瞬變電磁法在勘探煤礦采空區中的應用

黃歡HUANG Huan；李峰LI Feng

（冀中能源股份有限公司邯鄲郭二莊礦，邯鄲 056303）

（Guoerzhuang Coal Mine of Jizhong Energy Handan Mining Group，Handan 056303，China）

0 引言

近年來，小煤窯開采已經淡出公眾的視線，但是經過多年的開采，遺留下大量的小煤窯采空區。由于小煤窯開采技術條件較落后，所造成的采空區位置一般離地表較淺，并且具有很大的不確定和未知性。隨著城市規劃等建設逐步向周邊擴大發展，一部分的工業場地會建在遺留采空區的上部，為了保證安全以及合理規劃廠房的位置，就需要準確地圈定這些采空區的位置和范圍，為下一步的規劃設計以及施工建設提供第一手可靠資料。瞬變電磁法在一次場斷電的瞬間觀測純二次場，消除了由一次場產生的裝置耦合噪聲，具有體積效應小、橫向分辨率高、與探測地質體有最佳耦合、受旁側地質體影響小的特點，它以其無損性、簡單高效性成為解決很多工程地質問題的首選[1～2]。

1 采空區地球物理特征

地層中的煤被開采以后，在地下巖層形成一定的空間，采空區上方巖層由于失去煤層的支撐，在重力作用下發生塌陷，煤層上覆巖體失去原有平衡發生一定程度巖移，破壞了巖石的完整性、連續性，致使巖層破碎出現大量裂隙[3]。當發育的裂隙間沒有充水時，該處電阻率會比完整巖石處的電阻率偏高，不明顯時則視電阻率等值線會出現異常波動，明顯時則表現出相對高阻特性；當采空區域的裂隙被水或泥質物體充填后，該處的電阻率值將明顯低于完整圍巖的電阻率，表現出一定的低阻特征。不管是表現出高阻異常還是低阻異常，采空區的視電阻率值與未采區有明顯差異，這種差異正是瞬變電磁法探測采空區的地球物理前提。

2 工程實例

2.1 地質概況

該市屬于干燥的寒溫帶大陸性季風氣候，溫差較大。本區域主要含煤地層為侏羅系下花園組，共含有四個煤分層，即Ⅰ組煤、Ⅱ組煤、Ⅲ組煤和Ⅳ組煤，同時地表主要分布著全新統黃土砂礫混合組成的坡洪積物。鄉鎮煤礦及小窯開采煤層主要為Ⅱ組煤，一般在30m-150m，采空區埋深較淺，但無可靠采掘資料，本次工作的目的是確定100m以淺的采空區分布范圍。

2.2 測線分析

在視電阻率擬斷面圖上，正常地層的電性變化有一定的規律性，反映在擬斷面圖上為視電阻率等值線呈似層狀分布，變化平緩；相反，當存在采空區（含水）時，則視電阻率值增大（降低），等值線發生扭曲、變形或呈密集條帶狀等。通過分析測區附近已知采空區以及該礦采掘工程平面圖等地質資料后，確定該測區電性反映為相對高阻異常特征，根據實驗線的采集數據推測圈定采空區范圍的視電阻率值下限為30Ω·m。本次工作區域內地表平坦，基本沒有起伏，共布置測線35 條，施工面積0.066km2，測網密度10*5m，完整覆蓋了整個測區。

下面以3、12 測線為例簡要分析。

3 線由西向東布置，稍微北偏23°，共39 個測點，點距5m，長190m。地形平緩。擬斷面圖1 上，1～5 與12-39 測點視電阻率值均＜30Ω·m，等值線無明顯扭曲，推斷為正常區；6～11 測點視電阻率值 ≥30Ω·m，推斷為采空區。

圖1 3 線視電阻率斷面圖

12 線由西向東布置，稍微北 偏23°，共43 個測點，點距5m，長210m。地形平緩。圖3 中17～21 與29～43測點視電阻率值均＜30Ω·m，等值線無明顯扭曲，推斷為正常區；1～16 與22～28 測點視電阻率值≥30Ω·m，推斷為采空區。

圖2 12 線視電阻率斷面圖

圖3 工業園采空區范圍分布平面圖

3 結果分析

結合每條測線上的視電阻率剖面數據，得到整個工作區域的采空區分布范圍，疊加到工業園部分的地形圖上，所得結果如圖3 所示。

測區內的采空區由于多數是小煤窯開采，所以形狀不規則，根據瞬變電磁法探測結果，推斷測區內采空區主要集中在西北部和中部。測區南部的測線長度逐漸變短，所以西南部不能確定是否存在采空區，在采空區的邊界布置驗證鉆孔ZK1，當鉆進到距地表20m 時發現采空區。

4 結語

勘察實踐表明，具有高分辨率以及高靈敏度的瞬變電磁儀器使得瞬變電磁法在解決精細地質問題方面顯示了獨特的優勢，選擇合理的技術參數，通過瞬變電磁法可以快速獲得淺部至中、大深度地層的電性信息，能夠較好的解決采空區探測等地質問題，取得令人滿意的探測結果。瞬變電磁法施工簡單、經濟合理兼具有無損性，能很好的滿足各種地質工程問題。但同時由于物探結果的多解性，應該認真對比已有的地質資料，找出最佳耦合結果。

[1]牛之璉.時間域電磁法原理[M].長沙：中南工業大學出版社，2000：54-55.

[2]韓玉雷.瞬變電磁激發激化效應的利用工程地球物理學報[J].2006，3（5）：366-369.

[3]熊彬，羅延鐘.電導率分塊均勻的瞬變電磁2.5 維有限元數值模似[J].地球物理學報，2006，49（2）：590-597.