瞬變電磁法在新疆大黃山煤礦的應(yīng)用

王建林 楊學(xué)仁

（新疆大黃山豫新煤業(yè)有限責(zé)任公司通防部，新疆 阜康 831509）

1 概況

新疆大黃山煤礦位于烏魯木齊市以東120km，距阜康市60km，屬昌吉回族自治州阜康市管轄，地理坐標(biāo)：東徑88°37′15″～88°40′15″，北緯44°01′30″～44°03′00″。

2 探測方法的確定

采空區(qū)及火區(qū)燒空區(qū)位置的探測目前主要應(yīng)用的方法有：高密度電法、瞬變電磁法、淺層地震法、探地雷達(dá)法等，根據(jù)大黃山煤礦火區(qū)的地球物理特征、地形及地質(zhì)特征，礦井的磁、電干擾情況，參考目前火區(qū)傳統(tǒng)探測方法，通過現(xiàn)場踏勘后，本次大黃山煤礦采空區(qū)地面物探采用瞬變電磁法來圈定老窯采空區(qū)及火區(qū)燒空區(qū)范圍。瞬變電磁法和其他物探方法相比具有許多優(yōu)勢和特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：

（1）不存在背景場的干擾；

（2）瞬變電磁具有穿透高阻的能力；

（3）響應(yīng)分辨率強(qiáng)，準(zhǔn)備結(jié)構(gòu)簡單，便于測量操作，能大大提高工作效率。

3 裝置及工作原理

瞬變電磁法是目前物理探測的重主要手段之一，該方法通過向地下發(fā)射電磁波，誘導(dǎo)地下目標(biāo)，接收其產(chǎn)生的二次場，確定被測目標(biāo)的物理性能參數(shù)。

該測量裝置由發(fā)射回路線和接收回路線組成，工作過程分為電磁發(fā)射、感應(yīng)和接收三個(gè)部分。當(dāng)發(fā)射回路線中通電流，發(fā)射電流突然中斷，按照電磁感應(yīng)理論，發(fā)射回路線中電流突然變化會在其周圍產(chǎn)生電磁場，該電磁場稱為一次電磁場，一次電磁場在傳播過程中，如遇到良導(dǎo)電的地質(zhì)體，將在內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流，又稱二次電流。由于二次電流隨時(shí)間變化，因而又產(chǎn)生新的電磁場，稱為二次電磁場。因良導(dǎo)電地質(zhì)體內(nèi)感應(yīng)電流的熱能損耗，二次電磁場隨時(shí)間衰減，形成瞬變磁場，二次電磁場主要來源于良導(dǎo)電地質(zhì)體的感應(yīng)電流，它包含著與地質(zhì)體有關(guān)的地質(zhì)信息，二次電磁場通過接收回路線觀測，并對觀測的數(shù)據(jù)分析和處理，對地下地質(zhì)體的相關(guān)物理性能參數(shù)進(jìn)行解釋。如示意圖圖1所示。

圖1 瞬變電磁法觀測示意圖

4 測網(wǎng)布置原則

物探測線走向盡可能垂直地層走向，使探測異常位于測線的中間，測線兩端有一定點(diǎn)數(shù)的正常場，測線盡可能通過已知點(diǎn)。

勘查區(qū)內(nèi)基本網(wǎng)度為40m×20m，線距為40m，點(diǎn)距為20m，因大黃山煤礦勘查區(qū)西翼為勘查重點(diǎn)區(qū)，所以將西翼的網(wǎng)度加密至40m×10m，線距40m，點(diǎn)距10m。各物探方法使用同一測網(wǎng)。測線及測點(diǎn)編號按從西向東、從南向北增大的順序依次排序。

測線方位：大黃山煤礦西翼為正南北向測線，東翼為北19°東。

此次測網(wǎng)布設(shè)工作共放樣物探測線77條，物探測點(diǎn)2276個(gè)，測線里程30.74km。其中西翼40條測線（X1～X40），煤礦37條測線（D1～D37）。在放樣過程中，對有房屋等障礙物無法放樣的測點(diǎn)都進(jìn)行了記錄。

5 試驗(yàn)

5.1 儀器性能測試

儀器性能測試試驗(yàn)包括設(shè)備進(jìn)場后的標(biāo)定，儀器穩(wěn)定性測試。

5.2 環(huán)境噪音測試

分別在干擾區(qū)和非干擾區(qū)的試驗(yàn)線上進(jìn)行了環(huán)境噪音測試試驗(yàn)，以了解勘查區(qū)內(nèi)的電磁干擾情況。此次試驗(yàn)工作完成一條測線共計(jì)139個(gè)物理點(diǎn)，試驗(yàn)工作量統(tǒng)計(jì)表見表1所示。

5.3 測驗(yàn)參數(shù)選擇

（1）試驗(yàn)線選取

選取大黃山煤礦西翼中部X21線進(jìn)行參數(shù)的試驗(yàn)，X21線除北端有高壓線干擾源外再無明顯干擾源。

（2）儀器標(biāo)定

設(shè)備進(jìn)場后，對主機(jī)、電流監(jiān)控盒子均進(jìn)行標(biāo)定，通過標(biāo)定，儀器運(yùn)行正常且儀器標(biāo)定曲線符合儀器廠家提供相關(guān)要求，無異常響應(yīng)。

（3）儀器穩(wěn)定性測試

儀器穩(wěn)定性試驗(yàn)在不改變?nèi)魏问┕?shù)的前提下，在相同測點(diǎn)上用同一臺儀器進(jìn)行重復(fù)觀測，根據(jù)觀測結(jié)果評價(jià)儀器的穩(wěn)定性。

表1 試驗(yàn)工作量統(tǒng)計(jì)表

（4）環(huán)境噪音測試試驗(yàn)

環(huán)境噪音測試試驗(yàn)在不發(fā)射狀態(tài)下，接收機(jī)采集環(huán)境噪音（即空采），通過對噪音水平分析，分析本區(qū)噪音對信號的影響程度。環(huán)境噪音測試在X21線進(jìn)行，通過在無干擾點(diǎn)處和高壓線下空采，獲得環(huán)境噪音數(shù)據(jù)，再與同點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)作對比，分析評價(jià)干擾的影響程度。

通過X21線0號點(diǎn)環(huán)境噪音曲線與該點(diǎn)實(shí)測曲線對比，該處地表為原始地貌，無明顯干擾源，通過與實(shí)測曲線對比可見環(huán)境噪音對實(shí)測曲線對實(shí)測值基本無影響。

X21線380號點(diǎn)環(huán)境噪音曲線與該點(diǎn)實(shí)測曲線對比，該點(diǎn)位于35kV高壓線附近，受高壓線影響干擾較大，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，在距高壓線40m范圍內(nèi)均會受到不同程度的干擾，越靠近高壓線干擾越大。遇到類似的干擾，觀測曲線會出現(xiàn)畸變，應(yīng)查明原因后，重復(fù)觀測，必要時(shí)采取偏移或跳點(diǎn)措施避開干擾源并且在偏移點(diǎn)增大觀測時(shí)長至300s進(jìn)行采集，處理數(shù)據(jù)時(shí)有針對性的采取多次濾波，降低干擾影響。

（5）發(fā)射電流試驗(yàn)

從理論上分析，發(fā)射電流越大，抗干擾能力越強(qiáng)，但是關(guān)斷時(shí)間也越長，對淺部信息的分辨能力不夠。結(jié)合大黃山煤礦實(shí)際情況，采用10A和7A的發(fā)射電流進(jìn)行試驗(yàn)。通過在同一發(fā)射線框、同一發(fā)射頻率下分別對兩種不同電流值的對比，結(jié)合實(shí)際情況，選用相對合適的發(fā)射電流。

X21線發(fā)射線框、發(fā)射頻率不變的前提下，采用不同發(fā)射電流（10A、7A）進(jìn)行采集的同一測點(diǎn)的衰減曲線對比圖。從圖上可以看出，兩種電流的衰減曲線整體形態(tài)平滑，曲線大部分相互重合，只有在曲線尾支有較小的差異，發(fā)射電流為7A的曲線尾支存在較小的跳動(dòng)，且尾支衰減形態(tài)不夠完整，相對而言電流為10A的曲線形態(tài)更為穩(wěn)定、完整。

綜合考慮以上因素，并結(jié)合儀器性能、地形等實(shí)際因素，發(fā)射電流為10A的效果好于7A。

（6）發(fā)射頻率選擇試驗(yàn)

在相同的發(fā)射線框240m×240m，發(fā)射相同電流（10A）的情況下對發(fā)射頻率分別為2.5Hz、5Hz及10Hz進(jìn)行試驗(yàn)。

X21線在發(fā)射相同線框、電流情況下發(fā)射頻率為5Hz的曲線更為平緩、穩(wěn)定。因此在本區(qū)采用5Hz發(fā)射頻率較為合適。

（7）發(fā)射線框試驗(yàn)

根據(jù)大黃山實(shí)際地質(zhì)情況，試驗(yàn)采用發(fā)射線框240m×240m、180m×180m的兩種線框進(jìn)行試驗(yàn)。

通過在探測線X21上發(fā)射相同頻率、電流，在觀測時(shí)長一致的條件下240m及180m發(fā)射線框的視電阻率等值線斷面圖。

通過對比發(fā)現(xiàn)，兩種發(fā)射線框在深度上均能夠滿足地質(zhì)需要。 240m線框整體效果相對略差，180m線框相對抗干擾能力較好，兩種線框淺部信息差異不大，180m線框淺部盲區(qū)相對較小。故選擇180m發(fā)射線框作為正式施工的發(fā)射線框。

（8）觀測時(shí)間的試驗(yàn)

在相同發(fā)射線框、頻率、電流參數(shù)下，觀測時(shí)長用≤90s和≥120s進(jìn)行試驗(yàn)。

通過現(xiàn)場試驗(yàn)對比，采用≥120s的觀測時(shí)長電阻率曲線和衰減曲線的尾支的形態(tài)及平滑度比采用≤90s觀測時(shí)長所得的曲線更優(yōu)，因此大黃山煤礦采用的觀測時(shí)長確定為≥120s。

5.4 剖面數(shù)據(jù)處理

用已經(jīng)初步確定的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和反演，并結(jié)合已有地質(zhì)剖面、鉆孔和測井等資料進(jìn)行分析，確保施工參數(shù)的合理性，為后期的數(shù)據(jù)處理、解釋提供依據(jù)。

6 試驗(yàn)成果分析

通過試驗(yàn)和資料處理，確定本區(qū)最終施工參數(shù)為：發(fā)射頻率為5Hz，發(fā)射線框選用180m×180m，發(fā)射電流為10A，觀測時(shí)長為≥120s。

圖2是根據(jù)上述施工參數(shù)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過反演、地形校正及深度校正后得到的X21線視電阻率等值線斷面圖。

圖2 X21線視電阻率等值線斷面圖

通過對比，各煤層位置投影至視電阻率等值線斷面圖中后可看出，圖中顯示的電性異常反映和地質(zhì)資料較吻合；圖中所示的各煤層露頭位置與實(shí)際相符；視電阻率斷面圖中已知采空區(qū)位置上方出現(xiàn)高阻異常，推測為采空放頂后上部地層塌陷所致；視電阻率斷面圖中在已知火區(qū)位置出現(xiàn)高阻異常，推測為巖石燒變及燒空區(qū)。

7 結(jié)語

通過地面調(diào)查、瞬變電磁法、鉆探驗(yàn)證等手段，圈定了大黃山煤礦采空區(qū)平面分布位置及面積，查明采空區(qū)累計(jì)面積154.50萬m2，為下一步大黃山煤礦采空區(qū)和火燒區(qū)消除隱患及綜合治理提供了基礎(chǔ)依據(jù)。