瞬變電磁法在采空區探測中的應用

米慶文（甘肅綜合鐵道工程承包有限公司，甘肅蘭州　730000）

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瞬變電磁法在采空區探測中的應用

米慶文
（甘肅綜合鐵道工程承包有限公司，甘肅蘭州730000）

摘要介紹了瞬變電磁法（TEM）的工作原理、現場工作方法、數據處理方法、探測結果的解譯分析情況，并使用瞬變電磁法對棗莊市某鐵路采空區進行探測。結果表明:瞬變電磁法探測采空區行之有效，具有探測深度大、受地形條件影響小、橫向分辨率高、探測時間短的特點，且能節省勘探費用；瞬變電磁法的野外測量方法、數據處理與解釋方法應根據地質條件有所選擇；裝置類型、線框大小、取樣延時（發射基頻）、疊加次數的選擇，測點的布置等應綜合考慮探測區地層物性、電性指標，采空區的埋深，場地電磁噪聲等因素。

關鍵詞瞬變電磁法；采空區；勘探驗證；探測效果

采空區是人為開采地下礦體而形成的空洞；采空區一般分為小型采空區和大面積采空區。大面積采空區一般技術先進、開采有序，采空區分布、埋深及頂板管理情況均有據可查；而小型采空區由于技術落后、管理混亂、大多為非法無序的私挖濫采，其分布范圍、埋深及頂板穩定情況均很難查清，給勘察工作帶來了極大的困難。

目前采空區的勘察思路主要為前期走訪調查、收集資料，在此基礎上進行物探，在物探成果指導下進行勘探驗證。當前常用的探測采空區的物探方法有直流電法、電磁波法、彈性波法等。隨著物探技術的不斷發展，物探在采空區勘察中起著越來越重要的作用。本文結合棗莊市某鐵路地質情況，采用瞬變電磁法對下伏小煤窯采空區進行了探測，通過鉆探、施工后檢測，證實該方法的效果。

1　瞬變電磁法工作原理

瞬變電磁法（TEM）亦稱時間域電磁感應法。是利用不接地回線或接地電極向地下發送脈沖式一次電磁場，在一次電磁場間歇期間利用另一回線或接地電極接收由地下介質產生的感應電場，即二次電磁場隨時間的變化。該二次電磁場是由地下不同導電介質受激勵引起的渦流產生的非穩定磁場，它與地下地質體有關。根據它的衰減特征，可以判斷地下地質體的電性、規模、產狀等。瞬變電磁法是近幾十年來發展起來的一種時間域電法勘查手段，在探測構造、采空區及巖溶等方面均有很好的效果。

瞬變電磁法具有以下特點：

①斷電后觀測純二次電磁場，免除了復雜的一次電磁場補償問題，受地形影響小；②單脈沖激發，可得到多信息的整條瞬變電磁場衰減曲線，從而節省時間；③采用不接地回線裝置，適宜于在各種地理環境下工作；④穿透低阻覆蓋能力強，探測深度大；⑤采用同點組合進行觀測，使測得的二次電磁場與欲測的地質體達到最佳耦合，從而得到形態規則、幅值大的電磁異常，且受旁側影響小，具有較高的橫向分辨率。

2　工程實例

2. 1工程簡介

擬探測采空區位于棗莊市市中區東側，線路里程DK4 + 200—DK5 + 300，地貌單元屬于沖洪積平原區，地形平坦、開闊。表層分布第四系沖洪積粉質黏土，厚度2～5 m，局部5～8 m；下伏基巖為二疊系、石炭系砂巖、頁巖及煤層，奧陶系石灰巖。可采煤層主要有2層，即2#煤、6#煤。其中2#煤賦存于二疊系山西組，煤層厚度0. 75～1. 20 m，全層平均厚度0. 66 m，頂板以頁巖、砂巖為主，底板以頁巖、砂質泥巖為主，煤層結構較簡單，屬穩定可采煤層，煤層埋深15～45 m；6#煤賦存于石炭系太原組，煤層厚度0. 50～0. 79 m，全層平均厚度0. 66 m，頂板以頁巖為主，底板以砂巖、砂質頁巖、頁巖為主，較為穩定，煤層結構較簡單，屬局部可采，煤層埋深29～50 m。場地地下水主要為基巖裂隙水，水位埋深6～10 m。

通過調查、收集的資料發現，該采空區充水，其視電阻率值低，而周圍巖土體視電阻率表現為高值，采空區與周圍巖土體電性差異較為顯著，具備采用瞬變電磁法探測的物性基礎。

2. 2瞬變電磁法現場工作方法

本次采用的是重慶奔騰數控技術研究所生產的WTEM-1瞬變電磁勘測系統，硬件由WTEM-1D大功率發射機、WTEM-1J接收機、線圈等組成，軟件系統由Windows版一維正、反演軟件、Surfer軟件、數據傳輸與格式軟件等組成。

測試中技術參數主要選取裝置類型、線框大小、取樣延時（發射基頻）、疊加次數、測點布置等。由于已知采空區在100 m以內，探測深度內巖土體的電阻率均不高，因此采用中心回線裝置。按照回線邊長L等于或略大于0. 5倍探測目標最大深度的原則，選用邊長為80 m的正方形線框作為發射線框，接收線框有效面積2 000 m2。沿線路縱向布置剖面，測試時發射回線和中心接收線圈沿剖面同步移動。測點布置根據實地地形地物和測繩量測距離定點，測點間距5 m，共布置測點221個，剖面總長1 100 m。為了壓制測區的干擾電磁信號，提高觀測資料的信噪比，應該選用較長的取樣延時（較小的發射基頻）、較多的疊加次數，可在現場開始工作之前做對比試驗。本次測試發射基頻選用0. 5 Hz，疊加次數取2 048次。

2. 3瞬變電磁法的數據處理方法

每個觀測點記錄的參數為時間道、采樣開始時間、采樣窗口寬度、發射電流、歸一化感應二次場、轉換后的磁感應強度值等。處理前應對數據進行初步分析和處理，去掉由激發極化響應產生的負值，截斷早期飽和效應產生的無效值，去掉噪音產生的蹦跳數值等，并將合格數據整理成專用數據處理軟件所需要的順序和格式，再對數據進行濾波，以濾除或壓制干擾信號，恢復信號的變化規律，突出地質信息，計算出視電阻率值、視探測深度等參數。在此基礎上，根據有關測量、地質、鉆探等資料再作必要的地形、高程校正，最后將所得數據由Surfer成圖軟件繪制成TEM視電阻率等值線斷面圖。

2. 4瞬變電磁法探測結果解譯

瞬變電磁法探測結果的解譯，主要根據TEM視電阻率等值線斷面圖的分布特征和形態，結合走訪調查、搜集的資料綜合確定。本區表層分布的覆蓋層視電阻率值在40～60 Ω·m，下部砂、頁巖視電阻率值在20～40 Ω·m，煤層視電阻率值在20～30 Ω·m，石灰巖視電阻率值在30～80 Ω·m。因此，正常情況下TEM視電阻率等值線斷面圖中除表層覆蓋層外，隨深度增加視電阻率值應該呈逐步增大的趨勢，若在煤層深度范圍內（考慮反演后深度偏差）出現連續的低阻異常，可確認為存在采空區或采空產生的裂隙、松動帶。本次探測中將視電阻率值＜20 Ω·m的區段劃定為采空及塌陷區。

DK4 + 200—DK4 + 740段TEM視電阻率等值線斷面圖見圖1。可見：①在DK4 + 600—DK4 + 740段表層視電阻率值較高，反映了表層松散層及全、強風化層在無水條件下的電性特征；在深15～25 m出現較低值，可解釋為巖石風化破碎帶充水后視電阻率降低；而在此深度之下視電阻率值隨深度增加而增大，反映了完整基巖的電性特征。②在DK4 + 210—DK4 + 600段深度15～50 m出現低阻異常，視電阻率值在16～20 Ω·m，其視電阻率等值線分布迥異于DK4 + 600—DK4 + 740段，結合該段煤層的埋深情況，可判定這些區域存在采空區。

根據TEM視電阻率等值線斷面圖解譯情況，作出物性地質剖面圖，見圖2。

圖1　DK4 + 200—DK4 + 740段TEM視電阻率等值線斷面

DK4 + 740—DK5 + 300段TEM視電阻率等值線斷面圖見圖3。可以看出：表層視電阻率值較高，反映了表層松散層及全、強風化層在無水條件下的電性特征；在深15～25 m出現較低值，可解釋為巖石風化破碎帶充水后視電阻率降低；在此深度之下視電阻率值隨深度增加而增大，反映了完整基巖的電性特征。

根據TEM視電阻率等值線斷面圖解譯情況，作出物性地質剖面，見圖4。

圖2　DK4 + 200—DK4 + 740段物性地質剖面

圖3 DK4 + 740—DK5 + 300段TEM視電阻率等值線斷面

圖4 DK4 + 740—DK5 + 300段物性地質剖面

2. 5現場驗證

2. 5. 1勘探驗證

物探完成后針對物探異常點，結合沿線橋涵、路基工程設置情況進行了鉆孔驗證，在DK4 + 000—DK6 + 200段一共布置了25個鉆孔，其中有7個鉆孔出現了采空區。鉆孔采空情況見表1。

表1　DK4 +000—DK6 +200段鉆孔采空情況

通過分析鉆探資料可知：①DK4 + 210—DK4 + 600段布置了10個鉆孔，其中6個出現了采空區，出現的采空區有2層，上層為2#煤采空區，采空深度為17～42 m，下層為6#煤采空區，采空深度為29～50 m；出現采空區的鉆孔鉆探過程中僅局部出現掉鉆現象，說明該段采空區頂板基本完好；采空區處巖芯出現泥沙、煤矸石等，說明采空區的空洞已被充填，同時也解釋了頂板未塌陷的原因。②DK4 + 600—DK5 + 300段共布置了15個鉆孔，僅DK5 + 200處有1個鉆孔出現了采空區，鉆進過程中掉鉆，而其余鉆孔均未出現采空，后來勘察證實DK5 + 200處存在1個廢棄巷道，無采空區分布。

根據鉆探結果繪制DK4 + 200—DK4 + 740段地質剖面，見圖5。可見，該段采空區的分布范圍、埋深情況與瞬變電磁法探測結果基本一致，證實了瞬變電磁法在探測采空區中是有效的。

對比圖2和圖5可以看出，物探只能對采空區的分布、埋深等進行定性探測，在前期線路選線、指導鉆探方面效果良好，但是后期需要對采空區進行治理時，采空深度、采空厚度、空洞填充情況、頂底板情況等需要經鉆探驗證，并結合收集的地質、物探資料綜合確定方案。2. 5. 2注漿處理后的檢測情況

圖5　DK4 + 200—DK4 + 740段鉆探揭示的地質剖面

對DK4 + 210—DK4 + 600段采空區進行了注漿處理，注漿完成后由第三方檢測機構進行檢測。根據第三方檢測報告，DK4 + 210—DK4 + 600段采空區分布范圍、埋深、采空厚度等情況與地質勘察結果基本一致，但采空區填充率與原地質勘察結果有一定出入，原地質勘察中根據走訪調查、鉆探巖芯采取率等確定的采空區填充率為60％，而第三方檢測報告顯示該段采空區填充率約為45％，從而造成注漿量增大。主要是因為該地區分布的煤礦開采混亂、無序，且偷采現象嚴重，勘察中難以收集到煤礦的詳細開采資料，無論是物探還是鉆探，都有一定的局限性，從而造成采空情況與實際有一定出入。

3　結論

1）瞬變電磁法探測采空區行之有效，具有探測深度大、受地形條件影響小、橫向分辨率高、探測時間短的特點，能極大地節省勘探費用。

2）瞬變電磁法的野外測量方法、數據處理與解釋方法，在不同地質地電條件下應該有不同的選擇，而裝置類型、線框大小、取樣延時（發射基頻）、疊加次數的選擇，測點的布置等應綜合考慮探測區地層物性、電性指標，采空區的埋深，場地電磁噪聲等因素。

3）采空區與周圍巖土體電性差異越大，其探測效果越好；本區采空區充水，其視電阻率表現為低值，而周圍巖土體視電阻率表現為高值，采空區與周圍巖土體電性差異較為顯著。

4）物探只能對采空區的分布、埋深等進行定性探測，物探完成后必須對異常點進行鉆探驗證，并對調查、收集的地質、物探資料進行綜合整理與分析，為設計提供相對準確、可靠的采空區資料。

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（責任審編葛全紅）

Application of Transient Electromagnetic Method to Detecting Goaf

MI Qingwen
（Gansu Synthetical Railway Engineering Contracting Co.，Ltd.，Lanzhou Gansu 730000，China）

AbstractT he working principle of transient electromagnetic method，the field working method，data processing method and the analysis of the detection results were introduced in this paper，and goaf of one railway in Zaozhuang City was detected by using the transient electromagnetic method. T he results showed that the transient electromagnetic method used to detect goaf is effective，which has the characteristics as large probing depth，little influence from topography，high lateral resolution，short detection time and could save the cost of exploration，the field measurement，data processing and interpretation method of transient electromagnetic method should be selected according to the geological conditions，choice of the device type，line frame size，sampling delay（fundamental frequency of emission），fold times and layout of measuring points should be considered based on such factors as stratum property of the exploration area，electrical index，the depth of goaf and site electromagnetic noise.

Key wordsT ransient electromagnetic method；Goaf；Exploration and verification；Detecting effect

中圖分類號P631. 3+25

文獻標識碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 32

文章編號：1003-1995（2016）06-0121-05

收稿日期：2015-10-20；修回日期：2016-04-29

作者簡介：米慶文（1982—），男，工程師。