重疊回線瞬變電磁法在采空區(qū)勘查中的應(yīng)用

莊丁源

（1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130000；2.河北省地礦局國土資源勘查中心，河北 石家莊 055650）

在煤礦采空區(qū)探測中電法和電磁法勘探方面，易兵、劉四新等利用高密度電法對煤礦采空區(qū)進(jìn)行了探測研究，取得了理想的效果；祁民、張寶林等利用高密度電法預(yù)測地下復(fù)雜采空區(qū)的空間分布特征，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，效果良好；王士鵬在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)中應(yīng)用高密度電法在尋找地下水，查明采空區(qū)，探測巖溶發(fā)育帶方面得到了應(yīng)用。瞬變電磁法由于其對低阻異常反應(yīng)較好的特點(diǎn)，多應(yīng)用于煤礦采空區(qū)勘探領(lǐng)域，本文通過開展重疊回線裝置瞬變電磁法已知試驗(yàn)工作，介紹實(shí)際采空區(qū)勘探中的應(yīng)用效果。

1 地質(zhì)概況及地球物理特征

1.1 地質(zhì)概況

（1）奧陶系（O）

奧陶系下統(tǒng)冶里組（O1y）：由深灰、淺灰色中厚層結(jié)晶灰?guī)r和白云巖組成。

奧陶系下統(tǒng)亮甲山組（O1l）：上部為灰黃色，含燧石條帶的白云質(zhì)灰?guī)r，鈣質(zhì)白云巖，下部多為深灰色泥質(zhì)白云巖，夾燧石結(jié)核及透鏡體。

奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組（O2x）：巖性為灰、黃綠色鈣泥質(zhì)白云巖、鈣質(zhì)頁巖，淺灰黃色角礫狀泥灰?guī)r、夾白云巖和深灰色厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r、花斑灰?guī)r。

奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組（O2s）：巖性為淺灰、雜色角礫狀泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，深灰色厚層花斑狀泥質(zhì)白云質(zhì)灰?guī)r和深灰色厚層狀灰?guī)r。

奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）：主要巖性為淺白色、雜色角礫狀泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，深灰色厚層灰?guī)r、純灰?guī)r，花斑狀白云質(zhì)灰?guī)r、夾角礫狀泥灰?guī)r、含鐵質(zhì)結(jié)核灰?guī)r。

（2）石炭系（C）：為本區(qū)域主要含煤地層，總厚度為150m。

中統(tǒng)本溪組（C2b）：中、上部為深灰色、黃褐色砂質(zhì)頁巖、鋁土頁巖和砂巖組成。本區(qū)分布厚度10～110m。

上統(tǒng)太原組（C3t）：為本區(qū)主要含煤地層，由黑色頁巖、灰黑色中細(xì)粒砂質(zhì)石英砂巖、灰色鈣質(zhì)硬砂巖、薄層灰?guī)r、泥巖及煤層組成，厚度30～90m。

（3）二疊系（P）

山西組（P1s）：為深灰、灰色砂質(zhì)頁巖，淺灰色、白灰色中、細(xì)粒砂巖，夾薄層黑色頁巖及薄煤2～6層，其厚度均極薄，無開采價(jià)值。

（4）第四系（Q）

地表上覆地層主要為第四系沖洪積黃土狀粉土，厚度45m左右。

1.2 地球物理特征

依據(jù)收集到的地質(zhì)資料分析，結(jié)合地質(zhì)、物探資料，確定本次工作工作區(qū)地球物理特征。

2 工作方法與資料處理

2.1 方法原理

本次瞬變電磁施工采用重疊回線裝置測量，設(shè)備采用CUGTEM—8型瞬變電磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有輸出功率大、接收靈敏度高、采集時(shí)間長、探測深度大等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)，接收機(jī)，發(fā)送回線，接收回線等組成。

（2）工藝缺點(diǎn)。鋼絲繩圍捆沉箱出運(yùn)的施工程序繁瑣，且大直徑鋼絲繩較為笨重，在圍捆過程中需要人力較多，施工效率低下，且即使在沉箱邊角處使用枕木隔開鋼絲繩，仍然避免不了鋼絲繩受力后對沉箱混凝土的擠壓，造成箱身破損，給修復(fù)帶來一定的難度。

圖1為系統(tǒng)組成示意圖。

表1 工作區(qū)物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

2.2 資料處理

（1）原始數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后，采用浙江大學(xué)最新開發(fā)的CugTEm9pro瞬變電磁處理軟件讀入，進(jìn)行曲線歸一化處理、多項(xiàng)式擬合、濾波、繪制多測道圖等。

（2）視電阻率計(jì)算及二維反演。視電阻率計(jì)算采用晚期視電阻率計(jì)算公式：

式中，t為測道時(shí)間，M為發(fā)送磁距，q為接收線圈的有效面積，V（t）為感應(yīng)電壓。實(shí)際觀測的是歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢V（t）/I，因此，上式的實(shí)際應(yīng)用式為：

式中，A為發(fā)送回線面積，V（t）/I為觀測值。

2.2 方法有效性試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)測線布置。工作開始前，在已知區(qū)采空區(qū)布設(shè)1條試驗(yàn)測線線號S-1，測線長度190m，方向南北向，測點(diǎn)20個(gè)，點(diǎn)距10m。試驗(yàn)測線跨越1處已知采空區(qū)，測線所在部位在工作區(qū)具有地質(zhì)代表性。

（3）試驗(yàn)參數(shù)。為保證探測深度，試驗(yàn)工作開始前，設(shè)計(jì)采用4套參數(shù)分別在試驗(yàn)測線上進(jìn)行了實(shí)測，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。

（4）試驗(yàn)成果。對不同參數(shù)采集的數(shù)據(jù)處理后，形成4幅視電阻率等值線斷面圖。圖2為S-1測線不同參數(shù)的視電阻率等值線斷面對比圖。對比4幅斷面圖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用發(fā)射電流100A，供電脈寬10ms，采樣率4μS，疊加次數(shù)32，3m×3m線框重疊回線裝置時(shí)，視電阻率等值線斷面圖對采空區(qū)電性特征反映更加明顯，探測深度也可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表2 瞬變電磁法有效性試驗(yàn)參數(shù)表

圖2 SY測線不同參數(shù)的視電阻率等值線斷面圖

根據(jù)上述試驗(yàn)成果，結(jié)合工作區(qū)地質(zhì)、地球物理、地貌特征，最終確定工作區(qū)瞬變電磁探測參數(shù)見表3。

表3 瞬變電磁參數(shù)數(shù)據(jù)一覽表

3 應(yīng)用分析

通過方法有效性試驗(yàn)，證明了重疊回線裝置在該區(qū)采空區(qū)探測的有效性，該裝置能夠完成本次勘探任務(wù)。本次工作在該工作區(qū)完成瞬變電磁測量1.92Km2，測點(diǎn)5152個(gè)。以L-20測線為例，簡述工作區(qū)測量地電斷面特征。

3.1 解釋原則

依據(jù)前期試驗(yàn)資料，綜合分析工作區(qū)瞬變電磁探測的低阻區(qū)域分布特征、井田地球物理特征及試驗(yàn)結(jié)果，將成果圖上視電阻率值相對較低（小于60Ω·m）、斷面上連續(xù)2個(gè)測點(diǎn)以上有低阻異常反映同時(shí)相鄰斷面（或更多斷面）有低阻異常反映的面積比較大的綠色區(qū)域或數(shù)個(gè)相近的通過低阻區(qū)相連的小面積低阻異常所在區(qū)域劃分為低阻異常區(qū)，一些面積較小、零散分布的低阻區(qū)因影響范圍較小則不作為異常區(qū)處理。

3.2 成果

L-20測線斷面的電性反映特征，圖中異常區(qū)位于斷面右側(cè)，在55#～63#測點(diǎn)，其視電阻率值為60～80Ω·m與周邊地層的120～180Ω·m差異明顯，故推測該處為采空區(qū)異常引起，該異常垂向位于地面以下50～260m，且其垂向延展距離較長。由于工作區(qū)內(nèi)地層主要以煤層及灰?guī)r為主，該剖面整體分為綠色地租區(qū)、白色中阻區(qū)，黃色高阻區(qū)。收場地條件限制，工作區(qū)周邊瞬變電磁場干擾較大，結(jié)合地質(zhì)資料最終確定L-20線異常所處位置為某煤礦采空區(qū)范圍。

圖3 1塊段8區(qū)在1S20測線斷面的電性反映特征

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）通過在已知工作區(qū)內(nèi)方法有效性試驗(yàn)工作，證明了重疊回線裝置瞬變電磁在采空區(qū)勘探是有效的。

（2）重疊回線裝置具有較好的便攜性，對于地形環(huán)境較差地段具有較好的應(yīng)用效果。

4.2 建議

（1）本次工作為進(jìn)行鉆探驗(yàn)證工作，建議在典型異常區(qū)開展鉆探驗(yàn)證工作。

（2）本次工作部分測點(diǎn)收工作區(qū)的建筑物干擾較明顯，建議后期對干擾較強(qiáng)測點(diǎn)進(jìn)行剔除。