瞬變電磁法在深部采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

聶西坤

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊(duì)，山東 濰坊 261021）

瞬變電磁法(TEM)是一種檢測(cè)方法對(duì)存在異常結(jié)構(gòu)內(nèi)介質(zhì)電阻測(cè)量電磁誘導(dǎo)定律認(rèn)為，作為時(shí)間函數(shù)中電磁場(chǎng)的變化。近年來(lái)，材料檢測(cè)技術(shù)在采礦工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

我國(guó)幅員遼闊，資源豐富，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜[1]。不同地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造在礦化和成水條件上存在差異。瞬變電磁物探法利用導(dǎo)電的地下巖石，通過對(duì)電阻率變化的研究、可以測(cè)出斷層和頂板破碎強(qiáng)度分布，以及確定含水層地區(qū)的涌水量。

1 瞬變電磁勘探原理

瞬變電磁法勘探的原理是在不同地質(zhì)上勘探不同的地質(zhì)層中跟蹤信號(hào)用于測(cè)量深度的電導(dǎo)率可識(shí)別物理數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)，畫出不同深度，結(jié)合地質(zhì)水文資料，完成地質(zhì)探測(cè)，反應(yīng)真實(shí)的巖層結(jié)構(gòu)組成。采空區(qū)上覆巖層還具有以下特點(diǎn)：①由于重力的作用，巷道底部塌陷，煤層導(dǎo)水系數(shù)發(fā)生變化，使得電磁勘探方法的應(yīng)用成為可能。②上層裂縫的形成原理與塌陷相同，但層間形成較大的裂縫，不利于上層的穩(wěn)定性。圍巖變形：圍巖變形主要是由于自重或表面壓力引起的圍巖的無(wú)損變形。巖石的彎曲規(guī)律是明顯的，不同的地質(zhì)構(gòu)造具有不同的電特性[2]。煤礦采空區(qū)的形成主要有兩個(gè)方面：一是頂板柱的充填，二是帶狀柱的充填。在這種類型的采空區(qū)，體積大的空腔特征比較明顯。采空區(qū)大空間和積水的電性標(biāo)志更容易識(shí)別。

2 瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理與解釋

①計(jì)算機(jī)。TEM方法觀測(cè)到的數(shù)據(jù)是不同測(cè)量點(diǎn)每個(gè)時(shí)間窗口的瞬態(tài)誘導(dǎo)應(yīng)力，應(yīng)轉(zhuǎn)換為相關(guān)參數(shù)，如成視電阻率和視深度，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋。②結(jié)果解釋。合并解釋及地質(zhì)儀器進(jìn)行綜合分析：由于約束技術(shù)狀態(tài)的能力，測(cè)試結(jié)果信息處理部分和原始數(shù)據(jù)是相對(duì)有限的，特別是對(duì)于電磁勘探成果，后者仍在一定程度上逆轉(zhuǎn)。但從地質(zhì)規(guī)律的角度來(lái)看，這些數(shù)據(jù)之間存在一定的相關(guān)性。瞬變電磁在解釋結(jié)果時(shí)，可以使用多種方式總結(jié)、探索和生產(chǎn)過程中分析和處理鉆井勘探和采礦地質(zhì)信息揭露的諸多地質(zhì)資料信息，如數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)和數(shù)學(xué)建模和地質(zhì)成果，結(jié)合電磁數(shù)據(jù)，其地質(zhì)理論影響進(jìn)行綜合分析，并提出關(guān)于制定地質(zhì)模型的地質(zhì)資料，對(duì)瞬變電磁勘探成果開展相對(duì)深入的分析以及對(duì)比，更深入的研究和比較分析的結(jié)果，電磁勘探結(jié)果的地質(zhì)規(guī)律使勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性得到了顯著提高。水平和垂直切面：視電阻率--深度擬斷面圖是基礎(chǔ)，既是橫向和縱向走向更深的電性變化，因此，我們還可以加上地質(zhì)資料，這些資料是基于已知的油井、斷層、含水層及其他特性等。

3 瞬變電磁法特點(diǎn)與局限性

由于瞬變電磁法的第二現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)條件相比，包括以下特點(diǎn)：首先，觀察和研究是重要的因素，純異常場(chǎng)，沒有實(shí)質(zhì)性的干擾；其次，它穿透高強(qiáng)度層的能力相對(duì)較大，優(yōu)于導(dǎo)電法。在同一點(diǎn)使用組合設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)活動(dòng)，得到與檢測(cè)目標(biāo)的最佳耦合，有著相對(duì)較強(qiáng)的異常響應(yīng)，形狀簡(jiǎn)單。周圍高強(qiáng)度巖石的低強(qiáng)度響應(yīng)也很敏感，便于探測(cè)低強(qiáng)度地質(zhì)目標(biāo)。最后，建設(shè)簡(jiǎn)單，工作有效，很少受到地形的限制。

4 瞬變電磁法在深部采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

4.1 采空區(qū)探測(cè)分析

此外，由于礦山地質(zhì)資料相對(duì)稀少，其可靠性逐漸下降，過去的數(shù)據(jù)不再滿足目前礦山安全的需要。為了確保逐步獲得越來(lái)越多的相關(guān)數(shù)據(jù)，這是生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，運(yùn)營(yíng)商決定進(jìn)行表面研究，以確定后方的范圍。新生代地層一般由礫石、沙子和粘土組成，表觀電阻率中等或較高。二疊紀(jì)圍巖以泥漿和礫石為主，圍巖的表觀強(qiáng)度也中等和較低。奧陶系、石炭系和寒武紀(jì)地層以石灰?guī)r為主，其表觀強(qiáng)度也較高。在縱向上，已勘探土地表觀電阻率的真實(shí)特征為：高-低-中-高[3]。在巖層保持完整狀態(tài)的時(shí)候，其電阻率相對(duì)較高，實(shí)際原因是煤礦中的相關(guān)效應(yīng)現(xiàn)象破碎巖石破碎、水或粘土回填、電導(dǎo)率逐漸加強(qiáng)的圍巖巖石電阻率進(jìn)一步降低，電性、低水平逐漸開采煤炭和異常情況，在進(jìn)行煤層采空區(qū)的劃分之時(shí)，可以通過相同層位的低阻異常區(qū)的圈定來(lái)確定。

4.2 瞬變電磁施工方法

瞬變電磁法測(cè)量裝置由發(fā)射回路和接收回路組成。接地測(cè)量裝置有三種常見類型：①根據(jù)發(fā)射線圈和接收線圈的位置，可以區(qū)分重疊線圈和中心線圈。②環(huán)分離裝置，又稱偶極裝置，發(fā)射環(huán)和接收環(huán)位于一定距離內(nèi)，兩個(gè)環(huán)的尺寸可以相同，也可以不同；③緯圈裝置也稱為大型固定源環(huán)裝置。發(fā)射回路由一個(gè)幾百米寬的矩形回路組成。測(cè)量線設(shè)置在電路內(nèi)外，通過小線圈或探頭沿測(cè)量線觀看。異常大地電振幅之間的最佳耦合可以通過簡(jiǎn)單的形式、低副作用和高橫向分辨率來(lái)實(shí)現(xiàn)。工作裝置的選擇必須考慮到勘探的目標(biāo)、建造條件和裝置的特點(diǎn)。

4.3 布線設(shè)置

利用瞬變電磁法進(jìn)行野外數(shù)據(jù)收集和測(cè)量中，需要應(yīng)用相關(guān)儀器及設(shè)備進(jìn)行工作。瞬變電磁法的相關(guān)設(shè)備儀器有很多，如V8網(wǎng)路化多功能電法儀（加拿大鳳凰地球物理公司生產(chǎn)）、MTU衛(wèi)星同步大地電磁儀、VIP大功率激電儀、PEM地井瞬變電磁儀（CRONE公司生產(chǎn)）等等。布線設(shè)置應(yīng)依照地區(qū)的地形地勢(shì)結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行，結(jié)合其探測(cè)具體條件和實(shí)際作業(yè)難度，并且結(jié)合部分研究學(xué)者的建議，選用科學(xué)合理的尺寸進(jìn)行作業(yè)。如在利用瞬變電磁法作業(yè)時(shí)，由于其地勢(shì)較為復(fù)雜，并基于深部觀測(cè)條件，采用了邊長(zhǎng)為800m的回線加以布置，采納不同的回線重疊的計(jì)劃方針，使得其作業(yè)效率很大程度上提高，觀測(cè)深度更加深入，并且成功地避免了對(duì)地勢(shì)和周邊環(huán)境等因素的影響。某礦區(qū)安置了11個(gè)側(cè)線，并規(guī)定其編號(hào)是1～11，全部側(cè)線和探測(cè)剖面線保證水平放置，且其16剖面線和瞬變電磁法的6側(cè)線疊置在一起。據(jù)了解，當(dāng)時(shí)不同側(cè)線之間的距離為100m左右，點(diǎn)距離為19m左右[4]。礦區(qū)一共設(shè)置了4個(gè)回線框，且能夠?qū)⑷縍礦區(qū)整體籠罩，兩個(gè)線框之間保證疊置，且疊置區(qū)域利用測(cè)點(diǎn)加以勘探，很大程度上提高了數(shù)據(jù)計(jì)算和測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。最后礦區(qū)利用瞬變電磁法得到視電阻率截面圖。

4.4 瞬變電磁物探技術(shù)的場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比法

瞬態(tài)電磁場(chǎng)的地球物理勘探數(shù)據(jù)采用場(chǎng)強(qiáng)比較法進(jìn)行解釋，即實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)(H)與理論場(chǎng)強(qiáng)(H0)的比較。這種差異稱為衰減系數(shù)η，η=H-H0(dB)。定性地說(shuō)，在一個(gè)理論上各向同性和無(wú)限均勻的介質(zhì)中，測(cè)量的場(chǎng)強(qiáng)的值必須等于場(chǎng)強(qiáng)η=0的理論值。當(dāng)實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)度小于理論場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，工作面地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在差異，ηn<0。從定量的角度來(lái)看，可以根據(jù)衰減系數(shù)的大小和曲線的形狀來(lái)分析地質(zhì)構(gòu)造的異常，從而得到相對(duì)正確的地質(zhì)解釋。在瞬態(tài)電磁勘探中，瞬變電磁物探法共圈定6處低阻異常區(qū)，表觀電阻率設(shè)置為80Ω·m。頂板破碎含水層分析。在工作面異常區(qū)，水流增加，最大流量約為70m3/h。該異常區(qū)還位于斷層密度高的區(qū)域，共6條斷層。

4.5 地球物理探測(cè)

不同層次的不同，測(cè)量電阻率法勘探地下不同深度的電阻率差異來(lái)達(dá)到研究的目標(biāo)，理論上有巖石和煤層電阻率干燥的空氣，但實(shí)際上總是包含孔隙水和巖石裂隙隨水飽和濕度或巖石電阻率將大大減少。當(dāng)?shù)貙油暾麜r(shí)，地層周圍巖石含水率低，電阻率高。在各種地質(zhì)作用作用下開裂或溶解時(shí)，含水率顯著增加，巖石導(dǎo)電性顯著增加，電阻率顯著降低。一般來(lái)說(shuō)，斷層和含水地層的電阻率遠(yuǎn)低于附近非含水地層的電阻率，為電勘探評(píng)價(jià)斷層和含水地層含水率提供了物理基礎(chǔ)。換言之，尋找煤層頂?shù)装甯凰畢^(qū)和斷層含水性的問題就轉(zhuǎn)換為尋找含煤巖層中低阻異常分布的問題[5]。瞬變電磁數(shù)據(jù)采集使用V8多功能電法儀。在施工開始前，對(duì)所投入的V8儀器進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)試儀器的優(yōu)良，檢查是否滿足野外生產(chǎn)。通過已知地質(zhì)資料，在勘探線附近進(jìn)行試驗(yàn)。通過在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行瞬變電磁勘探的初步試驗(yàn)，確定比較合適的施工參數(shù)如下：采用大定源回線裝置，發(fā)射框?yàn)?00m×300m，頻率25Hz，增益4，積分時(shí)間為120s～180s。高精度磁法數(shù)據(jù)采集使用GSM-19T型質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀。瞬變電磁和磁法勘探線重合，與原勘探線平行，走向近東西向，測(cè)網(wǎng)密度為20m×20m。

5 結(jié)語(yǔ)

瞬變電磁法是地球物理勘探中最有效的電磁方法之一?；镜墓ぷ鞣椒ㄈ缦拢簲嚯姾?，由于熱損失，感應(yīng)電流隨著時(shí)間的推移而減小。衰變過程通常分為初始、中期和最終階段。第一個(gè)電磁場(chǎng)在頻域中相當(dāng)于高頻分量，衰減快，表面深度小。另一方面，在頻率范圍內(nèi)，延遲分量對(duì)應(yīng)于低頻分量，衰減緩慢，繞組深度大。不同深度的地球電特性可以通過測(cè)量在斷電后的每個(gè)時(shí)間段內(nèi)二次場(chǎng)隨時(shí)間變化的規(guī)律性來(lái)獲得。結(jié)果表明，瞬變電磁法能準(zhǔn)確檢測(cè)后方區(qū)域，準(zhǔn)確定位異常位置，是一種有效、簡(jiǎn)便的方法。同時(shí)，通過對(duì)采煤機(jī)鉆孔數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，驗(yàn)證了該方法的可行性。預(yù)計(jì)該技術(shù)的不斷改進(jìn)將在預(yù)防和地質(zhì)保護(hù)煤礦水損害方面取得更好的效果。