瞬變電磁法在沁裕煤礦工業(yè)性試驗(yàn)研究

胡海波

（山西蘭花沁裕煤礦有限公司，山西晉城048212）

2000年以來，山西煤炭行業(yè)共進(jìn)行過兩次資源大整合，煤礦數(shù)量由原先的近3萬座縮減到目前的1000余座[1]。在這些資源整合礦井中，普遍存在老空區(qū)資料缺失嚴(yán)重、井田邊界劃分不清、采空區(qū)積水量統(tǒng)計(jì)有誤等情況，物探工作面臨巨大挑戰(zhàn)，地質(zhì)勘探工作進(jìn)度十分緩慢[2]。

同時(shí)，煤礦突水事故近年來屢屢發(fā)生，給企業(yè)安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重隱患，成為制約我國(guó)煤炭行業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵因素。對(duì)煤礦采空區(qū)進(jìn)行地面物探工作是防范煤礦采空區(qū)災(zāi)害特別是老采空區(qū)水害的有效技術(shù)。瞬變電磁法作為近年來發(fā)展迅速的一種物探方法，其在煤炭資源勘查、水害防治勘查等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，對(duì)于礦井水害事故的防治工作發(fā)揮了關(guān)鍵作用[3]。近年來，我國(guó)許多專家和學(xué)者在煤礦采空區(qū)地面物探理論及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究方面開展了卓有成效的工作。

1 礦井概況

山西蘭花沁裕煤礦有限公司（以下簡(jiǎn)稱沁裕煤礦）井田位于山西省晉城市沁水縣內(nèi)，井田面積為10.56km2，井田呈不規(guī)則多邊形，東西最長(zhǎng)約7.0km，南北最寬2.5km，生產(chǎn)規(guī)模90×104t/a。

由于沁裕煤礦現(xiàn)屬基建礦井，為了提高全省資源整合礦井的水文地質(zhì)勘探程度，有效地保證煤礦的生產(chǎn)和安全的需要，計(jì)劃對(duì)井田內(nèi)未來五年計(jì)劃開采范圍內(nèi)（首采區(qū)）的煤層采空區(qū)積水做系統(tǒng)調(diào)查。

2 瞬變電磁法的工業(yè)性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c原則

根據(jù)瞬變電磁法規(guī)范，以及勘探設(shè)計(jì)方案的要求，為了提高本次沁裕煤礦地質(zhì)勘探工作的準(zhǔn)確性，將在展開野外數(shù)據(jù)采集工作之前安排工業(yè)性試驗(yàn)。工業(yè)性試驗(yàn)主要目的在于了解勘查區(qū)域的地質(zhì)狀況、施工條件、干擾因素以及煤層采空區(qū)的地理特征等。通過本次工業(yè)性試驗(yàn)，可以為勘探工作中儀器設(shè)備的選擇、參數(shù)的設(shè)定提高具有實(shí)際意義的參考價(jià)值。整個(gè)工業(yè)性試驗(yàn)選在勘查區(qū)內(nèi)已知采空積水區(qū)進(jìn)行，遵循由已知到未知、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的原則進(jìn)行。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)沁裕煤礦首采區(qū)的地質(zhì)資料及瞬變電磁法的要求，工業(yè)性試驗(yàn)工作共包括儀器參數(shù)的試驗(yàn)和干擾水平調(diào)查兩大內(nèi)容。其中，采用IGGETEM-30B型瞬變電磁儀，儀器參數(shù)的試驗(yàn)以單點(diǎn)試驗(yàn)為主，包括發(fā)射邊框、發(fā)射電流、發(fā)射時(shí)基、關(guān)斷時(shí)間、延遲時(shí)間、疊加次數(shù)等；干擾水平調(diào)查是指通過調(diào)查勘查區(qū)的地電干擾情況，確定提高信噪比、壓制干擾的措施。

3 試驗(yàn)工作及結(jié)果分析

根據(jù)沁裕煤礦首采區(qū)地表?xiàng)l件及已知資料，試驗(yàn)點(diǎn)選在勘查區(qū)內(nèi)的980線880點(diǎn)。

3.1 儀器穩(wěn)定性試驗(yàn)

為測(cè)試試驗(yàn)儀器的穩(wěn)定性，本文將對(duì)同一測(cè)點(diǎn)使用相同的儀器，并設(shè)置相同參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，最終通過公式（1），計(jì)算多組采樣數(shù)據(jù)的相對(duì)均方誤差對(duì)儀器的穩(wěn)定性M j進(jìn)行分析。

式中：V j(t i)——儀器在第j點(diǎn)第i測(cè)道原始觀測(cè)數(shù)據(jù)；

V j′(t i)——儀器在第j點(diǎn)第i測(cè)道復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)；

?j(t i)——V j(t i)與V j′(t i)的平均值；

n——參加統(tǒng)計(jì)計(jì)算的測(cè)道數(shù)。

如圖1所示為瞬變電磁儀在試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行儀器穩(wěn)定性試驗(yàn)的感應(yīng)電壓對(duì)比曲線圖。從圖中可以看出，試驗(yàn)點(diǎn)共完成2個(gè)，原測(cè)與復(fù)測(cè)的單支曲線基本一致，通過計(jì)算得出該試驗(yàn)點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)平均相對(duì)均方誤差為1.34%，儀器穩(wěn)定性滿足《規(guī)范》要求。

圖1 儀器復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

3.2 背景場(chǎng)值測(cè)定

背景場(chǎng)值測(cè)定目的在于當(dāng)不發(fā)射一次場(chǎng)的情況下，對(duì)背景噪音進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，試驗(yàn)點(diǎn)位置處疊加次數(shù)為1時(shí)，背景噪音電平在1nV/m2左右，峰值為30nV/m2左右，因此沁裕煤礦首采區(qū)內(nèi)只需選擇合理施工參數(shù)保證探測(cè)深度達(dá)到最深目的層時(shí)有效分辨電平大于30nV/m2即可。

3.3 線圈尺寸及儀器參數(shù)的選取

根據(jù)相關(guān)資料顯示，結(jié)合沁裕煤礦所在沁水煤田的地面瞬變電磁勘探工作經(jīng)驗(yàn)得出，數(shù)據(jù)采集方式選采用20m×20m5匝重疊回線進(jìn)行為最佳。在試驗(yàn)點(diǎn)上對(duì)增益、疊加次數(shù)、測(cè)量延時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)選擇如下參數(shù)：

增益：1、10；

疊加次數(shù)：128、256、512；

測(cè)量延遲延時(shí)：0μs、50μs、120μs；增益對(duì)比：本次試驗(yàn)就增益為1、10進(jìn)行了試驗(yàn)，采取從最大、最小兩端開始逐漸逼近的方法。結(jié)果如圖2所示：增益為10時(shí)，衰減曲線晚期道有跳躍；增益為1時(shí)衰減曲線圓滑，因此選擇增益為1為數(shù)據(jù)采集參數(shù)。

圖2 增益衰減曲線對(duì)比圖

疊加次數(shù)的選擇：在瞬變電磁法探測(cè)中，通過增加疊加次數(shù)的方法可以有效地壓制游散的工業(yè)電流等隨機(jī)干擾，以提高采集數(shù)據(jù)的信噪比。本次試驗(yàn)?zāi)康脑谟诖_定勘探范圍內(nèi)背景噪聲的強(qiáng)度，確定壓制隨機(jī)電磁干擾的最少疊加次數(shù)。結(jié)果如圖3所示，128及256次疊加曲線欠圓滑，512次疊加可有效抑制電線的影響。

圖3 疊加256、疊加512次衰減曲線對(duì)比圖

延遲時(shí)間的選擇：在20m×20m多匝的重疊回線，發(fā)射電流5.5A、疊加次數(shù)512次、增益1的條件下，進(jìn)行了采樣延遲0μs、50μs、120μs的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，0μs及50μs兩種延遲時(shí)早期數(shù)據(jù)存在溢出或畸變現(xiàn)象，因此我們決定采用120μs延遲時(shí)。

圖4 采樣延遲時(shí)0μs、50μs、120μs衰減曲線對(duì)比圖

3.4 單點(diǎn)反演

根據(jù)試驗(yàn)點(diǎn)的已知資料可知，2號(hào)煤層底板標(biāo)高在967m。由該點(diǎn)反演電阻率曲線可見，曲線類型整體為HA型曲線，2煤層附近電阻率明顯變高，由圖5可見，本次實(shí)驗(yàn)采用的裝置形式電阻率反演深度在400m左右，能夠滿足本次勘探深度的要求。

圖5 980線880號(hào)點(diǎn)計(jì)算與反演電阻率曲線對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

從上述試驗(yàn)工作分析可以得知，本次工業(yè)性試驗(yàn)工作達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康牡念A(yù)期效果，具體結(jié)論如下：

（1）采集電壓數(shù)值的大小與關(guān)斷、延遲時(shí)間關(guān)系密切，而與供電電流關(guān)系較小，野外采集使用IGGETEM-30B型瞬變電磁儀，較為合適的設(shè)置參數(shù)如下：增益為1；關(guān)斷時(shí)間為120μs；疊加次數(shù)為512次。

（2）工作區(qū)內(nèi)的游散電流干擾不大，噪音電平在1nV/m2左右，峰值為30nV/m2；

（3）瞬變電磁法結(jié)合已知資料進(jìn)行了反演，反演深度最大可達(dá)400m以上，從深度上可進(jìn)一步確定煤層采空層位。

因此，從工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，采用瞬變電磁法的重疊回線裝置探測(cè)采空區(qū)、采空積水異常區(qū)等地質(zhì)情況較為有效，選定的采集參數(shù)滿足本次勘探要求，可以完成本次勘探任務(wù)。