多激勵源瞬變電磁探測方法在煤礦采空區(qū)的應(yīng)用

孫海川,王文忠,李治中,劉永亮

(甘肅煤炭地質(zhì)勘查院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

瞬變電磁法(transient electromagnetic method，TEM)是一種時間域瞬變電磁探測方法，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法，具有觀測純二次場、施工簡單、對低阻含水體靈敏度高、縱橫向分辨能力強及地形影響小等優(yōu)點。該方法是尋找金屬、非金屬、煤炭、油氣等礦產(chǎn)和地下水資源的重要而有效的地球物理方法，在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、采空區(qū)及其富水性、隧道超前探測、基礎(chǔ)工程勘查(如城市地下管網(wǎng)探測，鐵路公路、水庫水渠、壩基壩址、地鐵機場、高層建筑)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1-3]。TEM根據(jù)場源類型分為磁性源和電性源。磁性源屬于感應(yīng)源，與目標層有最佳耦合，但場的能量衰減快，探測深度有限，發(fā)射源在地形復(fù)雜或邊長較大時布設(shè)量大，工作效率低；電性源瞬變電磁法信號強大，不需要大量移動發(fā)射源，能適應(yīng)山區(qū)、高原、丘陵等復(fù)雜地形，大幅度提高工作效率，但該方法在偏移距較大時，存在采集信號強度衰減強烈、信噪比降低等缺點，降低了瞬變電磁法的分辨率[4-7]。

針對一些具體的精細探測問題,如：礦井地質(zhì)災(zāi)害精細勘探(如采空區(qū)及其富水性探測)、高速公路和鐵路建設(shè)中的隧道超前地質(zhì)預(yù)報精細探測、大型水壩隱患精細探測等，目前已有的瞬變電磁法的分辨率受到限制，探測效果受到影響，主要原因是常規(guī)方法要想提高信噪比，就要加大發(fā)射回線的面積，體積效應(yīng)的影響也隨之加強，影響了分辨率的提高。隨著探測分辨率和精度要求的提高，迫切需要對瞬變電磁法進行深入研究，張瑩瑩、李貅等提出了多激勵源瞬變電磁方法[8-11]，即采用多個不同位置的電性源同時發(fā)射，通過調(diào)整源的位置及電流方向、大小，來加強采集信號強度、削弱隨機噪聲、減少電性源體積效應(yīng)的影響，全面反映地下異常體空間信息，從而提高瞬變電磁法的探測深度及分辨率，達到實現(xiàn)精細地質(zhì)勘查的目的[12]。本文以探查甘肅魏家地煤礦含水采空區(qū)為例，通過構(gòu)建多激勵源瞬變電磁正演模型、野外數(shù)據(jù)采集、資料處理及解釋，以及鉆孔驗證，來比較大定源回線、單激勵源及多激勵源瞬變電磁的勘查效果。

1 多激勵源瞬變電磁法

多激勵源瞬變電磁法是一種新的地球物理方法，通常是在地表布置發(fā)射源，接收一般有兩種方式，一是搭載飛行平臺在空中采集信號，二是地面布設(shè)采集信號，該方法觀測響應(yīng)信噪比高、工作效率高、勘探深度大?？罩胁杉盘栠m合在地形條件復(fù)雜、地面布設(shè)難度大的地區(qū)開展作業(yè)。采用圖1所示的網(wǎng)格分布施加多激勵源，電流密度施加在網(wǎng)格線上，與電場分量的空間位置重合。該方法可實現(xiàn)多個發(fā)射源的添加[10]。

圖1 多激勵源Yee晶胞加載方式示意Fig.1 Schematic diagram of load mode of Yee unit cell with multiple excitation sources

2 多激勵源三維正演算例

目前應(yīng)用于TEM三維模型正演計算的方法主要包括有限差分法、有限元法和積分方程法。其中，有限差分法采用時間步迭代，不需要求解大型線性方程組，從而可以實現(xiàn)三維復(fù)雜地質(zhì)模型的正演計算[13]。為了驗證多激勵場源瞬變電磁法的優(yōu)點，設(shè)計了如圖2所示的瞬變電磁法三維模型：在電阻率100 Ω·m的均勻大地中，賦存一個埋深90 m、電阻率10 Ω·m、尺寸100 m×100 m×20 m的板狀體，計算用的電性源長度均為110 m，電流大小50 A。

圖2 模型示意Fig.2 Model Sketch

圖3為單激勵場源情況下模型俯視圖以及測線32(y=0 m)的各分量多測道圖，平行源電流方向如圖3a中箭頭所示。從圖中可以看出，x分量多測道圖會出現(xiàn)變號，y和z分量多測道圖形態(tài)類似，由一系列單峰曲線構(gòu)成，幅值上以z分量為最大。

圖3 單激勵場源測線32各分量多測道曲線Fig.3 Multi-trace map of line 32 under single excitation field source

圖4為電流方向相反的平行源模型俯視圖以及測線32(y=0 m)的各分量多測道圖，平行源電流方向如圖4a中箭頭所示，電流方向相反。反向平行源在測線32處產(chǎn)生的y分量剛好被抵消掉了，僅存在x和z分量。與圖3對比可以看出，采用電流方向相反的平行源，各分量幅值均得到加強。

圖4 多激勵場源(電流方向相反)測線32各分量多測道曲線Fig.4 Multi-xcitation field source (opposite current direction) line 32 multi-omponent trace

圖5為電流方向相同的平行源模型俯視圖以及測線32(y=0 m)的各分量多測道圖，平行源電流方向如圖5a中箭頭所示，電流方向相同。當(dāng)平行源電流方向相同時，在測線32處由于各激勵源產(chǎn)生的x和z分量相互抵消，僅存在y分量，這種情況與電流方向相反的平行源模型恰恰相反。對比圖3可以看出，y分量響應(yīng)強度同樣得到了加強。

圖5 多激勵場源(電流方向相同)測線32各分量多測道曲線Fig.5 Multi-xcitation field source (same current direction) line 32 multi-omponent trace map

以上分析說明：采用多個輻射源可以從不同角度對地下異常體進行勘探，有助于更好地識別異常體。通過利用源的排列及電流方向等因素對信號影響的差異，合理布設(shè)電性源，對需要的響應(yīng)分量進行增強，進而達到增大勘探深度、提高分辨率的目的。

3 應(yīng)用實例

3.1 研究區(qū)概況

甘肅魏家地煤礦地處靖遠煤田寶積山礦區(qū)東部魏家地井田內(nèi)，西北與寶積山煤礦相接，西南與大水頭煤礦為鄰，行政區(qū)劃隸屬甘肅省白銀市平川區(qū)寶積鎮(zhèn)(圖6)。礦區(qū)小煤窯非正規(guī)開采現(xiàn)象普遍，商業(yè)轉(zhuǎn)讓時有發(fā)生，造成小煤窯井下開采范圍、積水情況等礦井地質(zhì)資料不翔實，對礦區(qū)整體規(guī)劃及礦井生產(chǎn)形成安全隱患。探明小煤礦開采造成的采空區(qū)及采空區(qū)積水位置及范圍，及時采取措施進行治理，消除隱患，對礦井生產(chǎn)建設(shè)具有重要意義。

圖6 研究區(qū)位置示意Fig.6 Sketch map of study area location

研究區(qū)位于隴西旋卷構(gòu)造體系烏鞘嶺—六盤山旋回褶帶的中段的寶積山—紅會拗褶帶的東段。該拗褶帶在大灣—車輪溝壓扭性斷裂以北，西起于響泉口，經(jīng)寶積山—打拉池一帶，走向N55°W，長約42 km，主要由侏羅系寶積山復(fù)式向斜構(gòu)成，地層總體平緩，呈傾向ES的單斜構(gòu)造，一般在3°～20°之間。地表全部為第四系覆蓋，區(qū)內(nèi)地層自下而上依次為上三疊統(tǒng)南營兒群(T3n)、中侏羅統(tǒng)窯街組(J2y)、中侏羅統(tǒng)王家山組(J2w)、上侏羅統(tǒng)苦水峽組(J3k)、第四系(Q)。中侏羅統(tǒng)窯街組為區(qū)內(nèi)主要含煤地層，可采煤層為一煤，賦存于窯街組頂部，走向上煤層厚1.73～46.27 m，傾向上由南向北變薄，其頂、底板由粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖和炭質(zhì)泥巖組成，隔水性良好。該隔水層頂部為新河組底部砂巖裂隙含水層(Ⅱ含水層)，巖性為粗、中粒砂巖，夾砂質(zhì)泥巖及泥巖，平均厚度44 m，為富水性較弱的含水層。礦井水文地質(zhì)類型為中等[14]。

3.2 地球物理特征

煤層開采后會形成 “三帶”(圖7)。煤層被采后，上覆巖層冒落、坍塌、破碎，并充填采空區(qū)形成垮落帶(冒落帶)；斷裂帶(裂隙帶)是在重力作用下，巖層向下移動，發(fā)生錯動，形成裂隙發(fā)育區(qū)域，使得部分巖層存在脫層現(xiàn)象；一定時間后下部巖層形成新的應(yīng)力支撐，阻止其進一步塌陷，使上覆巖層的完整性得以保存，形成了彎曲下沉帶，該帶表現(xiàn)為縱向彎曲，橫向連續(xù)。小窯采空區(qū)的地球物理特征主要取決于其賦存結(jié)構(gòu)，小窯采空跨度小，其垮落帶坍塌并不充分，冒落帶和裂隙帶共同形成了相對較大的空間區(qū)域，如果該區(qū)域不充水時，較圍巖表現(xiàn)為高阻，若在中后期因坑道或圍巖富水區(qū)回灌使得空腔被水充填，則較圍巖表現(xiàn)為低阻，這種電性差異為瞬變電磁法的應(yīng)用提供了前提[15-16]。研究區(qū)電阻率曲線形態(tài)主要表現(xiàn)為H、QH和HA 3種類型，依據(jù)視電阻率曲線形態(tài)及視電阻率值大小，歸納出區(qū)內(nèi)各地層電性特征(表1)。

圖7 采空區(qū)塌陷垂直“三帶”示意Fig.7 Sketch map of vertical “three zones”for collapse of mined-out area

表1 研究區(qū)地層電阻率特征Table 1 Characteristics of formation resistivity

3.3 工作方法

本次物探工作圍繞已知采空區(qū)布設(shè)15條測線，測線近南北向，線距20 m，點距20 m，測線自西向東依次命名為100、120、140、…380線，測點由南向北依次編號為100、120、140、…500，每條測線長均為400 m(圖8)。采用多激勵源瞬變電磁方法進行數(shù)據(jù)采集，采集設(shè)備為V8多功能電法儀。為了和傳統(tǒng)瞬變電磁法進行對比，選擇部分測線進行了大定源回線及單激勵源野外數(shù)據(jù)采集。

圖8 物探工程布置Fig.8 Geophysical engineering layout drawing

大定源回線發(fā)射邊框600 m×600 m,發(fā)射頻率8.333 Hz,發(fā)射電流15 A,觀測范圍距發(fā)射邊框1/3(200 m)范圍內(nèi)。單激勵源(電偶源)AB長1 500 m，收發(fā)距1 000 m(發(fā)射源南北向平行于施工測線布設(shè)，距100測線以西1 000 m，見圖9)，發(fā)射電流15 A，發(fā)射頻率8.333 Hz。多激勵源接收信號采用地面布設(shè)，2個平行的電流方向相反的單激勵源發(fā)射，采集2個單激勵源發(fā)射的瞬變電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)。發(fā)射系統(tǒng)采用地面長導(dǎo)線源，發(fā)射源為AB和CD(其中AB位置與單激勵源重合，CD長1 500 m，南北向平行于接收測線布設(shè)，距380測線以東1 000 m)，發(fā)射電流15 A，頻率8.333 Hz，接收系統(tǒng)為磁線圈和接地電極，接收磁場和電場數(shù)據(jù)，具體見表2。

圖9 發(fā)射源與測區(qū)位置示意Fig.9 Schematic diagram of emission source and survey area location

表2 不同發(fā)射源的觀測參數(shù)Table 2 Observation parameters of different emission sources

3.4 資料處理

資料處理采用V8系統(tǒng)TEM模塊配套軟件和IXIDV3進行聯(lián)合處理，數(shù)據(jù)處理流程見圖10。

圖10 資料處理流程Fig.10 Data processing flowchart

圖11為測區(qū)正常地段及含水區(qū)的實測視電阻率曲線及其反演深度模型，反演采用Occam一維反演。正常地段內(nèi)，由淺至深視電阻率主要表現(xiàn)為高—低—高的特征，曲線首支電阻率值呈相對高阻，對應(yīng)第四系表層黃土、砂礫石；曲線中部呈低阻特征，是上侏羅統(tǒng)苦水峽組、中侏羅統(tǒng)王家山組砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖的電性反映；曲線尾支呈高阻特征，并隨著深度增大而逐漸增大，分析為中侏羅統(tǒng)窯街組砂礫巖、砂巖、粉砂巖及煤層的綜合電性特征。而含水區(qū)的電阻率曲線尾支變化不大，與上覆地層電阻率相當(dāng)，不再呈高阻特征，分析為中侏羅系統(tǒng)窯街組煤層采空區(qū)積水的反映。

圖11 實測視電阻率曲線(a)及其反演深度模型(b)Fig.11 Plot of measured apparent resistivity (a) and plot of inversion depth model (b)

3.5 推斷解釋

推斷解釋主要結(jié)合多測道曲線(二次電位)、反演電阻率剖面、電阻率切片圖及鉆孔(驗證孔)資料。采用Occam一維反演，通過改變中間層的厚度及電阻率大小，觀察厚度和電阻率變化對反演效果的影響。反演時電阻率范圍為100～103Ω·m，以電阻率20 Ω·m半空間模型為初始模型，共30層，迭代的終止條件為擬合差小于5%或達到最大迭代次數(shù)30次。最小反演深度設(shè)置為10 m，最大反演深度設(shè)置為1 000 m。圖12為280線和340線的綜合剖面。剖面線基本垂直于構(gòu)造走向(主要指一煤底板)，與野外施工測線垂直(剖面線位置如圖8中粉色實線所示)。可以看出，不同方法的反演電阻率剖面具有相似的形態(tài)特征，均表現(xiàn)為淺部高阻、中深部相對低阻(圖12中橘黃色虛線以下)，推斷分別為第四系和侏羅系、三疊系的電性反映。

大定源回線反演電阻率剖面縱向分層相對明顯，大致可分為2個電性層：淺部第四系相對平緩；深部電阻率橫向變化不大，僅在一煤底板(圖12中黑色虛線所示)附近存在一定變化，表現(xiàn)在280線170～220點及340線160～300點間電阻率為相對低阻，推斷為煤層采空區(qū)積水的電性反映。

單激勵源反演電阻率剖面上淺部地層略向東傾，與區(qū)域地質(zhì)認識更吻合；電阻率由淺至深依次減小，尤其是一煤底板附近及以下，電阻率整體較低，推測為煤層采空后積水，體積效應(yīng)影響較大所致。

多激勵源反演電阻率剖面上反演深度相對較深(約1 300 m)，電阻率縱向特征明顯，大致可分為3個電性層：高阻—中低阻—高阻。推斷淺部高阻特征為第四系黃土、砂質(zhì)黏土、砂礫石的反映，高程大致在1 500 m以上；中部中低阻特征為侏羅系泥巖、粗砂巖、砂礫巖，煤層采空區(qū)及其積水區(qū)的綜合電性反映，高程大致在700～1 500 m之間；深部高阻為三疊系中、粗礫砂巖和礫巖的電性反映。在煤層底板附近，電阻率橫向變化明顯，局部地段電阻率等值線呈封閉或半封閉狀，電阻率表現(xiàn)為低阻特征(見280線140～210、240～380測點，340線140～380測點)，推斷該低阻特征為煤層采空區(qū)積水的電性反映。其中，280線140～210測點與大定源回線推斷的異常位置有重合；280線240～380測點在多測道曲線上二次場信號較強，衰減較慢(圖12a中紅色虛線方框所示)，為低阻體的響應(yīng)特征，與反演剖面低阻異常段吻合；340線140～380測點低阻異常段相對于大定源160～300測點，向東(測點大號方向)有所擴大，該異常擴大段在多測道曲線上也存在一定的變化，表現(xiàn)為二次場信號較強，衰減較慢，該特征表明該地段存在低阻異常，與異常擴大段(340線300～380測點)相吻合。

結(jié)合剖面特征，先后在340線異常擴大段及280線2個低阻異常間斷段布設(shè)鉆孔ZK1和ZK2，鉆孔分別位于340線320測點及280線230測點附近(剖面位置見圖12，平面位置見圖8)，ZK1鉆遇采空區(qū)，含水，ZK2亦鉆遇采空區(qū)，但不含水，驗證了多激勵源推斷解釋的可靠性。低阻異常特征可能為煤層采空塌陷后導(dǎo)通上部含水層所致。測線大號(東部)電阻率值相對較低，推測該地段富水性較好，可能與該地段地勢相對較低(區(qū)內(nèi)呈ES傾的單斜構(gòu)造)有關(guān)。低阻范圍較大，呈封閉半封閉形態(tài)，有向深部延伸的趨勢，認為是小窯采空跨度小，使得垮落帶坍塌不充分，導(dǎo)致冒落帶和裂隙帶發(fā)育，使得低阻異常范圍大于煤層采空區(qū)的實際空間。

圖12 280線(左)、340線(右)物探綜合剖面Fig.12 Comprehensive geophysical profile of line 280 (left) and line 340 (right)

在剖面解釋的基礎(chǔ)上結(jié)合一煤底板等高線形態(tài)，繪制了不同深度的電阻率水平切片圖，以了解采空區(qū)積水的分布特征。圖13為高程1 000 m和1 050 m水平電阻率等值線平面?？梢钥闯?，不同高程的電阻率平面形態(tài)特征相似，自西向東電阻率表現(xiàn)為高阻—低阻—次高阻—低阻—次高阻—低阻特征，存在2個低阻帶(Ⅰ、Ⅱ)，隨著深度的增加，低阻帶Ⅰ相對穩(wěn)定，低阻帶Ⅱ的范圍逐漸向西變小。根據(jù)不同高程的水平電阻率切片，并結(jié)合剖面解釋、鉆孔資料，得出了區(qū)內(nèi)采空區(qū)積水范圍，劃分了2塊積水區(qū)(圖8中Ⅰ、Ⅱ)。

圖13 高程1 000 m(a)和1 050 m(b)電阻率等值線平面Fig.13 Elevation 1 000 m (a) and 1 050 m (b) resistivity contour plan

4 結(jié)論及認識

3種方法在研究區(qū)內(nèi)應(yīng)用各有特點，大定源回線瞬變電磁垂向分辨率較高(主要表現(xiàn)為縱向分層相對明顯)，有利于薄層探測，但其在橫向上探測低阻異常的能力有限；單激勵源瞬變電磁對低阻目標體(采空區(qū)積水)敏感度大于高阻目標體，使得其體積效應(yīng)相對較大，降低了其在縱向、橫向上的分辨率[17]；多激勵源瞬變電磁體積效應(yīng)小，橫向上圈定的異常范圍基本能夠代表采空區(qū)積水的范圍。經(jīng)鉆探驗證，多激勵源瞬變電磁勘查效果相對較好，更符合研究區(qū)實際。

1)受方法原理本身限制，不同方法的反演電阻率值域不盡一致，大定源回線電阻率值相對較低，多激勵源電阻率值相對較高；反演深度也不盡相同，大定源回線反演深度相對于電偶源(單激勵和多激勵源)較淺。

2)野外數(shù)據(jù)采集中，單激勵源布線更容易，多激勵源要解決發(fā)射同步等一系列問題，但從場的角度看，采用多激勵源可以從不同角度對地下異常體進行勘探，有利于更好地識別異常體。

3)多激勵源探測盡管體積效應(yīng)小，但其影響仍不可避免。本區(qū)縱向上異常范圍大于實際采空區(qū)范圍，主要是因為采空區(qū)圍巖破碎，變形主要集中在縱向，冒落帶和裂隙帶共同形成了相對較大的空間區(qū)域；當(dāng)存在小窯采空區(qū)時，因其跨度小，垮落帶坍塌不充分，體積效應(yīng)會更加明顯。在類似地區(qū)精細調(diào)查時，使用物探手段應(yīng)重視體積效應(yīng)，這也是多激勵源瞬變電磁今后要努力改進的方向之一。

4)盡管多激勵源方法在本區(qū)應(yīng)用效果較好，但其他2種方法對異常探查也起到了作用。任何方法都存在局限性，應(yīng)用物探手段進行精細地質(zhì)調(diào)查時，應(yīng)選用多種物探方法綜合對比分析，并進行鉆探驗證，避免單一方法的盲目性、不確定性。