小線圈瞬變電磁法在礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程中的應(yīng)用

周磊

（湖南省地質(zhì)調(diào)查院 湖南長(zhǎng)沙 410116）

小線圈瞬變電磁法在礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程中的應(yīng)用

周磊

（湖南省地質(zhì)調(diào)查院 湖南長(zhǎng)沙 410116）

本文從瞬變電磁法的基本原理出發(fā)，論述了小線圈瞬變電磁法在礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程中的可行性。將該方法技術(shù)應(yīng)用于廣東樂(lè)昌市某礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程，結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)、水文資料，結(jié)果表明本次應(yīng)用小線圈瞬變電磁法勘探，取得較好的效果。該探測(cè)成果，為日后的礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程提供參考。

瞬變電磁法；小線圈；重疊回線；礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程

礦業(yè)的開(kāi)發(fā)給人類社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的財(cái)富，同時(shí)也占用了人類賴以生存的大量土地和生態(tài)植被資源，生產(chǎn)過(guò)程中大量的礦石開(kāi)采以及礦區(qū)地面設(shè)施將原有的地表植被破壞，造成了土地資源的浪費(fèi)，同時(shí)也對(duì)礦區(qū)周圍環(huán)境造成了破壞。由于礦山開(kāi)采初期環(huán)境保護(hù)意識(shí)薄弱，開(kāi)采過(guò)程中形成了多處地表開(kāi)采沉陷，并對(duì)礦區(qū)植被造成較大破壞，因此，隨著礦山開(kāi)采的繼續(xù)，加上地表徑流等外力因素的影響，礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題日益突出，礦山地質(zhì)環(huán)境的治理直接關(guān)系到礦區(qū)周邊社會(huì)和人群的存活和發(fā)展，其治理實(shí)屬刻不容緩。

本次瞬變電磁法勘察的目的在于了解某礦礦井上方地層是否存在因進(jìn)行開(kāi)采作業(yè)引起的塌陷和松動(dòng)區(qū)域，屬于該礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程的一部分。

1 基本原理

瞬變電磁法（Transient electromagnetic methods）或稱時(shí)間域電磁法（Time domain electromagnetic methods），簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)EM或TDEM，是一種近年來(lái)發(fā)展很快的電法勘探分支方法，它主要應(yīng)用于金屬礦勘探、構(gòu)造填圖、油氣田、煤田、地下（熱）水、凍土帶、海洋地質(zhì)、水文工程地質(zhì)及工程檢測(cè)等方面的研究。

瞬變電磁法測(cè)量裝置主要由發(fā)送線圈和接收線圈兩部分組成，瞬變電磁法工作過(guò)程可分為三個(gè)部分：發(fā)射電流、電磁感應(yīng)和接收二次磁場(chǎng)。當(dāng)發(fā)射線圈中的穩(wěn)定電流突然切斷，根據(jù)電磁感應(yīng)的原理，變化的電流將產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)我們稱之為一次磁場(chǎng)。在一次磁場(chǎng)往地下的傳播過(guò)程中，如在地下遇到導(dǎo)電良好的地質(zhì)體，它會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，也被稱為二次電流或渦流。由于次級(jí)電流隨時(shí)間變化，并因此產(chǎn)生在其周圍的新的磁場(chǎng)，稱為二次磁場(chǎng)。由于良導(dǎo)地質(zhì)體內(nèi)的感應(yīng)電流會(huì)因?yàn)闊釗p失而衰減，所以二次磁場(chǎng)大致呈指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間衰減。由于二次磁場(chǎng)的產(chǎn)生是源自良導(dǎo)地質(zhì)體中的感應(yīng)電流，所以它包含與良導(dǎo)地質(zhì)體相關(guān)地質(zhì)信息。通過(guò)接收線圈觀測(cè)二次磁場(chǎng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)分析和處理，就可以了解地下良導(dǎo)地質(zhì)體的相關(guān)物理參數(shù)。

2 理論依據(jù)

與傳統(tǒng)的使用大型線圈的瞬變電磁法相比，小線圈方法技術(shù)是瞬變電磁法中一種適應(yīng)能力更強(qiáng)、分辨率更高、成本低、方便觀測(cè)的方法。

礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程的工作區(qū)一般位于礦山上，山勢(shì)起伏較大，不適合做大線圈瞬變電磁法。同時(shí)，礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程的物探工作目的在于了解礦井上方地層是否存在因進(jìn)行開(kāi)采作業(yè)引起的塌陷和松動(dòng)區(qū)域，所需資料多為淺部資料，經(jīng)過(guò)理論驗(yàn)證通過(guò)，采用小線圈重疊回線裝置更為合適。為了提高信噪比，還采用了多匝線圈進(jìn)行勘探。

在晚期條件下，即令2πα/τ≤1時(shí)，其視電阻率的公式為：

式中：α為發(fā)射線圈邊長(zhǎng)；n1為發(fā)射線圈匝數(shù)；τ為時(shí)間輔助參數(shù)；μ0為空氣的磁導(dǎo)率；BZ為磁場(chǎng)強(qiáng)度垂直分量；I0為供電電流；t為延遲時(shí)間。

當(dāng)發(fā)射線框的面積為S1，匝數(shù)為n1，供電電流強(qiáng)度為I，發(fā)射線框的磁偶距為M=s1×n1×I，當(dāng)接收線框的面積為s2，匝數(shù)為n2，介質(zhì)中感應(yīng)的渦流場(chǎng)在接收回線中產(chǎn)生的感應(yīng)電位V為：

故多匝重疊回線的晚期視電阻率的計(jì)算公式為：

瞬變電磁法的方法技術(shù)在應(yīng)用中的主要問(wèn)題在于無(wú)論應(yīng)用晚期計(jì)算公式還是全區(qū)公式，視電阻率均偏??；反演視深度也隨之偏小。且線框越小，畸變?cè)絿?yán)重的趨勢(shì)。所以在小線圈瞬變電磁法的成果解釋中，要得到反映實(shí)際情況的地電參數(shù)，我認(rèn)為在反演處理中，須結(jié)合當(dāng)?shù)氐哪承┛煽抠Y料，在計(jì)算中增加修正參數(shù)來(lái)調(diào)整視電阻率計(jì)算值。

瞬變電磁場(chǎng)探測(cè)深度主要是由地下地質(zhì)體電阻率和測(cè)量時(shí)間決定。當(dāng)?shù)叵碌刭|(zhì)體相對(duì)均勻時(shí)，地面發(fā)射器線圈的電流被切斷后，感應(yīng)電流擴(kuò)散到地下地質(zhì)體，供電電流停止后，某一時(shí)刻地下最大二次磁場(chǎng)所在深度由下式計(jì)算：

式中：h為深度；ρ為電阻率。

3 工程實(shí)例

3.1 地質(zhì)概況

試驗(yàn)礦區(qū)位于廣東省北部的樂(lè)昌市秀水鎮(zhèn)八字嶺村，礦區(qū)位于南嶺山脈的南部邊緣，橫跨湘粵兩省，礦山嶺連綿。地勢(shì)西南高，東北低，屬低山～丘陵地形，礦區(qū)內(nèi)最高峰為八字嶺峰，海拔571.02m，最低標(biāo)高位于遼河，高程為190.20m。本次治理區(qū)屬八字嶺礦區(qū)位于廣東省內(nèi)范圍，處于近北東-南西向山體的南坡。

井田出露的地層有中下石炭統(tǒng)壺天群、下二疊統(tǒng)棲霞組、下二疊統(tǒng)當(dāng)沖組、上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M、上三疊紅衛(wèi)坑組和第四系。

3.2 方法技術(shù)

本次勘探工作共布置瞬變電磁剖面長(zhǎng)度一共270m，其中剖面Ⅰ長(zhǎng)度為140m，剖面Ⅱ長(zhǎng)度為130m，均沿山脊布置，測(cè)線Ⅱ位于測(cè)線Ⅰ以西。

本次瞬變電磁法勘探的測(cè)量點(diǎn)的點(diǎn)距為10m，發(fā)送線圈和接收線圈均為7匝1m×1m，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)測(cè)量疊加次數(shù)為10次，瞬間供電電流100A，供電脈寬為10ms，采樣率為4μs。

3.3 成果分析

剖面Ⅰ如圖1可以看出，主要高阻異常區(qū)1、2均處于160～200m深處。

結(jié)合井上下平面對(duì)照?qǐng)D得知，異常區(qū)1的中心點(diǎn)是位于90號(hào)點(diǎn)埋深約190m處的210東大巷，以該巷道為中心，如圖中異常區(qū)1所示，0～100段埋深150～230m的范圍均為該巷道附近區(qū)域的異常反映。在異常區(qū)1正上方50～100段埋深90～130m范圍內(nèi)，還存在一個(gè)高阻異常區(qū)，如圖中異常區(qū)3所示。區(qū)域1和異常區(qū)3的大面積高阻異常均位于210東大巷周邊區(qū)域，并向山腳延伸，經(jīng)推斷后初步斷定該區(qū)域?yàn)?10東大巷開(kāi)采作業(yè)引起的上覆地層的松動(dòng)塌陷，導(dǎo)致地層巖石出現(xiàn)松動(dòng)。

110～120 段埋深150～230m范圍內(nèi)也有一高阻異常區(qū)域，如圖1中異常區(qū)2所示，該異常區(qū)中，120號(hào)點(diǎn)埋深160m處為160東大巷，異常向巷道下方延伸，并產(chǎn)生一個(gè)新的高阻異常區(qū)域，由于測(cè)線長(zhǎng)度有限，無(wú)法進(jìn)行進(jìn)一步的解釋工作，經(jīng)已知資料推斷得知，該異?？赡苡?60回風(fēng)巷引起。

剖面Ⅱ如圖2可以看出，主要高阻異常區(qū)1處于240～270m深處。

圖1 剖面Ⅰ視電阻率及解釋成果圖

由解釋圖可以看出，異常區(qū)1中，異常區(qū)的中心位置位于0號(hào)點(diǎn)埋深260m處，結(jié)合井上下平面對(duì)照?qǐng)D得知，該處并無(wú)礦井巷道存在；異常區(qū)1上方70～80段埋深200～220m范圍內(nèi)存在高阻異常區(qū)域4，異常區(qū)4中心是位于80號(hào)點(diǎn)埋深約200m處的210東大巷；另外，在0～30、70～110段埋深60～150m附近還分別存在異常區(qū)域2、3。

因?yàn)楦咦璁惓^(qū)1的異常中心位置未發(fā)現(xiàn)有坑道，且50號(hào)點(diǎn)埋深約260m處是260回風(fēng)巷，因此推斷引起異常區(qū)1的原因是260回風(fēng)巷周邊區(qū)域出現(xiàn)小范圍坍塌，上方地區(qū)出現(xiàn)空洞。

高阻異常區(qū)4的中心位置是位于80號(hào)點(diǎn)埋深約200m處的210東大巷，結(jié)合異常區(qū)1的解釋結(jié)果，推斷該異常區(qū)域是210東大巷的異常反映。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，礦山近地表區(qū)域出現(xiàn)過(guò)小范圍的陷坑，因此推斷，高阻異常區(qū)域2、3可能是地下塌陷區(qū)域的異常反映。

圖2 剖面Ⅱ視電阻率及解釋成果圖

4 結(jié)語(yǔ)

本次選取的2條剖面途經(jīng)多處煤礦礦井，從收集的有關(guān)資料可知：區(qū)內(nèi)煤層層數(shù)多，煤礦開(kāi)采持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，煤層厚度180～380m，埋深一般220m，其含煤地層巖性由灰白色一灰黑色，薄一中厚層狀砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖炭質(zhì)泥巖和煤組成。由于影響采空區(qū)電阻率高低的因素較多，其電性特征均有差異。當(dāng)煤被采出后，其電阻率應(yīng)是高阻異常特征，隨時(shí)間推移，其電阻率逐漸向低阻過(guò)渡，最后變成低阻異常，故不同時(shí)間的采空區(qū)，其所表現(xiàn)的電性特征不一致，不能簡(jiǎn)單地以高阻異常特征或低阻異常特征來(lái)圈定采空區(qū)。試驗(yàn)礦區(qū)進(jìn)行煤礦地下開(kāi)采已有60余年歷史，采煤層數(shù)多，且下層還在繼續(xù)生產(chǎn)，開(kāi)采方式屬非正規(guī)性開(kāi)采，在電阻率特征上表現(xiàn)為形成的視電阻率異常，且相對(duì)高低不同。

由瞬變電磁法的原理表明，二次場(chǎng)遇到高電阻體的衰退很快，遇到低阻體衰變慢，所以在多通道測(cè)量電壓剖面圖上，高電位差反映了低阻體，低電位差反映了高電阻體，正常的地層電位差分布曲線平緩變化。而在視電阻率平面圖上，正常地層的電阻率曲線顯示出近似層狀的、平滑變化的曲線；當(dāng)?shù)貙又谐霈F(xiàn)采空區(qū)或者被斷裂構(gòu)造等破壞時(shí)，原本近似層狀的等值線會(huì)發(fā)生較大的變化，而呈現(xiàn)視電阻率急劇上升或下降的封閉環(huán)或半封閉圈狀的曲線。低電阻率的煤層和高電阻率的頂板和底板存在非常明顯的地球物理差異，瞬變電磁法的應(yīng)用也很容易區(qū)分它們。

結(jié)合物性資料可以得知，高阻異常為采空區(qū)，低阻異常為基巖或者未開(kāi)采的礦體，以此為依據(jù)，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)資料對(duì)全區(qū)瞬變電磁法的資料進(jìn)行解釋，得到高阻異常7處，懷疑為采空區(qū)或者礦井上方塌陷、松動(dòng)區(qū)域。

通過(guò)與已知資料的結(jié)合、對(duì)比工作，查明了采空區(qū)、礦坑所對(duì)應(yīng)的異常特征，證明本區(qū)應(yīng)用瞬變電磁法探測(cè)采空區(qū)是有效的，為全區(qū)資料解釋提供了依據(jù)。

[1]靜恩杰，李志腆.瞬變電磁法基本原理.中國(guó)煤田地質(zhì)，1995，7（2）.

[2]曹國(guó)棟，劉樹(shù)才，劉慶生.TEM小線框技術(shù)在近地表結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用.工程地球物理學(xué)報(bào)，2005，2（4）.

[3]張文權(quán)，欒安輝，李富學(xué)，霍成勝.小回線瞬變電磁法在青海某些特殊地理景觀區(qū)的應(yīng)用.物探與化探，2008，32（2）.

[4]李建平，李桐林，趙雪峰，梁太木.層狀介質(zhì)任意形狀回線源瞬變電磁全區(qū)視電阻率的研究.地球物理學(xué)進(jìn)展，2007，22（6）.

[5]張勝業(yè)，潘玉玲.應(yīng)用地球物理學(xué)原理.武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2004.

[6]傅良魁.電法勘探教程.北京：地質(zhì)出版社，1983.

[7]A.A.考夫曼，G.V.凱勒.頻率域和時(shí)間域電磁測(cè)深.北京：地質(zhì)出版社，1987.

[8]Spies，B.R.，Eggeres，D.E..The use and misuse of apparent resistivity in electromagnetic methods.Geophysics，1986，51（1）.

TD167

A

1004-7344（2016）24-0188-02

2016-8-9

周磊（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事地球物理勘察等工作。