瞬變電磁法在采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

熊劍飛，胡建強(qiáng)，劉忠喜

(上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司華南分公司，廣東 佛山 528000)

0 引言

采空區(qū)是由人工挖掘或地表下的自然地質(zhì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的空隙區(qū)域。采空區(qū)的出現(xiàn)，會(huì)對(duì)采礦作業(yè)構(gòu)成很大的安全隱患[1-3]。因此，整個(gè)礦區(qū)對(duì)采空區(qū)的探測(cè)極其重視，采空區(qū)的管理也在全面加強(qiáng)。在采空區(qū)出現(xiàn)危險(xiǎn)之前，先通過具有非破壞性檢測(cè)特征的地球物理方法進(jìn)行檢測(cè)，然后進(jìn)行有根據(jù)的預(yù)防和控制，可以達(dá)到消除安全隱患的目的[4-7]。因此，使用地球物理方法來檢測(cè)和描述采空區(qū)的范圍和深度對(duì)于礦井安全非常重要。

1 瞬變電磁法的原理和優(yōu)點(diǎn)

1.1 瞬變電磁法的原理

瞬變電磁法(也稱為瞬態(tài)電磁法)，作為一種電磁檢測(cè)技術(shù)，具有無損高鑒別率的優(yōu)點(diǎn)，不同于普通的探地雷達(dá)。檢測(cè)到的視電阻率可用于映射瞬態(tài)電磁，并提供埋藏地下的物體的相關(guān)信息。

瞬變電磁法在實(shí)際工作中由發(fā)射回線、接收回線兩部分組成，而工作過程又分為3個(gè)部分：發(fā)射、電磁感應(yīng)、接收。根據(jù)電磁感應(yīng)理論，階躍電流通過發(fā)射返回線，當(dāng)磁場(chǎng)在傳導(dǎo)期間遇到良好的導(dǎo)電地質(zhì)體時(shí)，在內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流或二次電流)，電流隨時(shí)間變化并產(chǎn)生新的磁場(chǎng)，也稱為次級(jí)磁場(chǎng)。感應(yīng)電流在導(dǎo)電良好的地質(zhì)體中產(chǎn)生熱量，次級(jí)磁場(chǎng)隨時(shí)間呈指數(shù)衰減，形成瞬變磁場(chǎng)。次級(jí)磁場(chǎng)的源頭主要是導(dǎo)電地質(zhì)體的渦流，能反映地質(zhì)信息。

通過觀測(cè)次級(jí)磁場(chǎng)“煙圈”圖像可說明瞬變電磁法的檢測(cè)原理：二次感應(yīng)渦流產(chǎn)生表面接收的二次電流，渦流以等效電流環(huán)的形式向下擴(kuò)散，如“煙圈”。隨時(shí)間的推移，“煙圈”的擴(kuò)散和分布受地下介質(zhì)的影響。已知早期瞬變電磁場(chǎng)由近表面產(chǎn)生，從而反射淺電分布，深感應(yīng)電流則產(chǎn)生晚期瞬變電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)也能反映出地下深處電性對(duì)應(yīng)的分布。因此，觀測(cè)和研究大地瞬變電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，即可研究地球電垂直方向的變化，如圖1所示。

圖1 瞬態(tài)電磁工作原理示意圖

1.2 瞬變電磁探測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)

觀察發(fā)射電流脈沖暫停期間的間歇電磁場(chǎng)響應(yīng)，由地下介質(zhì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨時(shí)間變化。在場(chǎng)源中沒有干擾，這是電磁法的時(shí)間可分離性。通過專家提出的諧波探測(cè)研究法，得出結(jié)論，各種低頻和高頻諧波疊加產(chǎn)生相位跳躍脈沖。產(chǎn)生的原始場(chǎng)是寬帶電磁波，其瞬變電磁響應(yīng)不同于延遲觀測(cè)頻率。這將導(dǎo)致在地質(zhì)層中產(chǎn)生的場(chǎng)擁有相異的傳播速率，并且探測(cè)深度也不一樣，即瞬變電磁法在空間中的可分離性。瞬變電磁學(xué)的特征在于兩個(gè)可分離性，通過手動(dòng)源方法的低干擾和穿透高電阻層的能力。

2 研究背景、設(shè)備和數(shù)據(jù)采集

2.1 工程背景

特拉布拉煤礦以前為井工開采，很多采空區(qū)位置不夠明確。采空區(qū)的位置直接造成礦井工作面的布置和煤炭皮帶運(yùn)輸?shù)确矫娴膯栴}，同時(shí)對(duì)作業(yè)人員形成了安全隱患。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)合礦山提供的疑似采空區(qū)，考慮到人員分布，采礦辦公室到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)的距離等因素，選取礦區(qū)的偏遠(yuǎn)地區(qū)是最終的調(diào)查實(shí)驗(yàn)區(qū)，圖2為實(shí)驗(yàn)區(qū)域選定圖。選擇重疊環(huán)路設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，所用的瞬變電磁發(fā)射器類型為ATEM-10 kW，接收機(jī)采用的型號(hào)是ATEM-Ⅲ型。

圖2 實(shí)驗(yàn)區(qū)域選定圖

2.2 進(jìn)行采集數(shù)據(jù)

針對(duì)本次探測(cè)研究，選擇重疊回線用于地形特征，地電條件和實(shí)驗(yàn)區(qū)域中的工人數(shù)量。鋪設(shè)試驗(yàn)網(wǎng)時(shí)，盡可能沿垂直層和主要結(jié)構(gòu)方向走線；一般而言，發(fā)射幀較大，人體噪聲和浮動(dòng)電流等干擾區(qū)域也較大，但發(fā)射幀較小，無法達(dá)到跟蹤目標(biāo)層和埋藏深度的探索任務(wù)。因此，設(shè)置接收線圈凈長度為50 m×50 m，線間距為44 m，點(diǎn)間距為20 m，接收線圈的總面積為2 500 m2。

工作時(shí)，確保連接外部電源、發(fā)射線圈、接收線圈、發(fā)射器和接收器同步用線以及外部匹配電阻。打開發(fā)射器后，在作業(yè)模式下輸入“1”，然后按向下箭頭鍵將光標(biāo)移動(dòng)到設(shè)定的作業(yè)頻率位置。輸入“5”，表示工作頻率選5，為12.5 Hz。傳輸頻率的選擇見表1，檢測(cè)深度越深，相應(yīng)的選擇頻率越大。

表1 發(fā)射頻率對(duì)照表

設(shè)置接收器參數(shù)后，使用主界面上的向左和向右箭頭鍵將盒子光標(biāo)移動(dòng)到“獲取”位置，然后發(fā)射器按下“發(fā)射”按鈕，再按“確定”，進(jìn)入采集畫面。圖3為采集結(jié)束界面。

圖3 采集結(jié)束界面

3 數(shù)據(jù)的處理和分析

3.1 建立對(duì)應(yīng)的信號(hào)及文件

設(shè)置發(fā)射器參數(shù)后，開啟接收器。根據(jù)瞬變電磁機(jī)的工作電流和關(guān)閉時(shí)刻記載的相對(duì)恒定的工作電流，關(guān)閉時(shí)間和儀器位置的高程值并確定與信號(hào)對(duì)應(yīng)的Itr行號(hào)，見表2。

表2 瞬變電磁機(jī)接收到的數(shù)據(jù)

3.2 Grapher 4.0軟件確定信號(hào)衰減

運(yùn)行Grapher 4.0軟件，選擇桌面上端主工具箱中的“圖形”命令，然后在下拉工具箱中點(diǎn)擊“行或符號(hào)”選項(xiàng)。打開“打開數(shù)據(jù)”界面，打開需要在此界面下查看的數(shù)據(jù)。默認(rèn)情況下，打開的數(shù)據(jù)生成的圖形是算術(shù)坐標(biāo)，如圖4所示。

圖4 Grapher 4.0軟件的基礎(chǔ)界面

利用該軟件對(duì)所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到信號(hào)的衰減情況，如圖5所示。

3.3 利用瞬變電磁測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算視電阻率

該系統(tǒng)運(yùn)用了C ++編寫，具有良好的交互功能和完整的計(jì)算功能。在計(jì)算視電阻率和表觀深度時(shí)，可以看到計(jì)算結(jié)果，打開系統(tǒng)，設(shè)置參數(shù)后，電壓將被繪制到結(jié)果中。本次計(jì)算ATEM電壓的電阻率為2，這是基于Nabilian煙霧圈的視電阻率和平面瞬態(tài)電磁波層模型方法的表觀深度。

3.4 Surfer 8繪制視電阻率斷面圖

Surfer 8是美國黃金軟件公司制作一款三維處理(輪廓、圖像映射、三維曲面)軟件，Surfer軟件可以簡單創(chuàng)建基本地圖、數(shù)據(jù)點(diǎn)位圖、歸類數(shù)據(jù)等地圖。增強(qiáng)了文件的交流和數(shù)據(jù)的交換；使用了新版本的腳本編輯引擎，可以大大增強(qiáng)自動(dòng)化功能。

進(jìn)入Surfer 8界面后，運(yùn)行由TEM-Ⅲ瞬變電磁測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算的視電阻率文件(.dat格式)。之后，Surfer 8會(huì)自動(dòng)生成具有相同文件名(.grd格式)。使用Surfer 8打開文件并獲得視電阻率等值線圖，如圖6所示。

3.5 Voxler繪制三維地下采空區(qū)示意圖

作為專業(yè)的3D可視化3D數(shù)據(jù)軟件，Voxler提供了一種可視化3D數(shù)據(jù)的新方法。它可以顯示streamline、vector graphic,Contour map、Isosurface、Cut plot、Three dimensional scatter plot、Direct volume rendering等。計(jì)算模型包括3D mesh generation、Resampling、image processing等。

a-11；b-12;c-13;d-14圖5 信號(hào)衰變點(diǎn)示意圖

圖6 視電阻率等值線剖面圖

由于檢測(cè)到電阻率等值線圖僅反映了高程坐標(biāo)和每個(gè)點(diǎn)移動(dòng)方向的相對(duì)距離，在文中，高程坐標(biāo)是Z值，點(diǎn)移動(dòng)方向上的距離是Y值，相對(duì)X坐標(biāo)是由44 m的行間距建立的。進(jìn)而將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Voxler軟件中，結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 三維采空區(qū)環(huán)境示意圖

圖8 極限模擬位置的選定

3.6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的解譯

調(diào)查工作的地球物理特性是電氣特性。煤層變?yōu)椴煽諈^(qū)后，導(dǎo)致煤層的原始應(yīng)力均衡狀態(tài)被破壞，采空區(qū)及其上部的巖土地層的物理力學(xué)特性發(fā)生了明顯的變化，當(dāng)采空區(qū)沒有充水時(shí)，由于其中空的原因，它的電阻率明顯會(huì)比正常的巖土體高很多，因此上文中電阻率值較高的區(qū)域是采空區(qū)，與礦山提供的采空區(qū)高度、地面高度大致相同。

4 結(jié)語

在現(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，通過對(duì)特拉布拉煤礦的采空區(qū)探測(cè)研究，對(duì)疑似采空區(qū)域分析和實(shí)驗(yàn)探測(cè)時(shí)使用瞬變電磁探測(cè)技術(shù)，并使用重疊回線繪制該區(qū)域探測(cè)活動(dòng)。對(duì)得到的視電阻率斷面等值線進(jìn)行分析，經(jīng)驗(yàn)證，所得的采空區(qū)深度、所在位置及采空區(qū)地層厚度與該煤礦的地質(zhì)特點(diǎn)情況基本相符。