瞬變電磁法在煤下鋁采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用研究

梁芳敏，潘 巖，魏繼祖，趙錫巖，胡書禮

（河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì)，洛陽(yáng) 471002）

瞬變電磁法在煤下鋁采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用研究

梁芳敏，潘 巖，魏繼祖，趙錫巖，胡書禮

（河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì)，洛陽(yáng) 471002）

采煤后遺留的采空區(qū)是對(duì)煤下鋁勘探工作的隱患，這里采用地球物理方法中的瞬變電磁法解決采空區(qū)的空間分布問題。針對(duì)采空區(qū)特定的地質(zhì)條件選擇了中心回線裝置，并結(jié)合鉆孔資料采用1D、2D反演方法確定了采空區(qū)的影響邊界。實(shí)踐證明，TEM方法在采空區(qū)勘探當(dāng)中是一種有效的方法。

瞬變電磁法；采空區(qū)；異常響應(yīng)

0 引言

煤礦采空區(qū)是煤下鋁勘查中面臨的主要問題之一，在實(shí)際工作區(qū)內(nèi)多為小煤礦，由于設(shè)計(jì)和開拓資料不全或丟失，無法確定其位置和邊界，且部分小煤礦已經(jīng)關(guān)閉，無法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，在煤下鋁勘查工作中，煤礦采空區(qū)嚴(yán)重制約了鉆探施工進(jìn)度和鉆孔質(zhì)量，對(duì)煤下鋁勘查工作也形成了潛在的安全隱患。確定采空區(qū)的空間位置、充填狀態(tài)、連通性等情況，查明采空區(qū)的空間賦存特征，為煤下鋁勘查提供保障，在地質(zhì)勘查前期對(duì)采空區(qū)進(jìn)行勘查與評(píng)價(jià)，是十分必要的。

瞬變電磁法以成本低、體積效應(yīng)小、橫向分辨率高、工作效率高、與探測(cè)目標(biāo)體耦合性最佳等顯著特點(diǎn)，被認(rèn)為是探測(cè)煤礦采空區(qū)位置最佳物探方法之一，得到了廣泛應(yīng)用。

1 方法原理

瞬變電磁法是用不接地回線或接地導(dǎo)線通以脈沖電流作為場(chǎng)源，向地下發(fā)射一次場(chǎng)，在一次場(chǎng)間歇期間觀測(cè)由地下介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)二次場(chǎng)隨時(shí)間變化的特征，從而判斷地下不均勻體的賦存位置、形態(tài)和電性特征，以達(dá)到尋找各種地質(zhì)目標(biāo)體的一種地球物理勘探方法。

將瞬變電磁法應(yīng)用于煤礦采空區(qū)探測(cè)的前提是采空區(qū)與圍巖存在電阻率差異，相對(duì)于圍巖來說，采空區(qū)電性反映為高阻，當(dāng)其充水后，電性表現(xiàn)為低阻據(jù)此可以把采空區(qū)從地質(zhì)背景中區(qū)分出來。

2 采空區(qū)地球物理特征

當(dāng)煤層頂、底板巖層完整時(shí)其電阻率較高，若地下煤層被采空，形成空洞或被地下水、沖積物充填，其上覆蓋層因承壓發(fā)生形變、坍塌，砂巖、灰?guī)r常發(fā)育有破碎裂隙，電阻率就會(huì)迅速變化。采空區(qū)可分為充水和不充水兩種地球物理模式，①若采空區(qū)內(nèi)充水，則會(huì)呈低電阻率反映；②若未充水，則會(huì)呈高電阻率反映。地層的層序及結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，與正常層序地層形成差異，巖層的電導(dǎo)率和介電常數(shù)隨之改變，其電阻率差異明顯，變化范圍較大，分析對(duì)比電性參數(shù)、區(qū)分電性差異，尋找異常區(qū)來劃分采空及積水范圍，是瞬變電磁法應(yīng)用的理論依據(jù)。

3 研究區(qū)概況

3．1 地質(zhì)概況

研究區(qū)處于華北地臺(tái)南緣，屬洛安地塊澠池—確山陷褶斷束，基底主要由太古界古老變質(zhì)巖和元古界沉積—變質(zhì)巖系組成，其上沉積有古生界、中生界、新生界地層。區(qū)內(nèi)地層走向大致為N20°～80°E，傾向南東，傾角8°～20°。根據(jù)鉆孔資料及煤礦揭露的地層資料，地層從老到新依次為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、石炭系上統(tǒng)本溪組和太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、新近系和第四系。區(qū)內(nèi)主要可采煤層為二1煤，二1煤頂板為灰白色厚層中粒含云母石英砂巖，厚為10m～22m。

3．2 物性參數(shù)特征

前人曾在河南省內(nèi)多個(gè)鋁土礦區(qū)進(jìn)行過電參數(shù)測(cè)定工作，取得了較多的物性參數(shù)資料。通過收集整理河南省內(nèi)部分鋁土礦區(qū)主要地層巖性電阻率參數(shù)［1］、河南省重要鋁土礦區(qū)巖礦石的物性參數(shù)［2］，并結(jié)合研究區(qū)物探工作取得的成果，將本區(qū)電性特點(diǎn)整理見表1。

4 方法有效性試驗(yàn)

表1 工區(qū)地層巖性及巖礦石電性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Tab．1 The statistical chart of stratum lithology and electrical parameters of ores in work area

為深入了解瞬變電磁法對(duì)采空區(qū)探測(cè)的有效性，確定技術(shù)方法在采空區(qū)不同位置的異常響應(yīng)特征，在大面積投入工作之前，首先在典型工區(qū)（已知采空區(qū)）進(jìn)行方法有效性試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)地踏勘及資料收集，了解已知采空區(qū)的分布，在跨越Ⅰ＃已知采空區(qū)布設(shè)1條試驗(yàn)剖面長(zhǎng)為700m，點(diǎn)距為100 m（其他剖面點(diǎn)距為50m），見圖1。本次野外觀測(cè)使用加拿大鳳凰公司的的V8多功能電法工作站的瞬變電磁模塊，發(fā)射基頻為25Hz，采用100m×100m中心回線裝置。

圖1 研究區(qū)瞬變電磁工作布置圖Fig．1 Arrangement diagram of TEM in the area

圖2為瞬變電磁試驗(yàn)剖面反演解釋斷面圖。由圖2可見，淺部電性呈現(xiàn)橫向比較均勻、縱向漸增的規(guī)律性變化，電阻率等值線的疏密變化明顯，總體上為兩個(gè)明顯的電性分界面，分別反映了第四系與二疊地層、煤系地層與奧陶系灰?guī)r的分界面。第一與第二電性界面之間為一相對(duì)水平的高阻異常，并有異常間互現(xiàn)象，反映了二疊系下石盒子組地層的巖性變化特征，在第二個(gè)明顯分界面以下出現(xiàn)大片低阻，為已知采空區(qū)的異常反應(yīng)，影響深度范圍在標(biāo)高為150m～220m。低阻異常有下延趨勢(shì)，這與瞬變電磁測(cè)深的反演算法局限性及區(qū)內(nèi)復(fù)雜的地質(zhì)條件密切相關(guān)，推測(cè)采空區(qū)的低阻顯示與其所處黃河堤岸塌陷區(qū)有關(guān)，沿裂隙滲水比較嚴(yán)重，電阻率較低。由此可見，瞬變電磁法對(duì)充水采空區(qū)均反應(yīng)出明顯的低阻異常，表明其在該區(qū)探測(cè)充水采空區(qū)是有效可行的。

圖2 已知采空區(qū)瞬變電磁試驗(yàn)剖面反演解釋斷面圖Fig．2 Inversed results for the test profile of TEM in the known goaf area

通過對(duì)試驗(yàn)剖面的分析解釋，為我們利用瞬變電磁測(cè)深尋找采空區(qū)提供了標(biāo)志性的指示特征：充水采空區(qū)主要表現(xiàn)為低阻，一般影響范圍較大，其在剖面上往往表現(xiàn)為連續(xù)多個(gè)測(cè)點(diǎn)在接近奧陶系灰?guī)r的深度上的低阻異常，形成較大規(guī)模的低阻區(qū)，結(jié)合對(duì)剖面異常的分析及鉆孔資料的揭露得出，采空影響區(qū)電阻率對(duì)數(shù)值變化范圍為0．6～2．6，其中瞬變電磁異常向下不封閉，結(jié)合地層情況可對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。

5 研究區(qū)剖面解釋

在確定了方法的有效性之后，結(jié)合地質(zhì)任務(wù)及研究區(qū)的地層走向，全區(qū)均勻布置共21條測(cè)線，方位為140°，測(cè)線方向與地質(zhì)勘探線平行，網(wǎng)度100m ×50m，點(diǎn)距為50m（圖1）。每條剖面進(jìn)行逐一定性分析，依據(jù)典型工區(qū)試驗(yàn)剖面對(duì)采空區(qū)所反應(yīng)的異常特征及采空區(qū)地球物理模式和劃分標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合鉆孔資料，對(duì)剖面各異常情況做出合理的推斷。同時(shí)由各剖面反演結(jié)果的分析得知，其地層電阻率變化規(guī)律與在已知鉆孔上進(jìn)行的正演擬合結(jié)果相同，但反演的地層深度偏深，根據(jù)各已知鉆孔正演擬合（或鉆孔的實(shí)際地層深度）與反演深度差異，計(jì)算得出反演深度的平均校正系數(shù)為0．66，并對(duì)研究區(qū)所有剖面的反演結(jié)果進(jìn)行了深度校正。

5．1 已知鉆孔的瞬變電磁法定量解釋

為進(jìn)一步了解瞬變電磁法定量解釋結(jié)果的可靠性，對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)收集到鉆孔資料的8個(gè)鉆孔的瞬變電磁測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行了正演擬合解釋。首先根據(jù)已知鉆孔資料揭示的各電性層厚度和各電性層的電阻率參數(shù)，建立地層模型，然后不斷修改層參數(shù)直到理論曲線與實(shí)測(cè)曲線擬合最好，為數(shù)據(jù)的最終反演提供了合適的模型。以ZK1068、ZK4016為例，其擬合情況見圖3、圖4，由圖可知，測(cè)曲線與理論曲線擬合較好，其分層情況與實(shí)際的鉆孔信息基本吻合，這說明瞬變電磁測(cè)深資料能夠正確反映地層電性的垂向變化情況，通過鉆孔擬合確定了區(qū)內(nèi)地層對(duì)應(yīng)的電性層特點(diǎn)，為劃分地層和對(duì)比異常建立了合理的依據(jù)。在正演擬合計(jì)算中，奧陶系的高阻地層深度始終是地層模型的約束因素。

圖3 114線ZK1608孔正演擬合Fig．3 The forward fitting for ZK1608of line 114

圖4 138線ZK4016正演擬合Fig．4 The forward fitting for ZK4016of line 138

5．2 瞬變電磁典型剖面解釋

5．2．1 瞬變電磁122剖面

瞬變電磁122線長(zhǎng)為1 200m，如圖1所示。測(cè)線300－600號(hào)點(diǎn)通過Ⅱ＃號(hào)充水采空區(qū)，其反演結(jié)果見圖5，由圖5可知，淺部電性呈現(xiàn)橫向比較均勻、縱向漸增的規(guī)律性變化，電阻率等值線的疏密變化明顯，即第四系與二疊地層的分界面較為明顯，深部由于受充水采空區(qū)及斷層的影響，電性分界面不明顯，且不連續(xù)。測(cè)線300－500號(hào)點(diǎn)下方，標(biāo)高為200m左右出現(xiàn)電阻率值從高到低的過度，并且低阻異常有下延趨勢(shì)，與試驗(yàn)剖面對(duì)充水采空區(qū)所反應(yīng)的異常特征相類似，故推斷該低阻異常為Ⅱ＃號(hào)充水采空區(qū)的反應(yīng)，鉆孔ZK2400標(biāo)高為206m遇采空區(qū)頂板（采空區(qū)高度4．56m），證實(shí)了采空區(qū)的存在，且頂板標(biāo)高與等值線突變標(biāo)高基本一致。在測(cè)線1000 －1100號(hào)點(diǎn)下方出現(xiàn)低阻異常帶，推測(cè)為斷層反應(yīng)。

圖5 122線瞬變電磁測(cè)深反演解釋斷面圖Fig．5 Inversed results for line 122of TEM

5．2．2 瞬變電磁130剖面

130剖面長(zhǎng)為1 450m，測(cè)線通過Ⅳ＃、Ⅲ＃號(hào)采空區(qū)，其中Ⅳ＃采空區(qū)為充水模式，而Ⅲ＃采空區(qū)處在施工采煤區(qū)域，應(yīng)為未充水模式，根據(jù)收集的已知采空區(qū)資料，測(cè)線西北端150－400號(hào)點(diǎn)段通過Ⅳ＃采空區(qū)，870－950號(hào)點(diǎn)段通過Ⅲ＃采空區(qū)。圖6為瞬變電磁130剖面反演解釋斷面圖，由圖6可知，其淺部電性橫向變化均勻，斷面整體上反應(yīng)了區(qū)內(nèi)地層電阻率從新到老漸增的變化趨勢(shì)，等值線的變化規(guī)律與上述的122剖面的變化規(guī)律相似，可較明顯分出兩個(gè)主要界面，即第四系與二疊地層的電性界面、煤系地層與奧陶灰?guī)r界面。兩個(gè)電性界面之間為一相對(duì)水平的高阻異常，并有異常間互現(xiàn)象，反映了二疊系下石盒子組地層的巖性變化特征：①在水平方向50－400號(hào)點(diǎn)，標(biāo)高為220左右靠近第二界面的深度上電阻率等值線密集，電阻率值急劇減小，并且隨深度增大持續(xù)降低，呈較大面積的低阻區(qū)，推測(cè)為充水采空影響區(qū)；②在水平方向1 300－1 400號(hào)點(diǎn)，標(biāo)高為160m左右，電阻率等值線變化急劇，并且向下出現(xiàn)低阻閉合圈，與試驗(yàn)剖面采空區(qū)異常特征有明顯區(qū)別，因有采煤巷道經(jīng)過，推測(cè)可能為未造成大面積塌陷的充水采空區(qū)異常反應(yīng)；③在測(cè)線1 250號(hào)點(diǎn)深部，斷面等值線出現(xiàn)了低阻到高阻突變帶，推測(cè)為斷層影響所致。在測(cè)線水平方向900號(hào)點(diǎn)處的鉆孔ZK3212在標(biāo)高為108．6m遇采空區(qū)頂板（采空區(qū)高度為3．7m），證實(shí)了Ⅲ＃已知采空區(qū)的真實(shí)性，斷面等值線在測(cè)線870－950號(hào)點(diǎn)，即正在開采的煤礦巷道的Ⅲ＃未充水采空區(qū)上方，應(yīng)表現(xiàn)為高阻異常，但電阻率值相對(duì)于背景高阻異常并不明顯，等值線形態(tài)上亦沒有明顯反應(yīng)，這與采空區(qū)規(guī)模以及采空區(qū)與圍巖沒有存在足夠大電性差異有關(guān)，也顯現(xiàn)了該方法在探測(cè)未充水采空區(qū)時(shí)靈敏度上不足。同時(shí)測(cè)線700號(hào)點(diǎn)處鉆孔ZK3208、測(cè)線1 100m處鉆孔ZK3216均無發(fā)現(xiàn)采空區(qū)，分層情況與實(shí)際的鉆孔信息基本吻合。

圖6 130線瞬變電磁測(cè)深反演解釋斷面圖Fig．6 Inversed results for line 130of TEM

6 綜合異常成果評(píng)價(jià)

研究區(qū)屬于中小型煤礦工作區(qū)，巷道斷面尺寸2．5×3．2m2，但已知鉆孔揭露的采空區(qū)高度均在3．2m以上。為進(jìn)一步確定采空區(qū)的空間特征，從平面上了解工區(qū)內(nèi)采空區(qū)的分布情況，結(jié)合采空區(qū)地球物理模式及劃分標(biāo)準(zhǔn)，及對(duì)瞬變電磁各剖面反演結(jié)果進(jìn)行分析解釋，將剖面上確定的采空范圍與煤系地層結(jié)合起來，在平面上最終圈定了兩個(gè)采空影響區(qū)，其編號(hào)分別為T－1、T－2（圖7）。采空區(qū)的分布規(guī)律比較明顯，所有采空區(qū)都被斷層穿越，且T－1異常區(qū)受多個(gè)斷層控制。這一現(xiàn)象說明，采空區(qū)雖然與采煤活動(dòng)有關(guān)，但其后期的發(fā)展與空間分布受斷層影響比較大，斷層的存在容易導(dǎo)致巖層破碎，從而使原本規(guī)模較小的采空區(qū)崩塌形成較大規(guī)模的塌陷區(qū)。

圖7 綜合解釋推斷圖Fig．7 Comprehensive interpretation map

7 結(jié)論

由瞬變電磁法對(duì)已知采空區(qū)反應(yīng)情況可知，對(duì)地下水位線以下低阻富水采空區(qū)反應(yīng)較好，反映的低阻異常均與已知采空區(qū)基本吻合，但處在地下水位線以上的未充水采空區(qū)高阻異常，相對(duì)于背景其反應(yīng)不明顯，這與采空區(qū)規(guī)模以及采空區(qū)與圍巖沒有存在足夠大的電性差異有很大關(guān)系，也顯現(xiàn)了該方法在探測(cè)未充水采空區(qū)靈敏度的不足，可嘗試通過改變調(diào)節(jié)測(cè)網(wǎng)密度、線框大小、發(fā)射頻率和發(fā)射電流等工作參數(shù)多次試驗(yàn)［3］，以使得在探測(cè)未充水采空區(qū)時(shí)取較好的效果。本次圈定的采空影響區(qū)均已得到了鉆孔資料的驗(yàn)證，圈定的異常區(qū)內(nèi)、外均與實(shí)際的鉆孔資料吻合，這充分表明了瞬變電磁測(cè)深對(duì)探測(cè)富水采空區(qū)是有效可行的，并且效果明顯。同時(shí)瞬變電磁法也存在一定的局限性：充水采空區(qū)低阻異常并未封閉，呈無限下延趨勢(shì)，這與V8TEMIX1D軟件Occam反演算法局限以及復(fù)雜的地質(zhì)條件有極大關(guān)系；瞬變電磁法的反演深度存在很大的不可靠性，因此要結(jié)合已知的鉆孔資料對(duì)其反演深度進(jìn)行校正，使其反演解釋盡可能的接近實(shí)際的地層情況。

通過本次在研究區(qū)內(nèi)瞬變電磁測(cè)深對(duì)采空區(qū)進(jìn)行的探測(cè)，利用已知采空區(qū)顯示的電性特征，對(duì)未知空白區(qū)做了合理的解釋，結(jié)合地質(zhì)資料推斷了采空影響區(qū)分布范圍及空間特征，為研究區(qū)煤下鋁勘查工作提供保障，同時(shí)也為今后全采空區(qū)探測(cè)提供一些經(jīng)驗(yàn)借鑒。

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The appliance research of transient electromagnetic method on detection of goaf in bauxite－coal mine area

LIANG Fang-min，PAN Yan，WEI Ji-zu，ZHAO Xi-yan，HU Shu-li
（Henan Provincial Non-ferrous Metals Geological and Mineral Resources Bureau No．6 Geological unit Team，LuoYang 471002，China）

Gob left after coal mining is a hidden danger for aluminum exploration．Transient electromagnetic method （TEM），one of the geophysical method is adopted to solve the problem of spatial distribution of gob in this paper．The central loop is chosed according to the special geological condition of gob．The influence boundary is determined by the 1Dand 2D TEM inversion mothod constrained with the drilling data．TEM is an effective method for gob exploration in practice．

transient electromagnetic method；goaf；abnormal response

P 631．3

A

10．3969／j．issn．1001-1749．2015．03．09

1001-1749（2015）03-0319-06

2014-08-12 改回日期：2014-10-16

河南省國(guó)土資源廳地質(zhì)科研項(xiàng)目（2011-622-15）

梁芳敏（1984－），女（壯族），工程師，從事地球物理勘探工作，E-mail：jiayu＿889＠163．com。