瞬變電磁法在雙鑫煤礦采空區(qū)的應(yīng)用

馮春孝，婁佰信

（河南省地球物理空間信息研究院，河南鄭州 450009）

1 概況

2021 年7 月份以來，鄭州地區(qū)頻繁出現(xiàn)降雨等極端天氣，雙鑫煤礦井下涌水量及水文地質(zhì)條件已發(fā)生明顯變化，為探明勘探范圍內(nèi)二1 煤層老窯采空積水區(qū)分布情況，確保復(fù)工復(fù)產(chǎn)礦井安全，在勘探區(qū)內(nèi)開展物探工作。

常用于低阻體勘探的電磁法主要有廣域電磁法測深（WFEM）、大地電磁測深（MT）、音頻大地電磁測深（AMT）、可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）、瞬變電磁測深（TEM）、高密度電阻率法等勘探方法，其中WFEM、MT、AMT 及CSAMT主要用于尋找大深度地質(zhì)異常體，雙鑫煤礦老窯采空區(qū)約150 m 以淺，埋深相對較淺，不適合選用上述方法；TEM 和高密度電阻率法對埋深較淺低阻異常體都具有較好的勘探效果，但高密度電阻率法受施工場地條件影響較大，且其勘探深度與布設(shè)的電極長度有很大關(guān)系，勘探區(qū)內(nèi)有多處村莊，布設(shè)不便，因此不適合使用。與TEM 對低阻異常體具有較好的識別作用，其靈敏度、信噪比、縱向分辨率高抗干擾能力較強，純二次場觀測以及對低阻體敏感，幾乎不受場地條件的限制，工作效率高，尤其在周圍巖體電阻率電性差異較大時成圖效果更優(yōu)良，是探測巖溶、采空區(qū)、活動斷層、低阻異常體的有效手段。綜合對比各種方法優(yōu)缺點，此次勘探采用TEM 作為此次勘探的技術(shù)手段。

2 地質(zhì)及地球物理特征

區(qū)內(nèi)基巖為第四系黃土覆蓋，地層從老到新有奧陶系中統(tǒng)馬家溝組（O2m）、石炭系上統(tǒng)本溪組（C2b）、太原組（C2）、二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、下石盒子組（P1x） 及第四系（Q）。

利用電法勘探解決地質(zhì)問題的前提條件是目標地質(zhì)體和圍巖存在電性差異，理論上講，干燥的巖石的電阻率為無窮大，但實際上巖石孔隙、裂隙總是含水的，并且隨著巖石的濕度或者含水飽和度的增加，電阻率急劇下降。當?shù)叵旅簩颖婚_采后，在地下巖體中形成一定的空間，在重力作用下，采空區(qū)上方的巖層由于失去支撐而產(chǎn)生斷裂，造成采區(qū)上覆巖體不同劇烈程度的破壞和移動，破壞了天然巖體的結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)大量的空隙、裂隙，當采空區(qū)的孔隙被水或泥質(zhì)充填后，其電阻率呈現(xiàn)低阻現(xiàn)象，該區(qū)域的巖體電阻率低于周圍相對完整巖層的電阻率。區(qū)域邊緣，由于巖體移動程度低和裂隙數(shù)量少，電阻率的差異相對不大，在電阻率等值線圖上呈現(xiàn)層狀延伸。各沉積地層物性統(tǒng)計見表1，勘探區(qū)內(nèi)地層之間存在明顯的電性差異，具備開展物探工作的地球物理條件。

表1 各沉積地層物性統(tǒng)計Table 1 Statistical table of physical properties of each sedimentary strata

3 TEM 勘探原理

瞬變電磁法是一種時間域的人工源地球物理探測方法，基本原理是測量脈沖源所感生的隨時間變化的二次場。

這些變化的二次場是脈沖源所感生的渦流場在地下擴散過程中地電介質(zhì)的電磁散射場，包含了豐富的地電信息，通過對這些信息的提取和解釋，達到探測地下電性介質(zhì)的目的，其工作原理如圖1、圖2 所示。

圖2 瞬變電磁觀測原理Fig.2 Transient electromagnetic observation principle diagram

4 測線布設(shè)及試驗

4.1 測線布設(shè)

圖3 為勘探區(qū)工程布置圖，此次瞬變電磁勘探共布設(shè)測線30 條，線距40 m，點距20 m，測線方向呈東北西南向。

圖3 工程布置Fig.3 Engineering layout

4.2 試 驗

為選取適合勘探區(qū)的施工參數(shù)，在已知鉆孔附近開展試驗工作，主要試驗發(fā)射線圈（Tx） 大小、頻率、發(fā)射電流、積分時間、增益及高壓線干擾等施工參數(shù)。

4.2.1 噪聲調(diào)查

對于瞬變電磁法而言，電磁噪聲不能被有效壓制既影響數(shù)據(jù)的觀測精度，又會降低數(shù)據(jù)質(zhì)量，關(guān)系到發(fā)射磁矩大小和發(fā)射頻率的選擇，噪聲水平調(diào)查是必須進行的工作之一。其方法是接收機空采，記錄環(huán)境噪聲。

圖4 為噪聲-延時分布圖。從圖中可以看出，噪聲水平在1 nT/s 上下，晚期道數(shù)據(jù)若進入噪聲水平范圍內(nèi)則棄而不用。

圖4 噪聲水平Fig.4 Noise level

4.2.2 頻率

根據(jù)測區(qū)勘探深度要求及干擾情況，對5 Hz和25 Hz 兩個頻率進行對比。視深度的估算公式如下：

式中：H 為勘探深度，m；t 為取樣道時間，ms；ρa為取樣道時間t 時的視電阻率，Ω·m。

5 Hz 與25 Hz 衰減曲線比較如圖5 所示。

圖5 頻率對比曲線Fig.5 Frequency comparison curve

2 個頻率觀測值除早、晚期道有差異外，中期道的觀測值基本一致。早期道的差異是關(guān)斷時間不同引起的。25 Hz 晚期道數(shù)據(jù)均處于噪聲水平之上，5 Hz 晚期道數(shù)據(jù)尾部位于噪聲水平內(nèi)，抗干擾能力弱。

通過視深度公式計算，25 Hz 勘探深度約為350 m，能夠達到勘探深度要求。綜上所述，此次勘探選擇25 Hz 作為本工區(qū)的工作頻率。

4.2.3 供電電流

電流的大小同樣影響著勘探深度，電流太小相同線框發(fā)射磁矩小，壓制干擾能力弱，致使晚期道過早的進入噪聲水平；電流過大，關(guān)斷時間較長，減少淺部信息。電流大小對比曲線如圖6 所示，本區(qū)噪聲約為1 nT/s，相同線框大小情況下，發(fā)射電流為16 A 時，對干擾的壓制能力強，為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，達到勘探目的層深度，選取不小于16 A 的發(fā)射電流以達到抑制噪聲的效果。

圖6 電流大小對比曲線Fig.6 Comparison curve of current magnitude

4.2.4 增益

在同一位置，增益分別采用20、22、24進行一次數(shù)據(jù)采集，采集時間為120 s，頻率25 Hz，觀測對比結(jié)果如圖7 所示。

圖7 增益對比曲線Fig.7 Comparison curve of increment

在試驗過程中，調(diào)整磁道增益（22～24），觀察采集界面中的信號范圍（峰- 峰值），通過對比分析，增益為22和24時，所采集的數(shù)據(jù)曲線基本重合，選擇22即可保證早期道數(shù)據(jù)不溢出、晚期數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)不進入噪聲水平，保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。

4.2.5 積分時間

從理論上講，多次疊加對消除人為干擾效果好，圖8 是不同積分時間下的數(shù)據(jù)，60、80、120 s 三種積分時間衰減曲線完全重合，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。為保證施工效率，選取不低于60 s 作為此次施工的積分時間，在遇到干擾較大時，延長積分時間，增大疊加次數(shù)，保障數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

圖8 積分時間對比曲線Fig.8 Comparison curve of integral time

4.2.6 發(fā)射線框

圖9 是發(fā)射線框分別為400 m×400 m 和340 m×340 m 的感應(yīng)電壓衰減曲線及晚期視電阻率曲線。兩種發(fā)射線框數(shù)據(jù)均很穩(wěn)定，晚期道數(shù)據(jù)基本重合，兼顧施工效率，選擇400 m×400 m，作為本工區(qū)施工發(fā)射線框。

圖9 發(fā)射線框大小對比曲線Fig.9 Comparison curve of emission wireframe size

4.2.7 高壓線影響范圍

圖10 為距離高壓線路0 ～60 m 的測點曲線。如圖所示，高壓線正下方早期3 道數(shù)據(jù)受到干擾；距高壓線20 m，早期2 道數(shù)據(jù)受到干擾；距高壓線40 m，早期1 道數(shù)據(jù)受到干擾；距高壓線60 m，數(shù)據(jù)正常。據(jù)相關(guān)規(guī)范，可判定高壓線對數(shù)據(jù)的影響范圍為高壓線下左右40 m。

圖10 高壓線試驗Fig.10 High voltage line test

5 成果解析

經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析，結(jié)合地質(zhì)任務(wù)，選定了此次勘探的工作參數(shù)，發(fā)射線框大小為400 m×400 m，頻率為25 Hz，電流不低于16 A，積分時間不低于60 s，增益22。

5.1 反演電阻率斷面圖解析

圖11 為1040 線電阻率斷面圖，位于工作區(qū)最西北部。橫軸為測點點號，縱軸為海拔高程，細虛線為地表高程線，實線為二1 煤。從圖中可以看出，電阻率等值線整體變化特征為從淺到深其電阻率基本呈現(xiàn)由低阻到高阻的電性變化特征，符合沉積地層電阻率變化特征。圖中點號1420～1600、1660～1740（圖中虛線圈定區(qū)域），二1 煤層附近存在明顯的電阻率向下凹陷，呈現(xiàn)低阻異常，推測為含水層富水導(dǎo)致的低阻異常區(qū)。其中1420～1600點電阻率較低，推測為強富水區(qū)域；1660～1740點電阻率相對較低，推測為弱富水區(qū)域。

圖11 1040 線電阻率斷面圖Fig.11 Resistivity section diagram of No.1040 line

圖12 為1720 線電阻率斷面圖，位于工作區(qū)中東部。橫軸為測點點號，縱軸為海拔高程，細虛線為地表高程線，實線為二1 煤。從圖中可以看出，電阻率等值線整體變化特征為從淺到深其電阻率基本呈現(xiàn)由低阻到高阻的電性變化特征，符合沉積地層電阻率變化特征。圖中點號1100～1220（圖中虛線圈定區(qū)域），二1 煤層附近存在明顯的電阻率向下凹陷，呈現(xiàn)低阻異常，根據(jù)礦方提供的采掘情況，1160～1260 點為原米村煤礦采空區(qū)位置，推測該處異常為煤礦采空后頂板塌落后上部水源通過采動裂隙滲入巷道所致，其電阻率相對較低，推測為低阻異常區(qū)域；1280～1460 點電阻率呈現(xiàn)相對高阻，根據(jù)采掘情況推測此處應(yīng)為保護煤柱及采掘巷道的綜合地電反應(yīng)；圖中點號1480～1560（圖中虛線圈定區(qū)域），二1 煤層附近存在明顯的電阻率向下凹陷，呈現(xiàn)相對中阻，該處數(shù)據(jù)受電磁干擾，根據(jù)采掘情況可知，該處為煤礦老舊采空區(qū)；圖中1600～1620 點電阻率呈現(xiàn)相對高阻，推測此處煤層未經(jīng)開采。

圖12 1720 線電阻率斷面圖Fig.12 Resistivity section diagram of No.1720 line

圖13 為2080 線電阻率斷面圖，位于工作區(qū)最東南部。橫軸為測點點號，縱軸為海拔高程，細虛線為地表高程線，實線為二1 煤。從圖中可以看出，電阻率等值線整體變化特征為從淺到深其電阻率基本呈現(xiàn)由低阻到高阻的電性變化特征，符合沉積地層電阻率變化特征。圖中1100～1140 號點電阻率曲線煤層附近電阻率呈相對高阻現(xiàn)象，為該處煤層未經(jīng)采動的地電反應(yīng)；1240～1380（圖中虛線圈定區(qū)域） 號點，二1 煤層附近存在明顯的電阻率向下凹陷，呈現(xiàn)低阻異常，根據(jù)采掘情況可知，1160～1220 點、1260～1380 點為已知采空區(qū)位置，推測該處低阻異常區(qū)為煤層采動后，上部水源通過采動裂隙進入老舊采空區(qū)，其電阻率較低，推測為采空積水區(qū)域。

圖13 2080 線電阻率斷面圖Fig.13 Resistivity section diagram of No.2080 line

5.2 反演電阻率斷面圖解析

如圖14 所示為煤層順層切片圖，根據(jù)反演電阻率等值線圖推測存在5 出低阻異常區(qū)域。其中B1、B5 低阻異常區(qū)域反演電阻率相對較低，上述區(qū)域地表為塌陷坑塘，坑塘內(nèi)有大量地表水，推測此處地表水通過塌陷裂隙進入采空區(qū)內(nèi)，為采空區(qū)積水區(qū)域；B2、B3、B4 低阻異常區(qū)域反演電阻率相對較高，推測此處為弱水異常區(qū)。

圖14 煤層順層切片F(xiàn)ig.14 Coal seam bedding slice diagram

6 成果驗證

礦方根據(jù)勘探結(jié)果在2080 線1320 點開展鉆探驗證工作，如圖15 所示。經(jīng)驗證，煤礦采空區(qū)內(nèi)含有大量積水。

圖15 勘探成果驗證孔Fig.15 Exploration results verification hole

7 結(jié)語

此次瞬變電磁勘探，共發(fā)現(xiàn)雙鑫煤礦勘探區(qū)內(nèi)采空積水區(qū)2 處，低阻異常區(qū)3 處，經(jīng)鉆探驗證勘探成果真實可靠。煤層采空積水后，采空區(qū)呈低阻的電性特征，利用瞬變電磁法尋找低阻異常體從而尋找煤礦采空區(qū)及采空積水區(qū)有很好的勘探效果，表明瞬變電磁法可以在其他類似領(lǐng)域?qū)ふ业叵滤Y源問題提供參考。