瞬變電磁法在礦山采空區(qū)勘探中的應(yīng)用

馬 強(qiáng)

（甘肅煤田地質(zhì)局一四六隊(duì)，甘肅 平?jīng)?744000）

能源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要?jiǎng)恿Γ瑥?qiáng)化對(duì)多種能源的勘察和開發(fā)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然需求。強(qiáng)化對(duì)礦山采空區(qū)勘查和開發(fā)，提升效率勢(shì)在必行。由于礦山采空區(qū)地形較為復(fù)雜，危險(xiǎn)性因素較多，如果盲目的開采，容易對(duì)其引起嚴(yán)重的安全事故。因此，需要利用現(xiàn)代化的勘測(cè)技術(shù)，京珠能檢測(cè)采空區(qū)的具體定位，并掌握其規(guī)模大小、賦存物質(zhì)等，從而保障礦山開采的針對(duì)性和有效性，降低礦難發(fā)生幾率。瞬變電磁法在礦山采空區(qū)勘探作業(yè)中，主要是利用大定源回線裝置進(jìn)行一次性布線，并可以在此基礎(chǔ)上開展一次以上的測(cè)量作業(yè)，從而有效彌補(bǔ)礦山地形缺陷。此外，應(yīng)用瞬變電磁法進(jìn)行勘探，可以利用精密化的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，降低外來因素的干擾，進(jìn)一步強(qiáng)化了其去噪作用，確保了勘探作業(yè)的精確度，提升了礦山采空區(qū)勘探作業(yè)的參考價(jià)值。其中，高密度電法具有較強(qiáng)的抗干擾能力，并且可以對(duì)來自地面以及地下多個(gè)方位的干擾進(jìn)行全面控制，進(jìn)一步提升其勘探結(jié)果的驗(yàn)證效果。

1 應(yīng)用方法原理分析

1.1 采空區(qū)地球物理特征

在礦山采空區(qū)的勘探作業(yè)中，其具體巖層不同，會(huì)表現(xiàn)出差異性的電性特征。當(dāng)?shù)叵碌V層被開采之后，該區(qū)域呈現(xiàn)相應(yīng)規(guī)模的空間，因?yàn)槭艿街亓?、地質(zhì)變遷等各種因素的影響，導(dǎo)致其頂部覆巖體受到相應(yīng)的破壞，其具體位置也發(fā)生的一些偏移，并在移動(dòng)過程中巖體出現(xiàn)很多裂縫以及縫隙，這種現(xiàn)象直接導(dǎo)致該區(qū)域巖體視電阻率提升；而其周圍的巖體移動(dòng)情況較小，產(chǎn)生的巖體裂縫就相對(duì)較少，其視電阻率也比較小。

礦山采空區(qū)擱置時(shí)間越久，其縫隙就會(huì)被其他物質(zhì)填滿，從而降低了其電阻阻力；而新開采的礦山采空區(qū)，電阻率就相對(duì)較高。勘探人員可以結(jié)合電阻率等值線圖上電阻率的變化特征，來具體分析礦山采空區(qū)周圍巖體電性特征，從而掌握更加詳細(xì)的采空區(qū)相關(guān)資料，對(duì)采空區(qū)具有更加具象化的認(rèn)知，幫助提升實(shí)際勘察方法的制定以及采空區(qū)治理方法的確定提供客觀性的數(shù)據(jù)依據(jù)。此外還要注重分析礦山采空區(qū)是否存在充水現(xiàn)象，并掌握基本的充水特征，以便在實(shí)際的勘探作業(yè)中進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，從而結(jié)合實(shí)際情況，選擇最佳的勘探方法，提升勘探作業(yè)的針對(duì)性和有效性，更加精準(zhǔn)的判斷礦山采空區(qū)位置和便捷范圍。

1.2 瞬變電磁法應(yīng)用原理

瞬變電磁法也是一種時(shí)間域電磁法，主要是通過對(duì)地質(zhì)體電阻率的差異性分析進(jìn)行具體作業(yè)。利用不接地回線或者是接地長(zhǎng)導(dǎo)線提供雙極性脈沖電流，如果回線中的穩(wěn)定電流突然停止輸送，發(fā)射回線中的電流就會(huì)發(fā)生突變現(xiàn)象，并在該區(qū)域產(chǎn)生一次磁場(chǎng)[1，2]。該磁場(chǎng)在傳輸中，一旦和地下良導(dǎo)電的地質(zhì)體進(jìn)行接觸，很可能出現(xiàn)內(nèi)部感應(yīng)電流，這就是二次電流。由于導(dǎo)電地質(zhì)體的非線性特征，一次場(chǎng)在突然消失的過程中，就會(huì)產(chǎn)生渦流瞬變過程。該過程的持續(xù)時(shí)間和導(dǎo)體的電性參數(shù)息息相關(guān)。低阻地質(zhì)體的感應(yīng)二次長(zhǎng)衰減過程消耗時(shí)間較長(zhǎng)，且電壓相關(guān)較大；高阻地質(zhì)體的感應(yīng)二次場(chǎng)衰減速度相對(duì)較快，電壓低。在渦流瞬變的基礎(chǔ)上，形成瞬變磁場(chǎng)，即二次場(chǎng)。利用接收線圈測(cè)試二次場(chǎng)衰減曲線特征，并獲得地下地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、規(guī)模等特點(diǎn)信息，并對(duì)采空區(qū)不同的潛在風(fēng)險(xiǎn)處理措施的制定提供依據(jù)，例如斷層、異常區(qū)、積水區(qū)、陷落柱等。

2 實(shí)際應(yīng)用案例分析

2.1 地質(zhì)與地球物理?xiàng)l件

此次勘探工程主要位于黃土高原地區(qū)，黃土層較厚，且地形較為復(fù)雜，土壤表面常年受到雨水以及河水的沖刷，形成無數(shù)的沖構(gòu)；降水總量相對(duì)較少，且夏季降水量占據(jù)全年降水量的絕大多數(shù)；太陽(yáng)照射足，因此蒸發(fā)量較大；多種植低矮的草本植物，視覺效果較好。

在實(shí)際的勘探過程中，采空區(qū)和高阻區(qū)、低阻區(qū)形成良好的電性差異。結(jié)合其具體的地質(zhì)以及地球物理?xiàng)l件，可以綜合應(yīng)用瞬變電磁法和高密度電法相結(jié)合的方式，有效克服黃土層較厚、沖構(gòu)較多且深的缺陷，為強(qiáng)化勘探效果奠定良好的基礎(chǔ)。這是因?yàn)?，瞬變電磁法可以一次布線，多次測(cè)量，彌補(bǔ)地形條件差的缺陷；高密度電法抗干擾能力較強(qiáng)，可以對(duì)地面以及地下的干擾進(jìn)行全面控制，提升瞬變電磁勘探效果 [3，4]。

2.2 參數(shù)與儀器選取

該次勘探工程的主要目的是要明確采空區(qū)和未采區(qū)的界限，因此對(duì)采空區(qū)的具體位置測(cè)定不是重點(diǎn)。基于此，要結(jié)合實(shí)際情況選擇最佳的參數(shù)和儀器設(shè)備。由于礦山采空區(qū)的分布區(qū)域主要集中在六十米到一百五十米之間，因此在進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)方案時(shí)，要確保線距一百米、點(diǎn)距四十米、測(cè)量深度二百米，只有這樣才能進(jìn)一步提升測(cè)探準(zhǔn)確性，為做出更加精準(zhǔn)的分析判斷提供更加詳實(shí)的依據(jù)。此外，選用的瞬變電磁法儀器設(shè)備是PROTEM47。結(jié)合實(shí)際探測(cè)需求，將其具體參數(shù)設(shè)置如下：發(fā)射框200m×200m，內(nèi)部設(shè)置8個(gè)探測(cè)點(diǎn)，保持線邊距為50m，點(diǎn)邊距為40m；基頻32赫茲，采樣時(shí)間：要在0.08ms～9.52ms時(shí)間內(nèi)按照對(duì)數(shù)分三十到進(jìn)行采集，發(fā)射電流不能超過4A。在這種參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)下，可以最大程度上減少工業(yè)電流和人為設(shè)施的干擾，提升數(shù)據(jù)采集數(shù)量和質(zhì)量，為資料解釋環(huán)節(jié)提供更加詳實(shí)準(zhǔn)確的資料數(shù)據(jù)[5]。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法和結(jié)果

在對(duì)瞬變電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)需要用到相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，且其種類較多，在此次勘探工程中應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理軟件，具備較多的功能，不僅能夠?qū)υ紨?shù)據(jù)實(shí)時(shí)全面有效的校正，而且還可以對(duì)來自各方面的干擾因素進(jìn)行有效壓制和控制，并在一定程度上提升了信息傳播強(qiáng)度，增加信噪比和分辨率。

在此基礎(chǔ)上為反演結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使其更加全面客觀的反應(yīng)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。其中數(shù)據(jù)處理流程包含一下步驟：①數(shù)據(jù)整理；②數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：歸一化整理，刪除廢點(diǎn)，計(jì)算dB/dt和BZ，計(jì)算全程視電阻率。③數(shù)據(jù)解釋：通過消除畸變、修改曲線、校正頻段的方式對(duì)曲線進(jìn)行編輯；利用成像、濾波方式對(duì)成像進(jìn)行處理；構(gòu)建模型；一維正演；一維反演；④地形改正；⑤數(shù)據(jù)輸出成圖[6]。

2.4 資料解釋

資料解釋主要是利用技術(shù)方法，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)和計(jì)算，從而對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等特點(diǎn)屬性進(jìn)行分析，從而做出精準(zhǔn)判斷，在具體情況的基礎(chǔ)上，為實(shí)際生產(chǎn)提供較高價(jià)值的指導(dǎo)和幫助的結(jié)果。

在對(duì)該礦山采空區(qū)的勘探過程中，通過對(duì)獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)資料的處理，可以利用瞬變電磁法獲得精準(zhǔn)的反演結(jié)果。反演結(jié)果證明，在一千八百里程、一千二百二十五高程的區(qū)域，呈現(xiàn)明顯的高阻率特征，且明顯高于其他區(qū)域的電阻率，其他特性也呈現(xiàn)的很大的異常狀態(tài)，由此可以判斷該區(qū)域是礦層采空區(qū)引起的高阻反應(yīng)。但是由于該采空區(qū)時(shí)間較為久遠(yuǎn)，雨水以及泥土容易滲漏，導(dǎo)致巖體坍塌等現(xiàn)象。因此，實(shí)際的采空區(qū)區(qū)域比反演結(jié)果呈現(xiàn)的范圍要小。為了保障瞬變電磁法的應(yīng)用效果，需要利用高密度電法對(duì)同一區(qū)段的電阻力進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的迅速提升，對(duì)能源需求量越來越大，強(qiáng)化對(duì)礦山采空區(qū)勘探工程的重視勢(shì)在必行，能夠提升礦山開發(fā)效率，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供更多的動(dòng)力支持。在實(shí)際的礦山采空區(qū)勘探作業(yè)中，利用高密度電法以及鉆探驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了瞬變電磁法的有效應(yīng)用，對(duì)黃土覆蓋層較厚的黃土高原礦層進(jìn)行了成功的勘探，并獲得了真實(shí)詳細(xì)的勘探數(shù)據(jù)，且其分辨率較高，通過現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)反演，能夠更加精準(zhǔn)的分析和判斷礦山地層基本狀況，包含地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、分布情況等，從而明確礦山采空區(qū)的具體定位以及空間大小，從而為實(shí)際的生產(chǎn)開發(fā)策略的制定提供針對(duì)性的指導(dǎo)，減少安全風(fēng)險(xiǎn)，提升礦山開發(fā)效率和質(zhì)量。