瞬變電磁法在探測煤礦積水采空區中的應用

陳功軍 劉大海 張玉明

（河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016）

煤礦開采會產生大量采空區，降水、地下水轉移等原因會造成部分采空區積水，對煤礦安全生產造成極大威脅，嚴重影響當地穩定和社會經濟的可持續發展。因此，探測地下采空區積水情況，有針對性地做好探放水工作，可以避免盲目開采而導致的災害性事故，防治水害發生，保證煤礦安全生產，提高礦井綜合效益，促進經濟發展和社會穩定[1]。

1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法（即時間域電磁法，簡稱TEM），屬于電磁感應類探測方法，遵循電磁感應原理。其機理是導電介質在階躍變化的電磁場激發下產生的渦流場效應，即利用一個不接地的回線或磁偶極子向地下發射脈沖電磁波作為激發場源（即“一次場”）。根據法拉第電磁感應定律，脈沖電磁波結束后，大地或探測目標體在激發場作用下，內部產生感生渦流。渦流有空間特性和時間特性，其大小與目標體的空間特征和電性特征、激發場特征等因素有關，因熱損耗的緣故會逐漸減弱至消失。渦流大小不能直接測量，但可利用專門儀器觀測渦流產生的電磁場（即“二次場”）的強弱、空間分布特性和時間特性。二次場的本質特征由探測目標的物理性質及賦存狀態決定，其時間特性中，早期信號反映淺部地層地質信息，晚期信號反映深部地層地質信息，時間的早晚與探測的深淺具有對應關系[2-3]。

一般來說，探測目標的幾何規模越大、埋藏越淺、導電性越好，則二次場的信號越強、持續時間越長，反之，二次場的信號越弱、持續時間越短。通過研究二次場的空間分布特性和時間特性，可以推測解譯地層或地質目標體的幾何和物性特征。瞬變電磁法工作原理如圖1所示。

圖1 瞬變電磁法工作原理示意圖

2 瞬變電磁法的特點

和其他物探方法相比，瞬變電磁法的特點有：

（1）瞬變電磁法研究的是二次場，即純異常場，不存在一次場背景干擾，與常規電法（如頻率域電磁法）觀測綜合場的工作方法不同；（2）具有穿透高阻覆蓋層的能力，優于傳導類電法探測；（3）可采用同點組合裝置（中心回線或重疊回線）進行觀測，與探測目標達到最佳耦合，對高阻圍巖中的低阻體反應敏感，有利于探測低阻地質目標體；（4）通過多次脈沖激發場的重復測量疊加和空間域擬地震的多次覆蓋技術應用，提高信噪比和觀測精度；（5）可選擇不同的時間窗口進行觀測，有效壓制地質噪聲，獲取不同勘探深度的地質信息；（6）地形影響小，測量簡單，工作效率高[4]。

3 采空區地球物理特征

煤層賦存于煤系地層中，被開采后形成采空區，破壞了應力平衡狀態。開采面積較小時，煤層頂板為塑型巖石且保存完整，殘留煤柱較多使壓力轉移到煤柱上，未引起地層塌落、變形；但多數采空區在重力和地層應力作用下，頂板塌落，形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶，使采空區及其上部地層的地球物理特征發生變化：

（1）煤層采空區冒落帶與完整地層相比，巖性疏松，密實度降低，即單位體積內介質的密度降低，同時其導電性降低，在電性上表現為高阻異常。

（2）煤層采空區裂隙帶與完整地層相比，巖性沒有發生明顯變化，但裂隙帶內巖石的裂隙發育，使其導電性變差，巖石的電阻率明顯變大。當采空區充水較多時，導電性變強，采空區的電阻率明顯變小。由此可見，采空區的視電阻率明顯區別于未采空區的視電阻率，這是瞬變電磁法探測采空區并判斷含水性的物理前提[5]。

4 工程實例

西北某煤礦是地方小煤礦，于2005年關閉，老窯采空區具體分布位置及積水范圍不詳。由于受局部隔水層較薄和老窯采空區積水的影響，采掘工程和礦井安全受到嚴重威脅。為防止水害事故發生，利用瞬變電磁法對煤礦井田范圍內2號煤層積水采空區的分布情況進行探查，為井下防治水工程設計提供參考。

煤礦井田內是中生界地層發育，北部地層出露很少，屬掩蓋區；南部沿河、溝、谷出露，屬半掩蓋區。由老至新有三疊系、侏羅系、白堊系、新第三系及第四系地層。新第三系和第四系地層以粘土為主，電阻率大約為60Ω·m，電性特征為低電阻率。白堊系地層主要是泥巖，夾雜粘土。侏羅系是含煤層，煤層上部地層主要為泥巖，下部地層主要為砂巖，電阻率為70Ω·m～110Ω·m。三疊系以砂巖為主，電性特征為高電阻率。

此次勘探使用的是加拿大鳳凰公司生產的V8多功能電磁法探測儀，該儀器有抗干擾能力強、測量動態范圍大、施工方便、測量精度高等特點。工作裝置采用中心回線裝置，發射線框為300m×300m，激發頻率25Hz，激發電流14A，疊加次數500次。布置瞬變電磁測線16條，測線編號為0～15，點、線距為20m×10m。

圖2、圖3分別為8線和4線視電阻率斷面等值線圖，圖中黑色粗線為2號煤層。垂向上視電阻率值總體為低阻—中高阻趨勢，橫向上視電阻率等值線走向與含煤地層基本一致，反映了實際地質層位的電性分布。若不受富水區域或含導水構造影響，煤系地層的電性變化有一定規律，反映在斷面圖上為視電阻率值穩定，等值線呈似層狀分布，變化平緩，如圖3；相反，當存在低阻富水區域或含導水構造時，視電阻率值降低，等值線發生扭曲、變形或呈密集條帶狀等，如圖2。在8測線的171～187測點之間和119～139測點之間，2號煤層附近地層電性為相對低阻，地層電阻率等值線波動明顯，表示該處為積水采空區。4測線各測點之間視電阻率值變化穩定，等值線無明顯波動，表示測線上無積水采空區。

圖2 8線視電阻率斷面等值線圖

圖3 4線視電阻率斷面等值線圖

5 結語

瞬變電磁法作為一種新興的地球物理勘探方法，能解決復雜地質問題，探查低阻體，解決采空區積水問題，為水文地質勘探與防治水提供資料。由于探測得到的電阻率是視電阻率，它是地質體綜合作用的結果，影響探測準確度，因此，后期要結合水文地質資料和勘探經驗加以分析，以提高精確度。在地質條件復雜時，還要考慮對地形的影響，進行地形校正。隨著數據處理技術的日益進步，瞬變電磁法將得到更廣泛的應用。