基于礦山采空區(qū)工程的瞬變電磁法勘探原理分析

潘江濤

（甘肅煤田地質(zhì)局一四六隊(duì)，甘肅 平?jīng)?744000）

瞬變電磁法是一種時(shí)間域和空間域的電磁探測(cè)方法，具有探測(cè)精度高，探測(cè)效率快的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到地質(zhì)勘查領(lǐng)域中，尤其是在礦山采空區(qū)工程中，該方法發(fā)揮了重要的勘查作用，所以此次提出基于礦山采空區(qū)工程的瞬變電磁法勘探原理分析，為瞬變電磁法在礦山采空區(qū)工程中的應(yīng)用研究提供理論依據(jù)。

1 基于礦山采空區(qū)工程的瞬變電磁法勘探原理

瞬變電磁法以巖石導(dǎo)電性能的差異為探測(cè)依據(jù)，利用接地回線(xiàn)向巖石介質(zhì)發(fā)送一次沖脈場(chǎng)，巖石介質(zhì)在一次沖脈場(chǎng)電流的激勵(lì)下會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大渦流，并且在整個(gè)沖脈期間渦流不會(huì)因?yàn)闆_脈間斷而立即消失，而是在周?chē)目臻g域內(nèi)形成一個(gè)隨時(shí)間衰減的二次沖脈場(chǎng)，即二次磁場(chǎng)[1]。二次沖脈場(chǎng)將隨著時(shí)間的變化而發(fā)生規(guī)律性變化，變化規(guī)律主要受到異常體的導(dǎo)電性、體積大小、深度等因素的影響，除此之外還有發(fā)射沖脈的形態(tài)和頻率。因此瞬變電磁法主要是根據(jù)巖石介質(zhì)導(dǎo)電性能和空間賦存位置的差異，了解感應(yīng)渦流衰變規(guī)律，經(jīng)過(guò)分析和研究二次脈沖場(chǎng)的時(shí)間和空間變化特征，得知異常體的空間分布特征，從而達(dá)到接近地質(zhì)問(wèn)題的目的[2]。下圖為基于礦山采空區(qū)工程的瞬變電磁法勘探原理示意圖。

圖1 基于礦山采空區(qū)工程的瞬變電磁法勘探原理示意圖

1.1 礦山采空區(qū)勘探依據(jù)

并不是所有的項(xiàng)目都適合瞬變電磁法，所以在勘探前需要對(duì)勘探區(qū)域進(jìn)行分析，尋找瞬變電磁法的勘探依據(jù)。礦山經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度回采后會(huì)形成采空區(qū)，該區(qū)域地質(zhì)資料不明確，在開(kāi)采過(guò)程中沒(méi)有明確的掘進(jìn)、開(kāi)采以及勘探記錄，在開(kāi)采過(guò)程中主要是以掘進(jìn)采礦為主，開(kāi)采深度相對(duì)不是較深，一般情況下，礦山采空區(qū)的開(kāi)采深度在60m深度左右[3]。在采空區(qū)內(nèi)部沒(méi)有預(yù)留礦柱或者預(yù)留的礦柱較細(xì)，巷道頂部和底板以及兩側(cè)多數(shù)沒(méi)有采取支護(hù)，且地表發(fā)生了強(qiáng)大的變形。因?yàn)榇蟛糠值V山采空區(qū)沒(méi)有得到有效的保護(hù)，造成采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)塌陷槽或者塌陷坑。當(dāng)采空區(qū)上覆巖層出現(xiàn)坍塌后，礦山采空區(qū)的周?chē)畬訒?huì)遭到不同程度的破壞，含水層的水會(huì)沿著裂隙向礦山采空區(qū)空間內(nèi)充水，其充水特征如下：

①礦山采空區(qū)內(nèi)積水高度在生產(chǎn)和開(kāi)拓水平以上，但水量不會(huì)過(guò)大，不會(huì)發(fā)生淹井等事故，但采空區(qū)水量集中，且水勢(shì)兇猛，一旦揭露就會(huì)以水柱的形成噴涌而出，具有較大的破壞力和沖擊力。②由于礦山采空區(qū)中礦體層及頂?shù)装鍘r層中發(fā)生礦體的氧化作用，采空區(qū)內(nèi)的水可以形成具有酸性特征的強(qiáng)腐蝕性水，對(duì)采空區(qū)內(nèi)巖體破壞甚大，尤其是采空區(qū)頂?shù)装宓奶妓猁}巖類(lèi)和砂頁(yè)巖，如果礦山采空區(qū)內(nèi)的交替循環(huán)條件較差，更容易形成強(qiáng)酸性地下水。礦山采空區(qū)的化學(xué)成分比較復(fù)雜，主要受到采空區(qū)地下水的補(bǔ)給、排泄條件、采空區(qū)的深度等因素的影響[4]。③當(dāng)開(kāi)采工作面解決采空區(qū)時(shí)，開(kāi)采區(qū)內(nèi)的水還會(huì)以淋水、滴水以及滲水等形式進(jìn)入采礦工作面。

根據(jù)上面對(duì)采空區(qū)的分析，礦山采礦區(qū)內(nèi)帶有酸性特征的水內(nèi)含有大量的電解質(zhì)，說(shuō)明采空區(qū)具有明顯的低電阻高極化率的電性特征，周?chē)鷩鷰r出現(xiàn)離層、變形越大，電阻率就越高，為瞬變電磁法提供了良好的勘探環(huán)境。通過(guò)以上分析，可以運(yùn)用瞬變電磁法勘探礦山采空區(qū)的位置和邊界范圍。

1.2 瞬變電磁法野外勘探

瞬變電磁法與其它物探方法一樣，都要通過(guò)實(shí)際勘探過(guò)程采集到數(shù)據(jù)，作為最終的分析依據(jù)。首先通過(guò)不同的試驗(yàn)方法確定回線(xiàn)長(zhǎng)度：結(jié)合礦山采空區(qū)項(xiàng)目地質(zhì)任務(wù)，采空區(qū)項(xiàng)目地質(zhì)規(guī)模，以及埋深和電性等作為依據(jù)，對(duì)其做數(shù)值以及物理模擬工作，依據(jù)結(jié)果并結(jié)合準(zhǔn)備使用的測(cè)網(wǎng)密度，合理的確定回線(xiàn)長(zhǎng)度。通常情況下，回線(xiàn)長(zhǎng)度L大致和礦山采空區(qū)的埋深相接近[5]。然后進(jìn)行布線(xiàn)：在礦山采空區(qū)內(nèi)布線(xiàn)要按照測(cè)地布設(shè)的點(diǎn)位鋪設(shè)回線(xiàn)，但要注意的是，如果線(xiàn)架上剩有導(dǎo)線(xiàn)，最好將剩下的導(dǎo)線(xiàn)呈“S”型鋪設(shè)于地面之上。

由于野外勘探過(guò)程中長(zhǎng)遇到地下金屬管道，為了避免其它因素干擾引起較強(qiáng)的瞬變電磁響應(yīng)，勘探過(guò)程中盡量避開(kāi)這些導(dǎo)體，并且不可以在電力高壓線(xiàn)附近探測(cè)。回線(xiàn)布置要垂直于礦山采空區(qū)內(nèi)地層和構(gòu)造走向，采用20m×10m的網(wǎng)度，提高橫向分辨率，更加精準(zhǔn)的反映出礦山采空區(qū)地質(zhì)異常特征。最后利用多功能電法儀接收礦山采空區(qū)內(nèi)所有的電磁數(shù)據(jù)。

1.3 分析礦山采空區(qū)地質(zhì)異常特征

瞬變電磁法探測(cè)礦山采空區(qū)地下地質(zhì)體異常，主要以采空區(qū)域巖、礦層的電阻率差異為基礎(chǔ)，下表為某礦山采空區(qū)巖體正常電性特征。

表1 某礦山采空區(qū)巖體正常電性特征

瞬變電磁法所觀測(cè)的二次場(chǎng)包含地下地質(zhì)體豐富的地點(diǎn)信息，因此對(duì)礦山采空區(qū)內(nèi)電阻率和瞬變電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律的研究，可以得出礦山采空區(qū)地下地質(zhì)體的分布特征，但瞬變電磁法野外探測(cè)采集到的數(shù)據(jù)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，需要將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)化為電阻率，其轉(zhuǎn)換公式如下：

公式（1）中，ρ為電阻率；ST 為發(fā)送回線(xiàn)面積；ST 為接收回線(xiàn)面積；T 為測(cè)道時(shí)間；V 為歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬變值。通過(guò)公式（1）將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)化為電阻率，繪制視電阻率等值線(xiàn)圖，分析曲線(xiàn)類(lèi)型，然后在將其與表1數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以分析出礦山采空區(qū)地質(zhì)異常特征，由此完成了基于礦山采空區(qū)項(xiàng)目的瞬變電磁法勘探原理分析。

2 結(jié)語(yǔ)

此次對(duì)瞬變電磁法在礦山采空區(qū)工程中的勘探原理進(jìn)行了分析，并取得了一定的研究成果，但由于時(shí)間倉(cāng)促，個(gè)人能力有限等原因，此次研究還存在一些不足需要深入研究：對(duì)礦山采空區(qū)項(xiàng)目的分析不夠，僅分析了礦山采礦區(qū)的一般性，未對(duì)特殊性進(jìn)行分析，今后還需要加深對(duì)礦山采空區(qū)項(xiàng)目瞬變電磁法勘探原理的分析。