瞬變電磁法在鍶礦采空區(qū)中的應(yīng)用研究

吳月雷 WU Yue-lei；劉孟舉 LIU Meng-ju；周琦斌 ZHOU Qi-bin；何曉峰 HE Xiao-feng

（重慶市大足天青石礦業(yè)有限公司，重慶 402359）

0 引言

資源開(kāi)采給社會(huì)帶來(lái)巨大財(cái)富的同時(shí)也給人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了巨大的安全隱患。關(guān)于采空區(qū)造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失國(guó)內(nèi)外報(bào)道甚多，采空區(qū)已成為影響現(xiàn)在礦山安全生產(chǎn)的主要危害源之一。這些采空區(qū)使礦山開(kāi)采條件惡化，造成礦層變形破壞，相鄰作業(yè)區(qū)采場(chǎng)和巷道維護(hù)困難；大面積冒落和巖移，引起地表塌陷，危及地面農(nóng)田及建筑；采空區(qū)突然垮塌的高速氣浪和沖擊波造成井下連通作業(yè)場(chǎng)所人員傷亡和設(shè)備破壞；采空區(qū)老窿積水形成突水隱患等等，給礦山生產(chǎn)和安全帶來(lái)嚴(yán)重影響，并造成環(huán)境惡化、礦產(chǎn)資源嚴(yán)重浪費(fèi)[1-3]。

地球物理方法在地下采空區(qū)精細(xì)探測(cè)中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)前，用于采空區(qū)探測(cè)的地球物理方法主要有高密度電阻率法和瞬變電磁法等方法。王麗紅將高密度電阻率法和瞬變電磁法方法用于煤礦采空區(qū)應(yīng)用研究，結(jié)合具體工程案例，驗(yàn)證方法有效性[4]；韓自強(qiáng)采用矩形大定源回線TEM 全區(qū)視電阻率法在煤田采空區(qū)勘探中取得應(yīng)用[5]；郭偉立利用瞬變電磁法監(jiān)測(cè)采空區(qū)中煤礦含水情況，較好解釋采空區(qū)地質(zhì)問(wèn)題，取得令人滿意的探測(cè)結(jié)果[6]；陳衛(wèi)營(yíng)利用瞬變電磁法多裝置探測(cè)技術(shù)在煤礦采空區(qū)應(yīng)用，研究結(jié)果表明電性源瞬變電磁法具有探測(cè)深度大、施工方便、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種可用于深部采空區(qū)探測(cè)的值得推廣的電磁方法之一[7]；常規(guī)瞬變電磁法在強(qiáng)干擾環(huán)境中應(yīng)用受限，抗干擾能力差；受關(guān)斷時(shí)間和線圈互感影響，淺部盲區(qū)大，分辨率低。瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理通常采用全區(qū)視電阻率計(jì)算或者線性迭代反演方法。全區(qū)視電阻率計(jì)算方法只能用于異常定性判斷，不能反映目標(biāo)體準(zhǔn)確深度信息。線性迭代反演方法需要計(jì)算雅可比矩陣，計(jì)算速度受限[8]。

高密度電阻率法是通過(guò)向地下供直流電，然后利用電極測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的電位差進(jìn)行探測(cè)。這種方法需要一定的場(chǎng)地空間，并且需要布置電極，野外工作效率低，具有一定的破壞性也不容易進(jìn)行施工。目前，對(duì)于地下空間200 米以內(nèi)的探測(cè)深度，瞬變電磁法是首選方法之一。瞬變電磁法是通過(guò)不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次場(chǎng)，在電流關(guān)斷間歇期間內(nèi)接收感應(yīng)二次場(chǎng)的變化[9-10]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是純二次場(chǎng)觀測(cè)，其分辨率高、探測(cè)深度深，對(duì)低阻異常體敏感。傳統(tǒng)瞬變電磁法主要應(yīng)用于空曠山區(qū)，勘探儀器主要采用國(guó)外設(shè)備，電流關(guān)斷時(shí)間很長(zhǎng)，造成淺表的異常信息丟失，形成了瞬變電磁的探測(cè)盲區(qū)。此外，國(guó)外儀器采樣率非常低，不能有效采集異常體的信息，所以不適合在窄小的、強(qiáng)干擾的城市調(diào)查中進(jìn)行探測(cè)。近年來(lái)，吉林大學(xué)林君院士、重慶大學(xué)付志紅教授、中南大學(xué)席振銖教授和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）梁慶九等人在國(guó)產(chǎn)化淺層瞬變電磁儀器研制上取得了非常突出的成就。其中，重慶大學(xué)付志紅教授及其團(tuán)隊(duì)等人在瞬變電磁發(fā)射機(jī)高速關(guān)斷技術(shù)、線圈消互感技術(shù)、高速采樣率以及數(shù)據(jù)處理反演等方面取得了重大進(jìn)步，為實(shí)現(xiàn)地下采空區(qū)精細(xì)探測(cè)提供了強(qiáng)有力的保障[11-12]。

本文結(jié)合承擔(dān)鍶礦采空區(qū)調(diào)查項(xiàng)目，采用淺層高分率瞬變電磁系統(tǒng)，對(duì)采空區(qū)段進(jìn)行探測(cè)，并將探測(cè)結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)資料進(jìn)行比較，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資料驗(yàn)證了瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 瞬變電磁法原理和數(shù)據(jù)處理方法

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，簡(jiǎn)稱TEM）是利用不接地回線或接地電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)，用線圈或接地電極觀測(cè)由該脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)的空間和時(shí)間分布，來(lái)解決有關(guān)地質(zhì)問(wèn)題的時(shí)間域電磁法。目前，該方法已成為淺地表工程地球物理調(diào)查的重要方法之一，被廣泛地應(yīng)用于工程、水文地質(zhì)調(diào)查，環(huán)境調(diào)查等諸多領(lǐng)域。圖1 表示發(fā)射電流關(guān)斷后，不同時(shí)刻地下等效電流環(huán)的分布示意圖。從圖中可以看到，等效電流環(huán)像從發(fā)射回線中“吹”出來(lái)的一系列“煙圈”。因此，將地下渦旋電流向下、向外擴(kuò)散的過(guò)程形象地稱為“煙圈效應(yīng)”[8]。

圖1 瞬變電磁場(chǎng)“煙圈效應(yīng)”

傳統(tǒng)的瞬態(tài)電磁數(shù)據(jù)處理方法是采用煙圈快速成像技術(shù)。該方法是一種半定性和定量的粗糙處理方法，具有精度低，對(duì)異常目標(biāo)深度不敏感的缺點(diǎn)。煙圈快速成像理論的計(jì)算公式如下。某時(shí)刻煙圈的垂直深度dr和垂直傳播速度v 為[13]：

其中ρ 為均勻半空間的電阻率，單位為Ω·m；t 為采樣延時(shí)，單位為ms；μ0為真空中的磁導(dǎo)率。

通過(guò)計(jì)算化簡(jiǎn)，可以得到視電阻率ρr和視深度Hr計(jì)算公式，如下：

其中，titj為相鄰時(shí)間道的采樣時(shí)間，并且tj＞ti，ρi和ρj為相鄰時(shí)間道的全區(qū)視電阻率，tij是ti和tj的算術(shù)平方根。

本文采用非線性粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行反演計(jì)算。粒子群優(yōu)化算法核心思想是：將鳥或魚簡(jiǎn)化為粒子，粒子的位置代表最優(yōu)化問(wèn)題中的可能解，食物的位置代表最優(yōu)解，所有粒子在一定的規(guī)則下，向著最優(yōu)解位置運(yùn)動(dòng)[14]。

在尋優(yōu)開(kāi)始時(shí)，粒子群算法首先在搜索區(qū)域范圍內(nèi)隨機(jī)初始化m 個(gè)粒子，作為迭代初始值。然后粒子根據(jù)公式（5）實(shí)時(shí)更新自己的速度及位置：

式（6）中，j 為搜索空間的維度，c1和c2為學(xué)習(xí)因子，r1和r2為（0，1）之間均勻分布的兩個(gè)隨機(jī)數(shù)。Xu（2020）在文章中詳細(xì)的探討了粒子群優(yōu)化算法的參數(shù)選擇和反演擬合精度，得出該算法是一種高效、準(zhǔn)確的全局優(yōu)化算法[15]。

通過(guò)漢克爾變換和余弦變化求解瞬變電磁時(shí)間域響應(yīng)，構(gòu)造如下目標(biāo)函數(shù)為：

其中d（v，t）表示野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，X（v，t）表示正演數(shù)據(jù)，模型輸入為電阻率和層厚參數(shù)。

本文采用拖曳式高分辨瞬變電磁系統(tǒng)進(jìn)行野外采集工作（圖2）。該系統(tǒng)由瞬變電磁主機(jī)、收發(fā)一體線圈、數(shù)據(jù)處理與成像軟件組成，采用了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“恒壓鉗位”高速線性關(guān)斷和無(wú)損消互感技術(shù)，結(jié)合高密度高動(dòng)態(tài)信號(hào)采集，具有極強(qiáng)的淺層和高分辨探測(cè)能力，拖曳式觀測(cè)模式極大提高了工作效率，整套系統(tǒng)輕便小巧、實(shí)用高效，便于野外作業(yè)[10]。

2 調(diào)查區(qū)概況和資料處理

重慶市大足天青石礦業(yè)有限公司，為多年開(kāi)采的集體小礦山整合的新建礦井，生產(chǎn)規(guī)模40 萬(wàn)t/年。本次物探工作南翼測(cè)區(qū)在215 勘探線附近，礦井南翼邊界與何家灣鍶礦邊界之間區(qū)域的無(wú)名礦井。礦井口高程438.6m，該礦井為90 年代私人辦鍶礦，開(kāi)采礦體I，開(kāi)采標(biāo)高約+430 至+390m，開(kāi)采方式地下開(kāi)采，開(kāi)拓方式斜井開(kāi)拓方式，采礦方法為房柱采礦法，由于區(qū)內(nèi)資源枯竭于約2006 年閉坑。總體走向31～38°，傾向南東，傾角較平緩12～18°，開(kāi)采三疊系下統(tǒng)嘉陵江組二段二加三亞段（T1j2-2+3）的I 號(hào)礦體，含礦段頂板巖性為白云巖、鹽溶角礫巖、灰?guī)r和泥巖。礦區(qū)地下水類型為松散巖類孔隙水、碳酸巖類巖溶水、砂巖裂隙水，礦井開(kāi)采礦層位于嘉陵江組二段，該段巖溶裂隙、溶洞和溶蝕現(xiàn)象發(fā)育，為礦井主要充水含水層，地面降水經(jīng)溶裂隙、溶洞進(jìn)入礦井；現(xiàn)井筒封閉，預(yù)測(cè)所掘井巷和采空區(qū)均有可能積水。

本次瞬變電磁法共完成5 條剖面，測(cè)線總長(zhǎng)度4500m。資料整理時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)解編、壞點(diǎn)剔除、中值平滑濾波及數(shù)據(jù)網(wǎng)格化等一系列步驟，形成反演斷面圖數(shù)據(jù)，進(jìn)一步繪制瞬變電磁法反演斷面圖（圖3）。從圖3 中可以看出，在L1、L2、L3 測(cè)線測(cè)試范圍內(nèi)，水平距離100-300m 之間，高程在347-408m 之間，每個(gè)剖面都存在封閉低阻異常，推測(cè)為采空區(qū)域，異常區(qū)域視電阻率值極低區(qū)域范圍不大，推測(cè)采空區(qū)富水量不大。在L4、L5 測(cè)線未發(fā)現(xiàn)明顯封閉低阻異常（圖4 和圖5），推測(cè)該區(qū)域未發(fā)現(xiàn)采空區(qū)。

圖4 WT4 瞬變電磁反演成果圖

綜合5 條測(cè)線，推測(cè)了采空區(qū)走向大致為北東方向，往在建礦區(qū)外圍延伸，分布高程范圍為347-408m，大約70×120m 范圍。

3 結(jié)論

本文將高分辨瞬變電磁系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦采空區(qū)探測(cè)調(diào)查中，對(duì)瞬變電磁法采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一維反演處理。將得到的反演結(jié)果和已知地質(zhì)資料進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證了瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果。通過(guò)本次工程探測(cè)結(jié)果表明，高分辨瞬變電磁系統(tǒng)在煤礦采空區(qū)調(diào)查中具有效率高、分辨率強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確而直觀地反映出地下采空區(qū)分布范圍和空間展布情況。本文的研究工作為地下煤礦采空區(qū)和病害體等調(diào)查提供了更高效的方法和技術(shù)。