瞬變電磁探測在煤礦采空區積水邊界探測中的應用

張文武

（山東省地質礦產勘查開發局第二地質大隊，山東 濟寧 272100）

在煤炭采空區中，積水會引發一些水害事故，不僅影響到煤礦的正常生產，還影響了人們的生命安全。所以要能夠及時的對采空區中的積水進行探測，并進行去除，保證煤礦安全生產的順利進行。

1 瞬變電磁法的基本原理

瞬變電磁法是利用一些電子設備向地下發送一次場信號，然后在一次場的間歇期間利用回線檢測出二次渦流場的方法。瞬變電磁法的基本工作方式是在地面或者井下鋪設一些具有波形電流的發射線圈，這樣在線圈的周圍就會產生一些磁場，地下存在的一些導電的巖石在磁場的作用下就會產生感應電流。把發射線圈斷電以后，感應產生的電流由于熱損耗的作用就會逐漸的減小。其減少過程一般分為早中晚三個時期。在衰減早期，其電磁場類似于頻率域中的高頻成分，所以衰減的比較快；而衰減的晚期則與早期正好相反，其類似于低頻成分，衰減的比較慢。在對發射線圈進行斷電之后，不同時間段的二次場隨著時間的變化呈現出一定的規律，這樣通過測量就能獲取到不同深度下的地電特征。在進行檢測二次場的時候，一次場已經斷電了，所以在進行探測的時候就避免了一次場中耦合噪聲的影響。因此瞬變電磁法的優點比較多，比如分辨率高、能產生最佳耦合、受環境的影響小、體積效應小等。

2 采空區的地球物理特征

在煤礦中，當開采完煤層之后，就會在地底下形成一些空間，形成采空區。隨著重力的不斷作用，采空區的上層就會發生坍塌現象，煤層上的覆蓋層就會發生變化，產生巖移現象。這樣就破壞了原來巖石層的完整，在巖石之間就會產生大量的空隙，這些縫隙使得此處巖石的電阻率就會高于原本完好的巖層的電阻率，這種電阻差距之間有時候是明顯的，有時候是不明顯的。明顯的時候就會呈現出比較高的高阻特性，不明顯的時候就會發生視電阻等值線的波動。但是由于地殼的不斷運動，這些空隙還會被一些水或者土所填滿，這樣電阻率就比完整的巖層的電阻率要小，呈現出低阻特性來，這樣我們就可以根據瞬變電磁法探測出采空區的積水邊界。

3 瞬變電磁法中的成像技術

從瞬變電磁法的工作原理中可以得知，所接收到的感應電動勢衰減曲線能夠很好的說明接收線圈在垂直方向的矢量方向的衰減情況，并且所有的低阻值的巖石在地層中都是連接在一起的。所有在觀察異常區域的情況時，無法清晰的得知異常區的變化詳情，這樣也就不能對瞬變數據的結果進行分析，這樣也就無法得知采空區和積水區的范圍，也就無法使煤礦進行順利的安全生產工作。本文將對異常區范圍的確定做出詳細的描述，利用的東西是原始數據。

雖然使用不同的瞬變電磁裝置會有不同的參數，但是在進行探測的過程中其流程是大同小異的。一般根據探測出來的瞬變數據進行采空區和積水邊界的確定時主要的步驟有：資料的收集、視電阻率的換算和及時深轉換、反演二維數據、后期處理、最后確定異常區。

（1）探測前的資料收集。相關的人員對于探測區域的地質資料進行收集，能夠獲得探測區域的地層分布情況以及可能存在異常的地層的地球物理特性。

（2）視電阻率的換算和及時深轉換。通過探測出來的電位衰減時間的相應曲線，將其轉換為視電阻率的時間曲線，還要對視電阻率進行相應的時深轉換，在轉換的同時要能夠根據相關的地質資料對深度進行標定。

（3）二維數據的反演。相關人員通過計算機軟件中的反演算法，將探測出來的數據轉化為能夠進行繪制的幾何圖案，將其顯示在電腦上。

（4）后期處理。將數據變成圖形之后，還要對形成的二維圖形進行著色、切片等操作，這些圖像資料可供瞬變數據的后期解釋。接下來就是制作一些相關的圖件，比如斷面圖、順煤層切片圖等，將這些圖件與鉆孔資料上面的地層進行對比，分析兩者之間存在的共同點，來確定待檢測的地層在斷面圖中的具體位置。

（5）采空區以及積水邊界的圈定。從斷面圖和切片圖中來劃分出各地區的視電阻率異常的地方，還要參考水文地質資料，對這些異常區的富水性進行分析與評價，從而分析出地質結論，這樣就能夠確定煤礦的采空區以及積水邊界的范圍。

4 瞬變電磁法的實例應用

（1）地質概況。根據某煤礦的地表情況以及一些鉆孔資料，能夠得出煤礦中的不同地層，分別有馬家溝組、太原組、山西組、石盒子組等，其中含有煤的地層主要有太原組以及山西組。此煤礦的總體為單斜構造，地層的主要走向是NE。

（2）參數的選擇。本次探測選擇的是來自澳大利亞的TEM-3型瞬變電磁儀，其技術水平比較的先進，相對于其它的一些瞬變電磁儀，有著自己的優點，比如能夠實現實時監控、自動化程度比較高等。這種瞬變電磁儀在進行數據采集的時候一般由微機進行控制，能夠自動的對數據做好記錄工作，并能夠對數據進行回放。在經過實際的勘察之后，進行探測的工作裝置選擇好回線裝置、發射的頻率、發射電壓等。并且確定好觀測時間。

（3）資料的處理。在野外探測中，瞬變電磁法記錄的是發射框中瞬態變化的電流在地層中產生的電磁場，而進行數據處理的時候，就要根據這種瞬變磁場來計算地層中的物質的視電阻率。使用科學的方法對探測中的視電阻率進行精確地計算，并且要校正好關斷時間。根據相關的實踐表明，全程的視電阻率與早期、晚期的數值具有比較高的精準度和分辨率。在實際的探測過程中，如果對于探測結果的精度要求比較高，那么就要使用全程精確的方式。

（4）資料解釋。瞬變電磁探測的目的就要確定積水邊界，所以要觀察所測數據的變化規律，并且根據已經知道的資料，進行從簡單到復雜的綜合分析。通常情況下，瞬變電磁資料的處理和解釋都是同步開始的，這兩者之間存在著一種從實際中獲得理論認知的提高。對于瞬變電磁資料的解釋，就是根據某一個點的數據和這整條側線的視電阻率等值線斷面圖，來分析出采空區的積水邊界。在對采空區的積水情況進行解釋的時候，不僅要能夠根據斷面圖進行分析，還要根據單點的數據和單支衰減曲線進行總體的分析。要獲取相關的鉆孔資料，來確定所探測地層的瞬變電磁采樣道，然后對不同地層的視電阻率平面圖進行繪制，兩者進行結合來分析出采空區積水邊界的大致范圍。然后再根據相關的資料，對每個測點進行分析解釋，使積水邊界的范圍更加的準確。

能夠影響電性變化的一個主要原因就是采空區中的積水，所以要能夠根據視電阻率的變化來判斷采空區的積水性。當某個地區的視電阻率遠遠小于周圍地層的視電阻率，就可以得知此地的積水性比較強。雖然有些采空區沒有積水，但是其周圍的空隙比較大，還存在著一些比較疏松的構造角礫巖，這種地區的導水性能比較好，這樣也能出現低阻異常的現象。相反的，在采空區的一些地區沒有積水，就會表現出高阻異常來。

（5）解釋的結果。在進行瞬變電磁探測的時候，確定了相關地層中存在著一定范圍的采空區，并且確定了積水邊界，這樣就能夠保證煤礦安全生產的順利進行。在測線視電阻率斷面圖上，橫軸代表著點號，縱軸代表著標高，上等值線代表視電阻值率的數值。我們通過其中兩條比較代表性的視電阻值率剖面進行解釋。在第一個視電阻率斷面圖當中，我們能夠觀察到不同煤層的大概位置。以縱向的角度來看，視電阻率從低到高呈現出一種高阻到低阻再到高阻的電性特征，這種情況與地層的電性分布情況也比較的符合。在這個地區的部分區域呈現出高低不平的情況，視電阻率的變化也比較多，能夠表明在這個地區內部分地層的連續性比較差。在第二個圖中，積水區的區域視電阻值率一般都比較小，而采空區的視電阻值率一般比較大，并且還不時的有低阻出現，連通性比較好。根據煤層的不同，對于積水區和采空區的劃分范圍也不一樣，都要根據視電阻率的實際數值進行劃分。在同一區域的不同地層當中，都存在著一些積水區和采空區。如果巖層的積水性比較強，那么在視電阻率的曲線圖當中在一些特定的線段內都會呈現出局部的低阻異常，并且在視電阻率斷面圖上，其等值線是向下凹陷的，使等值線不夠線性，這樣就會形成一個比較封閉的低阻區域。從橫向的角度來看，能夠觀察出不同號點對應的標高位置，其視電阻率等值曲線發生比較大的波動。并且也向下凹陷，呈現出低阻反應，那么也就反映出此地區的積水性比較強。

5 結語

綜上所述，在運用瞬變電磁法對煤礦采空區的積水邊界進行探測的時候，要根據實際情況選擇合適的裝置參數進行探測工作，并且利用視電阻率的斷面圖來進行分析，從而得出采空區以及積水邊界的情況。