采空區(qū)地質(zhì)勘查中瞬變電磁法的應(yīng)用分析

劉攀飛，李 庚，劉 梁

（江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局九0二地質(zhì)大隊(duì)，江西 新余 338000）

作為引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的重要因素之一，煤礦采空區(qū)會(huì)對(duì)煤礦的安全造成非常嚴(yán)重的潛在性隱患，而且嚴(yán)重影響著本地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及社會(huì)穩(wěn)定。基于此，開(kāi)展采空區(qū)探測(cè)的相關(guān)工作也逐漸發(fā)展成為了地質(zhì)勘探中十分重要的一個(gè)任務(wù)。瞬變電磁法作為探測(cè)采空區(qū)探測(cè)的最佳方式之一，有必要對(duì)其進(jìn)行深入的研究與分析。

1 瞬變電磁法概述

1.1 瞬變電磁勘探原理

所謂瞬變電磁法，它也屬于一種時(shí)間域電磁感應(yīng)法，其向地下發(fā)送一次脈沖場(chǎng)主要是通過(guò)不接地回線，或者是接地回線源來(lái)逐步實(shí)現(xiàn)的，其有關(guān)感應(yīng)以及接受等等環(huán)節(jié)是通過(guò)一次脈沖場(chǎng)間歇期間發(fā)揮回線或者是電偶極的效用來(lái)完成的。這個(gè)二次場(chǎng)主要是由于地下良導(dǎo)地質(zhì)體受到電磁感應(yīng)所引起的渦流減少的一種非穩(wěn)電磁場(chǎng)。通過(guò)觀察到的二次場(chǎng)，對(duì)實(shí)際的衰減特征與處理之處的各種相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入與客觀的分析，以此也可以有效的判斷出地下地質(zhì)體的電性特征、賦存的位置以及形態(tài)等等。

在完成地層煤層的開(kāi)采之后，地下的巖層會(huì)逐漸形成一定的空間，并且開(kāi)采區(qū)的頂板也會(huì)隨之在覆巖體的重力效用之下，巖層也出現(xiàn)了數(shù)量較多的裂隙以及空隙等問(wèn)題，這樣會(huì)導(dǎo)致其實(shí)際的導(dǎo)電性嚴(yán)重的變差，巖石的電阻率也會(huì)隨之不斷地增加，由此表現(xiàn)出了一種十分顯著的高度特征。在采空區(qū)的空隙與裂隙逐漸被泥質(zhì)或者水填充完之后，那么此處的電阻率也會(huì)隨之不斷變小，具體主要表現(xiàn)為一定的低阻的相關(guān)特征。采空區(qū)之內(nèi)的視電阻率在與其他區(qū)域的視電阻率相比之后可以發(fā)現(xiàn)，兩者之間的差異顯著，這為瞬變電磁在采空區(qū)勘探中提供了良好的地球物理?xiàng)l件，此種特有的電性的異常反映可以逐漸作為劃分采空區(qū)的一個(gè)非常的重要的依據(jù)條件[1]。

1.2 瞬變電磁法發(fā)展研究現(xiàn)狀

瞬變電磁法主要指的是伴隨著時(shí)域方法而出現(xiàn)的，發(fā)展在后但是發(fā)展十分迅速的電法勘探分支方式。在上個(gè)世紀(jì)的30年代左右，瞬變電磁信號(hào)被首次使用到了地質(zhì)勘探的相關(guān)活動(dòng)中去，當(dāng)時(shí)所主要使用的是遠(yuǎn)區(qū)的工作模式。

（1）國(guó)外。在前蘇聯(lián)時(shí)期的1937年左右的時(shí)間段內(nèi)，就已經(jīng)有人提出了瞬變電磁測(cè)探法。在上世紀(jì)的五十年代之前，前蘇聯(lián)就已經(jīng)建立了瞬變電磁法理論與野外施工的方法技術(shù)，并且也在60年代就已經(jīng)成功的發(fā)現(xiàn)了奧倫堡地軸之上的大油田。前蘇聯(lián)在瞬變電磁法理論研究這一方面始終都是走在世界前列的，并且還有學(xué)者在50至60年代的時(shí)間段內(nèi)成功的完成了瞬變電磁法的一維正反演的相關(guān)工作。在那之后，瞬變電磁法作為一種相對(duì)全新的電法勘探方式，并且也進(jìn)入到了具體的使用階段。在進(jìn)入到60年代之后，各種短偏移、晚期以及磁源等瞬變電磁法也開(kāi)始迅速的發(fā)展了起來(lái)。

另外，在20世紀(jì)的70至80年代之間，眾多的西方國(guó)家都在長(zhǎng)偏移法瞬變電磁理論這一方面做出了數(shù)量相對(duì)較多的研究，同時(shí)也十分順利與成功的將其應(yīng)用到了有關(guān)地?zé)岬恼{(diào)查以及地殼結(jié)構(gòu)的相關(guān)調(diào)查中去。但是短偏移法瞬變電磁都處于一種試驗(yàn)與研究的時(shí)期階段，并沒(méi)有獲得廣泛與普遍推廣。

（2）國(guó)內(nèi)。我國(guó)從上世紀(jì)的70年代左右開(kāi)始深入的研究瞬變電磁法勘探，我國(guó)的許多單位也都先后的開(kāi)展了關(guān)于瞬變電磁法的理論以及方法技術(shù)研究，發(fā)揮的是近區(qū)中心回線法與重迭回線法的作用，還有遠(yuǎn)區(qū)的磁源法以及大回線源法等，這些都獲得了十分巨大的研究成效。從上世紀(jì)的90年代直到今天，我國(guó)的瞬變電磁法勘探也逐漸的進(jìn)入到了具體的實(shí)用階段。與此同時(shí)，我國(guó)的諸多的知名探學(xué)者同樣也是在理論方面獲得相對(duì)重大的進(jìn)展，像是方文藻、牛之鏈等，并且我國(guó)也逐漸生產(chǎn)出了一些功率相對(duì)比較小的儀器，主要以原地礦部物化研究所所研制的WD-C2型瞬變電磁儀作為主要的代表。

由上述總結(jié)可知，瞬變電磁法勘探的實(shí)際發(fā)展歷程如下：20世紀(jì)的50年代左右是瞬變電磁法理論的初生與萌芽階段，20實(shí)際的60年代諸多的研究人員對(duì)比較初步的簡(jiǎn)單的瞬變電磁響應(yīng)獲得了基本的認(rèn)知。進(jìn)入到20世紀(jì)的70年代之后，數(shù)值模擬促使諸多的相對(duì)比較復(fù)雜的算法都已經(jīng)在計(jì)算機(jī)上獲得實(shí)現(xiàn)，繼而逐步推動(dòng)了瞬變電磁法的持續(xù)發(fā)展。把瞬變電磁法應(yīng)用于實(shí)踐，需要充分依照具體實(shí)際的相關(guān)地質(zhì)問(wèn)題，深入地引入正問(wèn)題以及反問(wèn)題，基于瞬變電磁法勘探的相關(guān)理論來(lái)開(kāi)展更加深入的相關(guān)研究。

1.3 瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理與解釋

（1）數(shù)據(jù)處理。瞬變電磁法觀測(cè)的數(shù)據(jù)是記錄不同測(cè)點(diǎn)的各個(gè)時(shí)窗的瞬變感應(yīng)電壓，因此需要換算成視電阻率、視深度等相關(guān)的參數(shù)，方便對(duì)資料來(lái)進(jìn)行解釋。

（2）成果解釋。①電性解釋與綜合地質(zhì)分析相結(jié)合：由于受到技術(shù)水平與手段的限制，其實(shí)際獲得的原始信息以及經(jīng)過(guò)處理探測(cè)成果數(shù)據(jù)資料都存在著相對(duì)顯著的局限性與片面性，尤其是電磁法勘探成果還存在著一定的多解性。但是從地質(zhì)規(guī)律的角度來(lái)說(shuō)，此類資料都存在著一定的關(guān)聯(lián)。在瞬變電磁成果解釋時(shí)，可以使用多種方式來(lái)總結(jié)、集成分析與處理煤礦勘探以及生產(chǎn)過(guò)程中所獲得鉆探、巷探以及采掘揭露的諸多地質(zhì)資料信息，像是數(shù)理統(tǒng)計(jì)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)以及數(shù)學(xué)模擬等方式，結(jié)合電磁法數(shù)據(jù)成果，發(fā)揮地質(zhì)理論效用開(kāi)展綜合地質(zhì)分析，并且從其中提出一定的地質(zhì)信息，利用相對(duì)特定的數(shù)學(xué)地質(zhì)模型，將勘探區(qū)范圍之內(nèi)的構(gòu)造發(fā)育以及煤層厚度變化的地質(zhì)規(guī)律充分總結(jié)與研究起來(lái)，對(duì)瞬變電磁勘探成果開(kāi)展相對(duì)深入的分析以及對(duì)比，實(shí)現(xiàn)資料解釋的逐步細(xì)化以及深化，總結(jié)地質(zhì)規(guī)律的電磁勘探的相關(guān)結(jié)果，促使相關(guān)成果的精度以及可靠性獲得顯著提升。②結(jié)合水平切面與垂直切面：視電阻率--深度擬斷面圖是基礎(chǔ)，主要從橫、縱兩個(gè)方向?qū)Φ貙拥碾娦宰兓卣鬟M(jìn)行更深層次的反映，同時(shí)給予層位劃分、層位追蹤以及深度確定等等方面的諸多信息，要是將已知鉆孔、斷層、煤層以及其他的特征層的地質(zhì)信息附加上去，也就是可以構(gòu)成綜合擬斷面圖。

1.4 瞬變電磁法特點(diǎn)與局限性

由于瞬變電磁法是在沒(méi)有一次背景狀況下進(jìn)行二次場(chǎng)的觀測(cè)，與其他的電法勘探方法相比可以發(fā)現(xiàn)，其中存在著如下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：首先，這一方法觀測(cè)以及研究的重點(diǎn)內(nèi)容就是二次場(chǎng)，也就是純異常場(chǎng)，并不會(huì)存在一次場(chǎng)的相關(guān)背景干擾，和常規(guī)電法之間存在差異，能促使異常簡(jiǎn)化；其次，有著相對(duì)較顯著的穿透高阻覆蓋層的能力，優(yōu)于傳導(dǎo)類電法探測(cè)；再其次，用同點(diǎn)組合裝置的效用開(kāi)展觀測(cè)活動(dòng)，繼而與探測(cè)目標(biāo)獲得最佳耦合，有著相對(duì)較強(qiáng)的異常響應(yīng)，并且形態(tài)非常簡(jiǎn)單，對(duì)于高阻圍巖中的低阻反映也相對(duì)比較敏感，有助于低阻地質(zhì)目標(biāo)體的探測(cè)。最后，施工簡(jiǎn)單，工作效率高，很少會(huì)受到地形的限制。

2 瞬變電磁法在采空地質(zhì)勘查的實(shí)際應(yīng)用分析

本文主要以河南禹州的某煤礦為例，對(duì)這一采空地質(zhì)勘查中瞬變電磁法的應(yīng)用進(jìn)行研究與分析。

（1）采空區(qū)探測(cè)分析。這一煤礦是由多個(gè)小煤礦所共同組成的，并且花費(fèi)的開(kāi)采的時(shí)間周期與跨度也相對(duì)比較大，另外，此煤礦的地質(zhì)資料也是較為稀缺的，因此其可靠性也隨之逐步降低，過(guò)去的那些資料早就已經(jīng)不再滿足當(dāng)前煤礦安全生產(chǎn)的實(shí)際需求了。要保證可以逐步獲得更多更為豐富的相關(guān)資料，并且將其作為生產(chǎn)的一種十分重要的依據(jù)條件，礦方?jīng)Q定開(kāi)展有關(guān)地面瞬變電磁勘探工作，以查明采空區(qū)范圍。

通過(guò)專門的資料調(diào)查研究客可以發(fā)現(xiàn)，勘探區(qū)內(nèi)地層主要是由老到新依次是寒武系上統(tǒng)鳳山組、奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、石炭系上統(tǒng)本溪組以及太原組、二疊系下統(tǒng)山西組與下統(tǒng)下石盒子組、二疊系上統(tǒng)上石盒子組、新生界第四系。普通情況下，新生界中存在的地層都是由礫石、砂以及粘土等共同構(gòu)成的，地層視電阻率也是中高阻；二疊系地層多是以泥巖以及礫石為主，地層視電阻也是中低阻；而奧陶系、石炭系以及寒武系地層則是以灰?guī)r為主要的組成部分，并且其地層視電阻也是一種高阻。在縱向上勘探區(qū)地層視電阻率的實(shí)際特征呈現(xiàn)主要表現(xiàn)為：高-----低---中---高。在巖層保持完整狀態(tài)的時(shí)候，其實(shí)際電阻率會(huì)相對(duì)較高，由于受到了煤礦開(kāi)采的相關(guān)影響，巖層出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，破碎巖層經(jīng)過(guò)泥質(zhì)或者水充填后，有關(guān)巖石的具體的導(dǎo)電性會(huì)隨之逐步增強(qiáng)，地層中的電阻率也隨之進(jìn)一步的降低，在有關(guān)電性特征上，會(huì)逐漸形成有關(guān)橫向上的低阻異常狀況，在進(jìn)行煤層采空區(qū)的劃分之時(shí)，可以通過(guò)相同層位的低阻異常區(qū)的圈定來(lái)確定。

（2）探測(cè)方式。本次探測(cè)施工所使用的儀器主要是PROTEM67D瞬變電磁勘探系統(tǒng)，而工作裝置使用到的則是大定源裝置，其主要是在回線內(nèi)進(jìn)行接收的，并且發(fā)射線框利用的也是400m×400m矩形回線，接受線圈的有效面積是200m2，測(cè)量道數(shù)30門，頻率是25Hz，發(fā)射電流16A，積分時(shí)間30s，增益設(shè)置為23～24，有關(guān)勘探區(qū)域之內(nèi)的測(cè)點(diǎn)需要盡可能的保證對(duì)其進(jìn)行均勻的布置，其中，保證測(cè)點(diǎn)間距20m，測(cè)線間距40m。首先發(fā)揮TEMIXXLv4軟件的作用，對(duì)于那些采集而的原始數(shù)據(jù)，可以對(duì)其進(jìn)行合理的編輯與一維層狀的反演，并且通過(guò)這種方式來(lái)逐漸收獲視電阻率以及深度的曲線，在此之后，再注意將各條測(cè)線的視電阻率斷面逐漸繪制出來(lái)，在這以后，需要對(duì)各條測(cè)線的視電阻率斷面開(kāi)展相對(duì)深度的分析與探究，標(biāo)出其中存在的異常區(qū)域，同樣需要深入的分析以及對(duì)比它和地質(zhì)資料成果之間的差異，繼而逐漸確定采空區(qū)的具體的分布范圍。

（3）探測(cè)結(jié)果。圖1與圖2分別是1240線與2360線的視電阻率斷面，并且在圖表中，黑色的直線所表示的二號(hào)煤層，黑色的虛線所表示的則是二號(hào)煤層采空區(qū)。單從視電阻率斷面圖看來(lái)，位于淺部的視電阻率主要表現(xiàn)的是中高阻，推斷是新生界地層的有關(guān)電性的相關(guān)反映，中上部的視電阻率從整體的表現(xiàn)來(lái)看是相對(duì)比較低的，并且也是煤系新生界地層的有關(guān)電性的反映，下部視電阻率主要表現(xiàn)的是高阻，同時(shí)代表的也是灰?guī)r地層的電性反映。圖1與圖2中都有一個(gè)低阻的凹陷區(qū)，視電阻率也相對(duì)較低，推測(cè)圖1異常區(qū)是二號(hào)煤采動(dòng)之后所逐漸形成的采空區(qū)的實(shí)際反映。圖2中的280～460測(cè)點(diǎn)之間，在二號(hào)煤層附近逐漸形成了低阻封閉區(qū)域，其視電阻率值與周邊相比要相對(duì)較低，推測(cè)該異?？赡苁嵌?hào)煤采空積水區(qū)的實(shí)際反映。

圖1 1240線視電阻率斷面

圖2 2360線視電阻率斷面

二號(hào)煤層視電阻率順層切片如圖3所示，如圖中黑色橢圓所示，圖中大約有6個(gè)影響范圍相對(duì)比較大的低阻異常區(qū)，通過(guò)推測(cè)可以得知，它也是采空的一種相關(guān)的反映，這一狀況與礦方具體調(diào)查的采空區(qū)位置大部分吻合。另外，依照低阻異常區(qū)的視電阻率，可以合理的推測(cè)1、2、3、4、5號(hào)低阻異常區(qū)之內(nèi)是存著相對(duì)較多的積水的。經(jīng)過(guò)本次勘察活動(dòng)可知，二號(hào)煤層采空區(qū)6處，同時(shí)也客觀的圈定了其實(shí)際的位置以及整體范圍，繼而達(dá)到勘探的最終目的。

圖3 二號(hào)煤層視電阻率順層切片

3 結(jié)語(yǔ)

采空區(qū)是礦井生產(chǎn)過(guò)程中的必然產(chǎn)物，逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)其分布特征以及賦存狀況的深入探究與分析，可以有效的幫助實(shí)現(xiàn)采空區(qū)后續(xù)的相關(guān)治理。對(duì)于礦井管理人員來(lái)說(shuō)，需要在探測(cè)過(guò)程中應(yīng)較積極地引入現(xiàn)代化的探測(cè)手段，在盡可能保證工作效率的同時(shí)，不斷提升探測(cè)的實(shí)際精準(zhǔn)度，從根本上為礦井安全生產(chǎn)給予重要的推力。