綜合電磁法探測在煤田老窯采空區及其火區中的應用

劉振東

摘要：隨著社會的發展，當前的我國正面臨著非常嚴重的環境問題，而在眾多環境挑戰中，煤田老窯采空區和煤田火區所導致的環境問題和能源問題非常突出。其原因主要是因為我國是以煤炭為主要能源的國家，所以，探明煤田老窯采空區和煤田火區是環境地質中的一項主要任務。對于煤層進行常規探測主要是采用磁法和自然電位法，但是對于和煤層自燃相關的采空區與地溫中心的探測存在較高的難度。因此，本文介紹了高分辨地電阻率法在煤田老窯采空區以及火區中的應用。

Abstract： With the development of society， China is currently facing very serious environmental problems. Among the many environmental challenges， the environmental and energy problems caused by the coalfield old kiln goaf and coalfield fire area are very prominent. China is a country with coal as the main energy source. Therefore， it is a main task of environmental geology to explore the goaf and fire area of old coal mines. Conventional detection of coal seam mainly uses magnetic method and spontaneous potential method， but it is more difficult to detect goaf and ground temperature center related to coal seam spontaneous combustion. Therefore， this paper introduces the application of high-resolution georesistivity method in the goaf and fire area of old kilns in coal fields.

關鍵詞：綜合電磁法;高分辨地電阻率法;煤田老窯采空區;煤田火區;勘探

Key words： comprehensive electromagnetic method;high-resolution ground resistivity method;coal field old kiln goaf;coal field fire area;exploration

中圖分類號：TD75+2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）12-0204-03

0? 引言

煤田老窯采空區內大部分的煤層電阻率相較于圍巖而言，屬于高阻。老窯采空區內的水電阻率相對較低，空氣、水以及煤層的電阻率的差異構成了探測的前提。而老窯的特點在于體積小、分布不規律，因此導致電磁法進行勘探具有一定的難度。因此，高分辨地電阻率法成為了探測老窯的首選方法。高分辨地電阻率法是通過利用密集的測點和孤立異常體敏感的單極一偶極裝置，對于低下每一分析分辨單元形成多次覆蓋，直流電阻率法在對于老窯采空區進行探測方面實現了極大的突破，而針對于煤田獲取的探測，如果是大面積的普查性勘探的話，可以采用遙感技術，該技術可以掌握火區的分布范圍。但是，如果是需要進行治理的話，僅依靠遙感技術是無法實現治理的。煤田火區出現火災之后，暴露的煤層在與空氣產生接觸之后，將會發生氧化作用，經過積熱將會導致氧化，并最終導致煤田自燃。而煤田在燃燒的過程中，出現的坍塌情況和裂隙將會提供更多供養渠道，最終引發火災。高分辨地電阻率適合探測小體積、孤立分布的煤田火區。

1? 高分辨地電阻率探測法

1.1 探測方法與高密度電阻率法的異同

高分辨地電阻率方法最初的時候是由美國開發的，后來在二十世紀的七十年代應用于越南戰場中，其目的是為了搜索地道等軍事掩體。后來美國的礦產局等又將其進行了更加深入的研究，逐漸的發展成為高分辨自動地電阻率系統，并將其應用到了煤礦廢棄巷道、采空區以及泥質陷落洞等部分的探測中。高分辨地電阻率方法是通過采用單極一偶極裝置，所以自身具有相對較小的體積效應，并且對于地下孤立異常體靈敏度較高，是專門為了探測地下洞道而設計的一種探測方法。如圖1所示為高分辨地電阻率的施工方式。高分辨地電阻率法在進行觀測的時候，一開始的電位電極是處于測線一端，然后會開始依次由電流電極向地下供電，并開始對應于各電流電極的電位差進行測量。并通過移動電位電極到下一測點的方式，在進行供電之后，測量各相應電位差。通過利用這一過程直到電位電極沿測線移動到另一端。因此，最終能夠得到一條測線上完整的二維剖面信息。

1.2 地表靜態偏移影響的消除

電阻率法中普遍存在一種因為地表不均勻所對于觀測資料產生的影響。與接收點處的局部電性不均勻具有直接的關系，從而導致測量的電場強度、電位差等受到影響，最終將會導致使電阻率出現突變。當局部不均勻體為高阻的時候，此時的電阻率值會相對偏高，而局部不均勻為低阻的時候，使電阻率值偏低。高分辨電阻率法的施工現場，條件相對惡劣，所以地表電性不均勻無法避免的對觀測資料造成影響，并且這一影響十分嚴重。在電磁感應法中，地表不均勻性的影響可以采用空間濾波、相位法、波數域濾波等方法來消除。直流電法中，并沒有刻意利用的相位參數，而空間濾波就是認為地下地質的影響是逐變的，將地表不均勻性的影響認為是突變，這就等同于高頻干擾，通過低通濾波消除之后，將有用的信號保留下來。但是，地下洞體作為探測對象，常常也會導致觀測數據發生突變，其與地表不均勻的影響不適合采用空降濾波，需要使用別的方法。因為高分辨方法可以實現每一分析分辨單元的多次覆蓋，而這一方式也能夠更輕松的識別和壓制因為地表電性不均勻而導致的靜態偏移。地下的每一分析分辨單元在單極一偶極裝置下，都是由不同的電位電極、不同的電流電極供電進行反復多次的測量工作。也就是說，同一個地下洞體是由不同接收點處的電位異常所反映出來的。而因為地表不均勻所導致的靜態偏移，只要電位電極不動的話，無論是哪一個電流電極進行供電，在接受點必然會發生電位異常現象。如圖2所示，在該圖中的左右兩側分別是地下洞體引起的異常，由于它們對于不同的供電電極都會出現反映，并且處于同一個測點上，同時形狀十分相似，不會隨著電流電極的改變而逐漸的消失。所以，對于此異常情況可以通過已統計平均值后的歸一化ΔV/I值，就能夠剔除靜態偏移所產生的影響。而這一方法也就意味著舍棄了某個側點的實測數據，而這一過程是否需要將真正的異常丟掉呢？實際上，某一個測點上是由不同的電流電極供電所得到的實測值與不同的分析分辨單元相對應，而對于每個分析分辨單元多達十幾或是更多的測量次數而言，舍棄一兩次的測量數據不會影響到總體的測試結果，其地下洞體的異常仍舊能夠在不同的測點上進行觀測。而高分辨地電阻率在地形方面的對影響的校正方法與其他的電阻率方法相同。