui234000，China)

In order to study the response characteristics of ground transient electromagnetic method to detect mined-out area and the feasibility of the detection effect，according to the geophysical characteristics in the measured area and construction requirements，this paper uses TerraTEM transient electromagnetic instrument to detect the scope of mined-out and water bearing property in the mined-out area in Ganlin coal of Shandong coal mine industry.Based on the characteristics of the ground transient electromagnetic method which is quite sensitive to the response of the low resistivity body，and combined with the working parameters selected in the experiment，the location of the mined-out area and the water bearing capacity are identified more accurately.The experiment has proved that the ground transient electromagnetic method can effectively avoid the interference from underground space constraints，surrounding metal stents，and other factors in the construction process.As for the delineation and qualitative interpretation of low resistivity body position，ground transient electromagnetic method can be used as an effective means of detection.

ground transient electromagnetic；mined-out area；water bearing property

2017-04-14

宿州區(qū)域發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心全國(guó)開放課題(2014SZXTKF08) 宿州學(xué)院科研平臺(tái)開放課題資助(2014YKF07) 宿州學(xué)院一般科研項(xiàng)目(2014yyb08)

曹靜(1987-)，女(漢)，山東濟(jì)寧，碩士 主要研究應(yīng)用地球物理。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.024

P631

A

1009-8984(2017)02-0100-04