瞬變電磁及氡值測量法探測煤層積水采空區應用與研究

李彥星

（山西省煤炭地質物探測繪院，山西晉中030600）

瞬變電磁及氡值測量法探測煤層積水采空區應用與研究

李彥星*

（山西省煤炭地質物探測繪院，山西晉中030600）

基于瞬變電磁法和氡值測量法的基礎理論，通過分析2種方法的特點及局限性，提出綜合2種探測方法應用于煤礦采空區探測。結合煤礦積水采空區探測實例，通過采集、處理、成果推斷解釋等各流程的對比探討得出結論。結果表明利用綜合地球物理探測方法，可以有效彌補單一方法受干擾等問題出現，造成假異常導致解釋成果精度降低的缺陷，提高了勘探精度，為煤礦安全生產提供保障。

瞬變電磁法；氡值測量法；積水采空區；干擾；安全生產

瞬變電磁法具有穿透能力強、干擾小、施工效率高、探測深度大等很多優點，廣泛應用于金屬礦產探測、水文地質勘查及煤層采空區探測。氡值測量法也應用于煤層采空區探測和煤層自燃區探測。以上2種方法在實際工作中均取得了很好的探測效果。但2種方法在實際應用中均存在一定局限性。如今城鎮化、工業化進程不斷加快，地面瞬變電磁數據采集時受工頻及諧波干擾嚴重［1］。目前，各種去噪方法消除工頻干擾的效果并不理想［2］。瞬變電磁法探測高阻體反映不靈敏，且會受“邊框效應”影響導致數據質量變差［3］。淺層積水采空區附加效應對瞬變電磁信號影響也很大［4］。而氡值測量法在一個測點只有一個測定值，沒有垂向的分辨能力［5］。基于以上分析，考慮綜合應用2種方法對采空區進行探測。這樣對照分析，相互驗證可以提高資料解釋精度。

1　瞬變電磁與氡值測量法基本原理

1.1瞬變電磁法基本原理

使用不接地回線通以脈沖電流作為場源，以激勵探測目的物感生二次電流，在脈沖間隙測量二次場隨時間變化的響應。由于二次場從產生到結束的時間是短暫的，即是“瞬變的”，所以稱之為瞬變電磁法，其屬于時間域電磁法。

瞬變電磁法的物理基礎為電磁感應原理，即導電介質在階躍變化的激勵磁場激發下產生渦流場的問題。對于定源回線裝置，瞬變電磁場表達式為：

式中：q——接收線圈有效面積；

R——發送回線半徑，當發送回線為矩形時R=L/π；

a——地下導體的半徑；

h——導體的中心埋深；

τ——時間常數，k=2πR/τ。

1.2氡值測量法基本原理

煤層采空區形成后，促使地質體發生變形，改變了地下地質體的應力分布狀態，從而使地下液體氣體的運移與集聚環境發生改變，對氡氣的運移與富集具有一定的控制作用。首先煤層采空在地下形成較大空洞，成為地下水與氣體的儲存場所；其次采空區煤層頂板塌陷冒落，地下應力場改變，采空區及周邊應力減小，地下氣體及液體自然由高應力區域向低應力區域運移，造成氡氣在采空區的聚集；最后在采空區冒落帶及其派生裂隙形成后，氣體自下向上運移，在地溫與地壓作用下，氡氣必然與其他氣體（CO、CO2、CH4、H2S等）一起自地下深處向地表遷移，在地表形成與采空區域平面形態基本相同的氡異常區。氡為非極性單原子分子，而活性炭為非極性吸附劑。當氡運移到活性炭表面時，這2種物質的分子或原子相互接近時，在色散力的主要作用下，氡則很快被活性炭吸附。在電離室測量氡及其子體衰變輻射出的γ射線強度，就可測量提取氡值數據。

2　工作方法

2.1瞬變電磁工作方法

瞬變電磁法施工裝置類型較多［6］，根據探測目標體的不同，在施工時視具體情況選擇相適應的裝置。裝置確定后通過現場試驗確定發射和采集參數。國內常用的工作裝置主要有重疊回線、定源回線和偶極裝置。本次擬選定源回線裝置施工。工程測線布設時垂直于主要構造走向，按工程要求比例尺度設計測網密度［7］。施工時接收機按測網設計測量點位依次順點采集。

2.2氡值測量工作方法

在每個測量點的位置挖40cm深的倒錐形坑，將裝有活性炭的瓶子編號后埋入坑中，在地表留記號便于取杯時找到埋置地點，工作筆記上記錄該點埋杯時間等相關信息。埋置的活性炭瓶5d之后統一取出，記錄取杯時間。送回實驗室，放入活性炭測氡儀電離室中測量氡及其子體輻射出的γ射線強度，然后對測氡數據進行提取，對原始數據進行預處理后成圖解釋。

3　工程應用

3.1勘查地區地質概況

施工地區位于山西省西北部，地層由老至新分別是奧陶系、石炭系、二疊系、第四系，區內地表基本被第四系地層所覆蓋，基巖僅在溝谷中出露。主要可采6、8號煤層，為保證煤礦安全生產，開展了地面綜合地球物理探測研究。

3.2地球物理特征

瞬變電磁勘探是從測量地表電場的分布狀況來分析地下電性情況的［8］，地下異常體的存在和分布必須使地表電場有明顯變化才能測出。本次探查區域地層由老至新在縱向上各層電性差異較大，而橫向上未開采煤層與積水采空區的電性差異同樣較大［9］。由此可見，積水采空區的視電阻率明顯區別于完整煤層的視電阻率，是瞬變電磁法探測積水采空區并分析積水情況的物理前提。

測氡是基于地層中含有豐富的天然放射性元素，其中又以鈾的同位素所占比例最大，鈾經一系列衰變后形成氡，氡及氡的衰變母體鐳沿著構造帶、裂隙和地下水的垂向搬運在地表富集，形成氡異常。放射性元素隨水中的SiO2含量增加而增加，且地溫的升高加快了氡向地表的遷移。本區勘查積水采空區，應用氡值測量法探測是可行的。

3.3數據采集

本次勘查設計測網為測線距40m，測點距20m，根據探測目的層布設320m×320m發射線框。瞬變電磁使用目前較為主流的加拿大鳳凰V8電法儀。通過試驗確定發射頻率10Hz，發射電流6A，使用等效100m2專用探頭，600次疊加接收。氡值測量儀器采用活性炭測氡儀，此方法測網與瞬變電磁測網一致，這樣便于成果的對比分析。

3.4資料處理與解釋

3.4.1瞬變電磁正反演數值模擬

針對本地區正常地層地電條件及采空區地電條件，建立相應地電模型進行瞬變電磁正反演數值模擬。旨在經過數值模擬得到地下采空區的瞬變電磁響應，結合理論模型分析瞬變電磁法探測煤層采空區的可行性。

正演：通過解頻率域亥姆霍茲方程求得諧變場，通過域的轉換技術將頻率域轉換到時間域，求得晚期視電阻率。并將計算結果通過與解析解的對照，驗證其精確性。

假設3層層狀地電模型，如圖1-a所示：第一層為蓋層厚度為100m，電阻率100Ω·m；第二層為煤層采空區厚度為20m，電阻率分別為5（Model 1）、20（Model 2）、80（Model 3）、400Ω·m（Model 4），分別代表采空強積水、采空積水、未采空及采空未積水4種情況；第三層為底層，電阻率為150Ω·m。模型參數：發射線框400m×400m，發射電流1A，采樣時間為10-6～10-1s，指數等分50個時刻。

通過正演計算結果對比，圖1-b所示：瞬變電磁探測低阻靈敏度高，但電阻率越低對深部影響越大，有屏蔽現象。如圖1中Model 1米字間隔曲線所示。對高阻體即采空未積水，如Model 4三角間隔曲線與黑色均勻半空間曲線對比后，發現此方法對高阻體反映不靈敏。

反演：利用上文地電模型正演數據，使用一維Occam反演法計算，進行反演結果分析，得出瞬變電磁法探測煤層采空區的可行性結論。

從圖2中看出2-a反演結果清晰，反演異常位置與給定模型基本對應，但是低阻層位下部200m以內數據均受上部低阻體影響，導致低阻體下部數據無法真實反演；圖2-b看出反演異常結果位置準確，與圖2-a比較圖2-b采空煤層電阻率較大，所以對下部屏蔽不如圖2-a嚴重；圖2-c與圖2-d均可看出瞬變電磁對高阻體反演不靈敏，其反演結果幾乎沒有高阻反映，無法準確識別。

圖1　瞬變電磁采空區正演結果對比圖

圖2　瞬變電磁采空區反演結果對比圖

通過針對本地區的數值模擬，得出瞬變電磁在本地區探測的理論結論：①可以有效探測呈低阻的煤層積水采空區；②無法準確探測采空未積水的高阻區域；③若上部有低阻積水采空區，則與其間距較近的下部地質體無法真實反演（即受條件所限瞬變電磁分層探測能力有限）。

3.4.2成果解釋

瞬變電磁視電阻率擬斷面分析。從已知資料得知在，鉆孔ZK-1302（對應本次勘探工程布置為730線1030樁號）發現6號煤缺失，推斷鉆孔周圍是煤層采空區域。從瞬變電磁730測線視電阻率擬斷面圖3看出此測線1000附近，剖面反映為低阻區域，根據電阻率變化，可準確圈定低阻范圍。從剖面看出瞬變數據成層性較好，且反演結果與鉆孔資料從縱向到橫向基本吻合。瞬變電磁測線700～900、1200～1300附近推斷為正常區域。

圖3　瞬變電磁視電阻率擬斷面圖與鉆孔對比圖

氡值剖面曲線分析。如圖4，490線由西向東布置，共76個點。由上圖分析在350點處有個高值，而附近變化沒規律，所以10～1090、1150～1390點推斷為正常區，1090～1150、1390～1570點氡值起伏比較大，有規律性，氡值普遍偏高，推斷為采空區。

圖4　490線氡值剖面曲線圖

瞬變電磁及氡值平面疊合分析。通過測線斷面分析校正，進入平面分析階段。本次勘查使用的2種方法數據處理，成果均按照數理統計法結合已知資料，通過人機交互來確定異常閾值。從統計概率角度，在具體計算算術平均值和標準偏差時，應該注意剔除極大、極小的值的影響，保證數據呈正態分布。使用處理后數據體生成斷面及平面圖，以視電阻率低于閾值200Ω·m劃為瞬變電磁異常區；氡值測定值則將高于閾值620個計數/3min區域圈為氡值異常區。

從圖5-a分析氡值異常，顏色由淺至深代表氡值由高至低。整體上北高南低，按氡值異常分析煤層采空區，則采空主要處于勘探區域北部，南部未見異常。從5-b看出瞬變電磁順煤層切片平面異常基本與氡值異常相符，只是在勘探區南部瞬變電磁存在低阻異常。對照已知資料并結合實際采集情況分析，在實地采集數據時，勘探區南部有高壓線經過，因此瞬變電磁數據受干擾，從而導致反演結果顯示南部低阻異常，推斷此處為假異常。又由于前文針對本測區所做數值模擬得出結論，本次瞬變電磁探測6號、8號煤層間隔較近，反演結果無法準確分層，因此無法分層推斷各煤層低阻異常，只能將2組煤層合并為一層，按合并后順層切片推斷分析低阻異常。

3.5探測成果

圖5　氡值異常及視電阻率平面圖

結合已知水文地質資料及其他相關資料，并通過上文分析，得出本次綜合物探勘探成果。本次勘探積水采空區位于勘探區北部，2種探測方法可相互印證；勘探區南部推斷不存在積水采空區，因為氡值未顯示異常，同時瞬變電磁在此處異常可信度較差。本區共劃出積水采空區3處，礦方針對本次物探成果提前做出施工部署，且北中部圈定積水異常已得到驗證。

4　結論

綜合瞬變電磁法與氡值測量法應用于煤層積水采空區探測，可以彌補瞬變電磁在施工時遇到各種無法避免干擾時，造成數據質量下降解釋成果精度降低的缺陷。又可以2種方法相互驗證，排除假異常。這樣可以從根本上提高地球物理勘探精度，達到優勢互補。應用結果表明：此技術可有效圈定富水異常區域，推斷積水采空區，指導礦方安全生產。同時可推廣應用至其他勘探領域。

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A

1004-5716（2016）01-0153-05

2015-01-13

2015-01-14

李彥星（1980-），男（漢族），山西長治人，工程師，現從事地球物理勘探、地質災害調查工作。