瞬變電磁法在煤礦采空區探測中的應用

劉 亮 顧廣宇

（江蘇煤炭地質局普查隊，江蘇 徐州 221006）

1 概述

老煤礦開采形成的采空區是礦區安全生產的重大隱患，嚴重威脅礦區的安全生產和人民生命財產安全。采空區冒落、地表塌陷易造成民房下沉裂損甚至倒塌，公路、鐵路、水利等基礎設施損壞和生態環境破壞。采空探測問題在礦山安全生產、人民生命財產安全和基礎設施建設方面顯得尤為重要。電法勘探是采空區探測的傳統方法，探測精度高，其中瞬變電磁法（TEM）作為一種時間域電磁勘探方法在采空區探測方面行之有效，該方法具有適應性強受地形影響小，裝置簡單，工作成本低，效率高等優點，適用于復雜地形情況下的中淺層勘探。

2 采空區地球物理特征

煤層賦存于成層分布的煤系地層中，地下局部煤層采出后，在巖體內形成有一定規模的空間，周圍的應力平衡狀態遭到破壞，會產生局部的應力集中，當開采面積較小 ， 且煤層頂板為塑性巖性并保存完整時 ， 由于殘留煤柱較多 ，應力轉移到煤柱上 ， 未引起地層變動 ，采空區以充水或不充水的空洞形式保存下來 ;但多數采空區頂板在上覆巖層壓力作用下、發生變形，斷裂移位、冒落形成垮落帶 、斷裂帶和彎曲下沉帶（如圖1所示）。 由于各自的地質條件不同，采空區被空氣、地下水、泥沙等介質所填充，采空區內介質和圍巖相比都存在明顯的物性差異，這是物探方法探測的地球物理前提條件。

煤層采空后，上覆地層中裂隙廣為發育，地層變得松散失水，甚至坍塌，使得電磁波的能量衰減加大，干擾加強，地層的導電性明顯減弱，形成相對高阻電性特征；當地下水沿破碎巖層和裂隙向采空區匯集并溶解大量的電解質時，導電性加強，表現為低阻電性特征。由于地下水的充填及地表水沿裂隙向采空區滲漏，其電阻率將明顯發生變化，與圍巖電性形成明顯的差異，瞬變電磁法正是利用這一物理前提來探測地下采空區的。

3 TEM勘探原理和優點

瞬變電磁法是地球物理探測的主要手段之一，通過向地下發射電磁波激勵地下目標，接收其產生的二次場，確定被測目標的物理參數。在地表敷設不接地線框，輸入階躍電流，當回線中電流突然斷開時，在下半空間就要激勵起感應渦流以維持斷開電流前已存在的磁場，并且此渦流場隨時間以等效渦流環的形式向下傳播、向外擴展，利用不接地線圈、或地面中心探頭觀測此二次渦流磁場或電場的變化情況，用以研究淺層至中深層的地電結構（其工作原理見圖2）。

瞬變電磁法與其它物探方法相比具有許多優勢和特點：

（1）該方法觀測和研究的是“二次場”即純異常場，不存在一次場的背景干擾。（2）具有穿透高阻覆蓋層的能力，優于傳導類電法探測。（3）異常響應強，形態簡單，分層能力強。（4）地形影響小，測量簡單，工作效率高。（5）具有對接地條件要求較低，體積效應小。

4 工程實例及應用效果分析

4.1 儀器和參數選擇

勘探區位于江蘇省徐州市北部微山湖畔某礦區內。施工中使用美國Zonge公司生產的GDP32Ⅱ多功能電法儀，方法為中心回線瞬變電磁法（TEM）測量，儀器的性能指標為工作頻率0.063 -8192 Hz，輸入阻抗10 mΩ/DC，動態范圍190 dB，時鐘穩定度﹤5×10-10/24h，最小檢測信號0.03μV、相位±0.1 mard，最大輸入信號電壓±32V，自動補償電壓±2.25V，增益1/8-65536（自動）。

根據該區的地質結構、地形特征綜合考慮確定施工參數為：發送邊長：240m×240m ；發送電流：10A；發送頻率：8Hz；關斷時間：0.079ms；疊加次數64次，每個點采集28道數據。根據本區地形地質情況并考慮地質任務要求，本次瞬變電磁測線布置方向選擇NW15°48′，基本垂直于區域內的斷層走向，本次勘察在測區內布置24條測線，使用40m線距，40m點距布置主測網，在測區中部加密為40m線距，20m點距的輔助測網。

圖1 煤層采空區塌陷垂直“三帶”示意圖

圖2 瞬變電磁原理示意圖

圖3 L9線視電阻率斷面圖

4.2 剖面圖圖分析

野外采集的數據經過畸變點剔除，軟件預處理，編輯處理，濾波圓滑，計算反演視電阻率后利用繪圖軟件繪制圖形得24條測線的視電阻率斷面圖。由于各條剖面電性、異常特征基本一致，下面僅選取比較典型的了L9線剖面圖進行分析。

圖3為9線剖面圖。如圖所示該處地層在電性特征上可分為4層，第1層從地面到高程0米，電阻率在0～5Ω·m，電阻率相對較低，電阻率等值線較集中；第2 層從高層0～-150米，電阻率在5～20Ω·m且電阻率等值線有向圖3。

下彎曲趨勢；第3 層從高層-150米到1煤煤層線附近，電阻率在20～40Ω·m，電阻率相對較高且電阻率等值線呈網罩狀分布。第4層在1煤煤層線附近，電阻率在8～16Ω·m，電阻率等值線向下彎曲。以上分層和圖1的煤層采空區塌陷垂直分層相對應，說明瞬變電磁法能很好的反映測區地層的分層情況，應用在探測采空區塌陷方面效果良好。

如圖3所示該線的50號點附近有一鉆孔，鉆孔編號Ⅲ-2，井口標高為34.19米，1煤標高-151.41米，該點的煤層距離地面185.60米。據此鉆孔資料，此處煤層較薄未做開采，由此可以確定1煤層電性參數，其視電阻率在18Ω·m左右，該處為下二迭統下石盒子組1號煤層，該線66點至70點間在1煤煤層線位置處存在一個相對低阻異常區Ⅰ區（圖中用紅色橢圓標出），視電阻率等值線呈團塊狀封閉圈且具有“上凸” 電性特征，Ⅰ區正處在該礦1309采煤工作面上，煤層采厚2.23m，由本地區以往煤層厚度和采空區垮落帶高度關系得該區垮落帶高度約30m，這和Ⅰ區煤層線上方異常區的高度基本一致，另外在該區上方有明顯的斷裂帶和彎曲下沉帶發育，采空區特征明顯，推斷此處為具有冒落塌陷含水特征的低阻異常采空區。圖上Ⅱ區為相對高阻異常（圖中用藍色橢圓標出），該異常區所在位置沒有采煤工作面分布，不存在采空的可能，由于掌握的地質資料較少此處的異常很難做出定性的解釋，此處地面上有條輸電線經過，推斷此處異常和地面輸電線有一定的關系。

結論

通過對以上實例分析研究和其他采空區項目探測證明，選擇合理的參數和儀器裝置，瞬變電磁法在采空區的探測方面應用會取得很好的效果。瞬變電磁法在探測煤礦采空區的應用歸納如下幾點：（1）根據采空區的地球物理特征，運用瞬變電磁法，通過分析電阻率斷面圖結合煤層底板等高線可以準確的探測出采空區的空間分布情況。（2）瞬變電磁法雖然具有抗干擾能力強，受地形因素，體積效應影響小、能穿透高阻覆蓋層等特點，但高壓線和地形情況的影響不容忽視，如果不能采取有效的措施消除或降低影響，可能會對采空區的探測產生較大影響。（3）雖然瞬變電磁的優點明顯，但是單一的物探方法往往對地質異常體很難定性，必須輔助其它物探方法，對地質異常體進行綜合解釋，必要時還需要一定的鉆探工作進行驗證。隨著研究工作的不斷深人，瞬變電磁法應用在采空區探測方面將有十分廣闊的前景。

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