EH—4電磁成像系統(tǒng)在探測煤礦采空區(qū)中的應用

劉貴生?李明?何團

摘 要：由于小煤窯對某大礦的越境盜采，嚴重影響了大礦的安全生產。利用EH-4電磁成像系統(tǒng)對未知采空區(qū)區(qū)域進行物理探測，根據(jù)二維反演生成深度-電阻率等值線圖，結合已有的煤礦地質資料，確定采空區(qū)的影響范圍，為大礦下階段的巷道布置和開采提供依據(jù)。

關鍵詞：EH-4電磁成像系統(tǒng)；物理探測；采空區(qū)；電阻率

0 引言

煤礦采空區(qū)是指在煤礦作業(yè)過程中，將地下煤炭或煤矸石等開采完成后留下的空洞或空腔，未知的采空區(qū)會給煤礦的安全生產造成嚴重威脅。目前，采空區(qū)的探測方法大體分為現(xiàn)場調查、物探與鉆探等方法。在實際工作中，通常是首先收集相關資料和進行現(xiàn)場調查，然后利用各種物探方法進行探測，最后對典型區(qū)域以鉆探方法來驗證、修正，使得物探資料解釋更符合實際地質情況[1]。

EH-4電磁成像系統(tǒng)（簡稱EH-4系統(tǒng)），是由美國GEOMETRICS和EMI公司聯(lián)合生產，采用了最新的數(shù)字信號處理器的硬、軟件裝置。該系統(tǒng)屬于人工電磁場源與天然電磁場源相結合的一種大地電磁測深系統(tǒng)，是目前國際上先進的電磁法勘探手段之一。近年來，EH-4電磁成像系統(tǒng)在尋找礦產資源，地下水，探測地質構造、采空區(qū)等方面有了很多的應用，并且取得了很好的效果。

1 EH-4系統(tǒng)電磁測原理及特點[2]

EH-4電磁成像系統(tǒng)屬于部分可控源與天然源相結合的一種大地電磁測深系統(tǒng)，深部構造通過天然背景場源成像，其訊息源為0.01～100.00kHz。淺部構造則通過一個新型的便攜式低功率發(fā)射器發(fā)射1～100 kHz人工電磁訊號，補償天然訊號的不足，從而獲得高分辨率的成像。將大地看作水平介質，大地電磁場是垂直投射到地下的平面電磁波，則在地面上可觀測到相互正交的電磁場分量為Ex，Ey，Hx，Hy。通過測量相互正交的電場和磁場分量，可確定介質的電阻率ρ值，即

（1）

其中f為頻率。由于地下介質是不均勻的，因而ρ值稱為視電阻率值。探測深度理論上為一個趨膚深度δ，即：

（2）

式（2）表明，電磁波的趨膚深度隨電阻率的增加和頻率的降低而增大。采空區(qū)探測采用EH4連續(xù)電導率剖面儀。該儀器采用獨特的正交磁偶極可控源，結合地震儀技術，可自動、多頻率采集數(shù)據(jù)，勘探深度為幾米至一千多米，可現(xiàn)場實時成像。EH4電磁成像系統(tǒng)與其他物探方法相比，具有以下一些特點：

（1）采用人工場源與天然場源共同作用的方式，人工場源彌補了天然場源的在某些頻段的不足，使該系統(tǒng)在10 Hz～100 kHz的范圍內獲得連續(xù)的有效信號。人工場源對解決淺部地質問題尤為有用。

（2）EH-4系統(tǒng)既具有有源電磁法的穩(wěn)定性，又具有無源電磁法的節(jié)能和輕便的特點，它能同時接收和分析X、Y兩個方向的電場和磁場，反演X-Y電導率張量剖面，對判斷二維構造特別有利。

（3）EH-4的測量系統(tǒng)和發(fā)射裝置都比較輕便，測量速度快，同時該系統(tǒng)具有較高的分辨率，為探測某些小的地質構造和區(qū)分電阻率差異不大的地層提供了可能性。

2 煤礦采空區(qū)的探測機理

煤層賦存于成層分布的煤系地層中，煤層被開采后形成采空區(qū)，破壞了原有的應力平衡狀態(tài)。當開采面積較小時，由于殘留煤柱較多，壓力轉移到煤柱上，未引起地層塌落、變形，采空區(qū)以充水或不充水的空洞形式保存下來；但多數(shù)采空區(qū)在重力和地層應力作用下，頂板塌落，形成垮落帶、裂隙帶和彎曲帶[3]。這些地質因素的變化，使得采空區(qū)及其上部地層的地球物理特征發(fā)生了顯著變化，主要表現(xiàn)為：煤層采空區(qū)垮落帶與完整地層相比，巖性變得疏松、密實度降低，其內部充填的松散物的視電阻率明顯高于周圍介質，在電性上表現(xiàn)為高阻異常；煤層采空區(qū)裂隙帶與完整地層相比，巖性沒有發(fā)生明顯的變化，但由于裂隙帶內巖石的裂隙發(fā)育，裂隙中的充入空氣致使導電性降低，在電性上也表現(xiàn)為高阻異常[4]。這種電性變化為以導電性差異為EH-4大地電磁法的應用提供了物理應用前提。

3 EH-4在采空區(qū)探測中的應用實例

3.1 探測方案的確定

為了查明小煤窯越境盜采引起的采空區(qū)的分布區(qū)域，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況在大礦內沿井田邊界線布置了一條測線，測線長度為300m。然后依據(jù)測線的勘探結果確定出采空區(qū)的位置，為采取科學合理的治理措施提供依據(jù)，測線布置見圖1。

3.2 現(xiàn)場探測技術及過程

EH-4電磁成像系統(tǒng)由電源、主機、前置放大器（AFE）、磁傳感器（Hx，Hy）與帶有緩沖器的電極（Ex，Ey）組成。野外探測時將它們依次連接即可對一點進行數(shù)據(jù)采集，依此方法實現(xiàn)對整條測線的數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)探測目的、探測條件和地形、地物等因素，一般選擇電極距20m最佳。此時使測點距等于電偶極距，實現(xiàn)首尾相連的完整覆蓋觀測而形成電阻率探測剖面。電偶極方向應采用羅盤儀定向，用皮尺測量偶極水平距離，并進行地形改正，誤差應小于1m，方位差小于1°。

磁棒離前置放大器的距離應大于5m，為了消除人文因素的干擾，磁棒最好要埋在地下，保證其平穩(wěn)，用羅盤儀定向使 Hy磁棒與電極線垂直，誤差控制在 < ± 5°，并用水平尺確定其保持水平。所有的工作人員離開磁棒至少 5m，盡量選擇遠離房屋、電纜、大樹的地方布置磁棒。

主機應遠離測量點，避免近場干擾，使測量點位于主機的遠場區(qū)域，一般來講主機應遠離測點10m以上。

EH-4 電磁成像系統(tǒng)自帶的簡易數(shù)據(jù)處理軟件操作處理流程為：啟動IMAGEM→修改圖形顯示坐標OPTIONS （含電極坐標、頻率比例、電阻率比例、深度比例、相關度、數(shù)據(jù)坐標等）→數(shù)據(jù)分析DATA ANALYSIS （查看數(shù)據(jù)等）→一維分析1-DANALYSIS （分析刪除電阻率曲線）→二維電阻率剖面分析2-D ANALYSIS （含圓滑系數(shù)、剖面起始點、剖面終點、反演繪圖、保存反演數(shù)據(jù)文件等）→surfer繪圖→修飾調整→最終成果圖[5]。EH4電磁成像系統(tǒng)布置見圖2。

3.3 探測成果分析

經(jīng)過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測，測線各測點所采集的數(shù)據(jù)均是可靠的。對采集的連續(xù)測點數(shù)據(jù)行二維聯(lián)合處理，完成EMAP靜態(tài)校正及平滑處理后最終獲得電阻率斷面圖。測線的EH-4二維反演剖面見圖3。

圖3為測線的二維反演剖面圖，圖中有1處高阻異常區(qū)，影響范圍較大，深度在地表下280 ～370 m之間，水平范圍在測線0～240 m之間，該異常區(qū)域扁平，等值線密集。該段測線臨近Ⅰ勘探線，將測線投影至Ⅰ勘探線上，得到測線范圍對應于煤層的水平與垂直范圍見圖3-4中的斜線陰影部分，煤層賦存特征參照Ⅰ勘探線剖面。如圖所示，在探測線范圍內的煤層標高為110m～210m，此范圍地面標高480m左右，得出煤層埋深270m～370m。從兩個圖中可以看出，探測的異常區(qū)走勢與煤層傾斜方向一致，深度基本上吻合，依次推斷此高阻異常區(qū)為采空區(qū)影響區(qū)域。因此，可以確定小煤窯已經(jīng)越境盜采，盜采形成的采空區(qū)的水平范圍在0～240 m之間，深度在地表下280 ～370 m之間。

3 結論

理論與實踐證明，EH-4系統(tǒng)具有較高的分辨率，可以進行實時數(shù)據(jù)處理和顯示，資料解釋簡捷，圖像直觀，EH-4 電磁測深技術能夠有效的探測煤層采空區(qū)，并且確定采空區(qū)的空間范圍，為以后采空區(qū)、地下空洞以及巖性分帶等地質現(xiàn)象的探測提供了一種可靠手段。

參考文獻

[1] 劉士毅，孫文珂等.我國物探化探找礦思路與經(jīng)驗初析[J].物探與化探，2004，28（1）：1 -9.

[2] 昌彥君，王華軍，羅延鐘.EH-4系統(tǒng)觀測資料的非遠區(qū)場校正研究[J].吉林大學學報（地球科學版），2002，32（2）：177 -180.

[3] 錢鳴高.礦山壓力與巖層控制.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2003.

[4] 于愛軍. EH4電導率測量的數(shù)據(jù)表達形式[J].黃金地質，2004， 10（4）： 66.

[5] 徐德利.EH4電法測量在峪耳崖金礦區(qū)的應用[J].地球學報， 2004， 25（1）： 79.

作者簡介

劉貴生（1962-），阜新礦業(yè)（集團）有限責任公司，男，遼寧省阜新縣人，本科，高級工程師。

李明，遼寧工程技術大學 機械學院。

何團，遼寧工程技術大學 礦業(yè)學院。